中国诗词元素在“岩体力学”教学中的应用研究

曹 函，戴前伟，张绍和，刘磊磊，刘 飚，孙平贺

中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083

数学家哈代曾说过：“对物理中热力学第二定律一无所知的文学家和对莎士比亚名著一窍不通的科学家同样都是糟糕的。”[1]这生动诠释了同时兼具科学素养与人文素养的重要性。工程科技思想的突破和创新也以人文学科为基础，强化人文素养有助于增强工科人才的人道主义情怀，提升仿生学在工科领域的推广应用，促进人类和自然的和谐共生。

“岩体力学”是地质工程等相关本科专业非常重要的专业基础课，是以岩体赋存地质环境、物理与力学特征为主要研究对象，研究岩体在各种力场作用下变形与破坏及稳定性规律的理论及其实际应用的课程[2]。由于岩体具有显著的非均质性及各向异性等特征，且理论性强、公式繁多，实验验证综合性强。传统的教学模式难以调动学生的积极性，影响教学质量和其他相关专业课程的学习。而博大精深中国古代诗词具有历史沉淀的文化底蕴，深入浅出地描述人与自然相处之道，不仅文学艺术价值精湛，而且对复杂自然现象剖析细致入微，这些传统文化精髓对于提高工科学生的人文素养具有很大帮助。有研究表明：82%接受调查的大学生对古诗词十分感兴趣；80%的大学生还会偶尔运用诗词表述专业现象或科学写作[3]。一方面说明义务教育阶段的传统文化教育在大学阶段得以传承，另外一方面也说明传统文化已逐渐渗透于专业学习。但这些现象主要呈现少数学生的自发行为，而未能将此理念融入系统的专业教育。

本文从“岩体力学”课程的教学内容和目标出发，深度挖掘中国古代诗词的科学元素，并将这些元素同教学知识点相关联，既让人文教育在专业课堂中落地生根，还让学生在地质工科的学习中积淀升华，探索人文素养和科学素养高度融合的教学新模式。

一、岩体赋存地质环境与古诗词

孟子有云，“天时、地利、人和”三要素决定成败的关键，其中地利可作为岩体力学中大型工程的选址依据，需综合考虑地质环境、岩体力学参数对科学决策问题影响，既要关注岩体自身物理力学特征，又要考虑岩体所赋存地质环境对整体稳定性的影响。要求学生掌握岩体在复杂应力场作用下的变形破坏与稳定性分析方法，防止出现重大事故，又要能够体现国计民生的人文关怀，满足生态环境要求。以建成于20世纪80年代的独库公路为例，部分路段三面环山，基岩裸露，且岩石坡度高达50°，产汇流迅速，古冰碛和现代冰碛物极其丰富，岩体很容易失稳形成冰川泥石流灾害。但工程人依然克服了不利地质条件，修建了长达542 km的独库公路，通过前期勘探进行合理科学的工程选址，使天山南北的行程缩短了一半，集中体现“天时地利人和”在工程建设中的重大作用。在先贤孔子编撰的《诗经》中记载：“兴于诗，立于礼，成于乐。”孔子认识到可通过诗歌使人更好观察自然、认识社会、调节情感并形成良好品行，并将这种品行不断传递给世人。唐朝诗人张继的《华清宫》同样描述了古人在选址中尊重自然、顺势而成的景象：“天宝承平奈乐何，华清宫殿郁嵯峨。朝元阁峻临秦岭，羯鼓楼高俯渭河。”

二、硬度与《望庐山瀑布》

岩体的硬度是其表面抵抗外力的能力，也是局部破碎的极限值。在深地科学钻探、地下空间工程中，硬度比单轴抗庄强度更具有实际意义，因为钻头或切削具对端面岩石的破碎方式多数是局部破坏，因此一般将岩体硬度指标作为衡量地层钻进难易程度的关键参数[4]。不同岩体的硬度差异较大，这主要取决于其矿物组成、形成条件、受力状态等。

唐朝著名诗人李白的《望庐山瀑布》（日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川。飞流直下三千尺，疑是银河落九天。）就将岩体硬度的差异通过瀑布的“飞流直下”描绘得惟妙惟肖。“挂”字很绝妙，化动为静，且能够将这这幅巨帘“挂”起来的也只有大自然；“直下”既写出山的高峻陡峭，又呈现出水流之急；“三千尺”进一步描绘了地层之间的巨大落差，将瀑布这一“跌水”的地质现象呈现得淋漓尽致。结合岩体硬度分析得出：由于河床底部岩体硬度不均，坚硬岩石受到水流冲击后较为完整，形成高位；而硬度较低的岩体则出现局部冲蚀，形成低位；二者之间的落差便形成了瀑布。代表性的瀑布是黄河壶口瀑布，河流周围岩石是中细粒长石杂砂岩和砾岩夹粉砂质泥岩[5]，由于泥岩比较松软，易于被流水冲蚀掉，造成其上砂岩悬空，形成瀑布陡坎。

三、润湿性与《咏露珠》

岩体的润湿性是指流体受分子作用在岩体表面的扩散过程，岩体-流体、流体之间的界面张力和极性物质在岩体表面的吸附等均会影响其润湿效果。岩体的孔隙大小分布和比表面积、孔隙度和渗透率及矿物组成是岩石骨架自身特征，岩体的润湿性一方面取决于岩石自身条件，一方面也受到周围地质环境，即液体（气体）和岩体相互作用的影响。岩体润湿性的差异是造成其与外来液体不同的吸附过程的主要原因，同时岩体的润湿性同时还影响着流体相渗透率和渗透曲线的形状，一般可通过接触角来评价（图1）。

图1 接触角的定义与测量

岩体与外来流体接触初始状态呈现露珠状，随时间推移，逐渐吸附扩展，至最终稳定态。正如《咏露珠》中所描绘的“秋荷一滴露，清夜坠玄天。将来玉盘上，不定始知圆”。 田园派诗人韦应物用短短20个字生动地描绘了秋夜由空中掉下的一滴露水，散落到硕大碧绿的荷叶上，在明暗两种颜色的对比下，露珠化身晶莹剔透的水珠，在荷叶上不断翻滚，非常具有观赏性。而恰恰由于露珠的不断运动，诗人才知道它是圆的而不是方的。从岩体力学的角度看，这首诗所描绘的正是荷叶的疏水特性，研究表明，荷叶的这种特性不同于岩体[6]，而是源于其疏水结构，才有了“大珠小珠落玉盘”之妙。在石油工程岩体力学中，岩体的润湿性直接影响储层的采收率，油气介质与岩石接触界面润湿性的差异性导致地层亲水或亲油明显不同，通过调整浆液性可实现岩石表面润湿反转，从而降低钻采过程中的储层伤害，如水化膨胀、水锁伤害等。

四、风蚀作用与《锦石岩》

岩体在风力作用下脱离原地的现象，称为风蚀作用，一般分为吹蚀作用和磨蚀作用两种。研究表明风速对风蚀具有重要影响：砂岩在起风初始阶段7 m/s时，就开始发生风蚀；而砾岩风蚀所需的临界风速明显高于砂岩，只有当风速达到15 m/s时，才有风蚀发生，砂岩风蚀速率几乎是砾岩的4倍之多[7]。明朝诗人赵壁在《锦石岩》中将风蚀作用后的岩体相貌刻画得入木三分，“群峰百态争斗艳，无愧万古冠岭南”“碧血染成兰蕙绿，丹心开作杜鹃红”。诗句中所描绘的正是风蚀岩体后形成的雅丹地貌，取自维吾尔语“具有陡峭石壁的小山包”之意。在风的磨蚀作用下，靠近地表的岩体往往受到更强的剥蚀作用，并逐渐向里形成凹的形态。当上部的岩体较为松散时，在重力作用下易垮塌从而形成陡壁，雅丹地貌就此形成（图2）。“是石是星丽太空，非风摇石石摇风”，明代诗人文三俊同样描绘了风蚀作用的另外一种地质现象：风动石，亦称为平衡岩。我国最著名风动石是在东南沿海花岗岩地区的铜山风动石，其花岗岩体经过积年累月的差异性风化、剥蚀作用，软弱部分逐渐被侵蚀掉，原本一体的岩块仅剩下坚硬难风化的部分得以保存，正所谓“吹尽狂沙始到金”（图3）。风化后岩石的孔隙结构、抗压强度、抗冻性能等物理力学性质均发生突变，进而影响其工程稳定性。室内岩体力学实验可通过波速法等来定量描述岩石的风化程度。

图2 雅丹地貌

图3 铜山风动石

五、流固作用与《听嘉陵江水声寄深上人》

流固作用下岩体物理力学性质的演变，主要考虑流体侵蚀作用下岩石从微观结构到宏观力学特性的改变，从而影响岩体的整体稳定性。研究表明，水压通过岩体微孔隙、天然裂隙渗入到内部时，其蠕变变形过程会加快，同时通过改变岩石矿物组分影响孔渗结构，对软岩力学性质的改变则会更加明显[8]。在非常规能源开采中，往往利用流体与岩体相关作用实现储层的有效改造，比如水力压裂技术，实验研究表明，水力裂缝的形成过程伴随着裂缝尖端区的拉张、剪切和复合破裂，而在这个过程中，会伴随着能量的储积与释放，通过应力波形成微震信号[9]。这种微震波形最明显特征是持续时间较短（不超过1 s），振幅也较小，可利用监测技术进行捕捉（图4）。如果将这一现象放大，便会形成诗人韦应物笔下《听嘉陵江水声寄深上人》所描绘的生动景象：“水性自云静，石中本无声；如何两相激，雷转空山惊。”水作为自然界常见的流体，其特点本是安静的；石头中本来也没有声音，但为何两者互相冲击后形成的声响令人惊奇呢？尽管诗人未曾知晓其背后的科学实质，但对这种冲击后振动作用下引发的能量转化却洞察入微。

图4 流固作用中应力波传播与监测

六、岩体力学的研究方法与《滁州西涧》

自然科学的研究方法很多，诸如科学假说、理论计算、数学模拟等，而实验研究作为一种受控研究方法，在岩体力学的学习与研究中具有重要作用。可通过设置一个或多个变量，通过不同赋值来评估这些变量对结果产生的效应。特别对于非均质的岩体材料，实验研究的主要目的是建立变量间的因果关系，根据预先提出一种关系假设，再通过多次实验操作来进行检验。比如在核废料封存场地选址研究中，一般认为花岗岩是比较理想的围岩，其具有分布广、密度大、渗透低、隔水好、易开挖、抗辐射、自稳强等优点，但高放废料处置后由于半衰期很长，在元素衰变中会产生大量热量，研究表明围岩累计温度可达200 ℃左右[10]，因此可通过设置不同温度来研究花岗岩的物性参数变化。同时，通过数值模拟实验也可对周边围岩渗透性、稳定性以及放射性物质扩散等科学问题进行不同周期的预测。

中国古代很多科技成果的出现与推动是源于对现象的观察和总结，这也是自然变量条件下的实验结果。比如韦应物的另外一首诗《滁州西涧》（独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树鸣。春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。）便描绘了流体力学中不可压缩流体的二维流动问题。流体在运动过程中，会对其中的物体产生合力和合力矩作用，直观表现是：顺水方向为非稳定平衡位置，受扰动后会改变空间位置；而横于水流则是稳定平衡位置。这一数学推导过程比较复杂，直到20世纪初才有理论计算结果[11]，而韦应物的“实验”观察比这要早1200多年。

七、总结与展望

习近平总书记多次强调：“我们说要坚定中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信，说到底是要坚定文化自信。”[12]在上下五千年的历史中，中华民族留下了无数不朽作品，铸就了灿烂的历史文化星河。“苟日新，日日新，又日新”，作为国家级一流本科专业建设点，中南大学地质工程专业有责任和义务在专业课教学中弘扬优秀传统文化，不断探索新的教学模式和方法。

通过挖掘中国古代诗词的科学元素，并将这些元素同“岩体力学”课程知识点相关联，极大激发了学生的学习热情。地质工程2018级学生对授课效果给予了高度评价；2017级部分学生在继续深造中主动选择了岩体力学作为主要研究方向。同行专家也对这种人文和理工相融合的教学模式给予肯定。在后续教学中将着重从以下几个方面持续改进。

（1）进一步深挖中国古代诗词中与岩体力学相关的科学元素及科学现象，关联更多课程知识点，并鼓励学生自我探索，努力发掘大自然鬼斧神工背后的力学依据和原理；

（2）结合虚拟仿真教研室的建设，组建由多学科教育教学背景的师资队伍，促进多学科，跨学科的高度融合与深化；

（3）探索线上线下混合课程建设，扩大课程的受众范围。