科研反哺教学的岩土与地下工程创新实验设计与实践

刘宗辉， 黄 震， 蒋剑青， 刘 莹

（广西大学土木建筑工程学院，土木建筑工程国家级实验教学示范中心，南宁 530004）

0 引言

创新能力是我校土木工程“世界一流建设学科”人才培养的核心目标之一。广西作为西部陆海新通道建设的主要战场，港口、公路、铁路、运河等关键基础设施建设正在快速推进。在新形势下，如何培养具有创新能力的行业领军人才和行业骨干人才需要深入探索［1］。

岩土与地下工程是土木工程学科的一个方向，实验作为专业课程学习中理论与实践相结合的一个重要环节，有利于培养学生动手能力、创新能力和独立分析解决实际问题的能力。实验室同时承担着教学和科研实验，是教学和科研有机融合的最佳场所。在现有实验教学体系的基础上，基于科研反哺教学的理念，探索岩土与地下工程创新实验，对实现教学与科研相统一、落实“双一流”培养目标具有重要意义［2-3］。

1 现状分析

目前，我校岩土与地下工程方向实验教学项目主要为土质学与土力学、岩石力学、土木工程试验与测试技术（岩土）3 门理论课的课内实验。其中土质学与土力学实验项目包括含水率、密度、颗粒分析、液塑限、固结以及直接剪切6 个实验项目，实验课时10 学时；岩石力学包括块体密度试验、单轴抗压强度试验、抗拉强度试验（巴西法）、三轴剪切强度试验4 个实验项目，实验课时6 学时；土木工程试验与测试技术（岩土）包括静力触探、十字板剪切、动力触探、扁铲侧胀、原位直剪、桩身完整性、桩基静载7 个实验项目，实验课时16 学时。学生通过这3 门课程的课内实验可以掌握岩土体的基本物理、力学性质指标测试和数据分析方法，增强对岩土与地下工程的基本理论知识理解。但现有实验教学项目均以验证性和演示性实验类型为主，综合性、设计性、创新性实验项目很少涉及。同时，由于教学模式为传统的教师讲解演示后学生动手操作，学生处于被动学习状态，缺乏独立思考，也就难以培养创新能力。

另一方面，随着我校土木工程“世界一流建设学科”不断推进，岩土地下工程科研平台得到快速提升，目前拥有教育部长江学者为学术带头人的科研团队，新投入科研设备近2000 万元，拥有多台世界领先的科研设备，可以说硬件设备完全可满足一流学科建设的需求。然而，前期调研发现，当前我校土木工程教学实验与科研实验完全分离，大量科研资源未能在本科教学过程中得到利用。因此，基于科研反哺教学的教学改革势在必行［4-6］。

2 创新实验设计

2.1 基本理念

如何从科研成果中提炼合适的实验教学内容至关重要，“新颖性、综合性、探索性、可行性”是创新实验设计的核心理念。实验项目内容应紧跟学科前沿发展动态和行业需求，能够将已有的科研成果在实验项目中体现；项目实施需要建立在已有的实验教学条件基础上，尽量选用通用设备，同时引入先进仪器，但并不是盲目追求高、精、尖；此外，创新实验一般需要综合多种常规实验方法，并且能够让学生自由探索，培养综合应用知识解决问题的能力［7-10］。

2.2 设计方案

以土质学与土力学和岩石力学两门课程的膨胀土改良试验、岩石声发射试验来介绍创新试验设计思路和方案。

（1）膨胀土改良试验。膨胀土是广西地区广泛存在的特殊性土，其遇水膨胀、失水收缩，膨胀土处治是边坡工程、路基工程以及建筑地基基础工程中经常遇到的难题［11］。在对某个工程现场的膨胀土进行处治之前首先需要对其膨胀性等级进行判别，然后有针对性地提出处治或改良措施。创新实验涉及膨胀土改良方法选择、改良前后的物理力学性能对比以及改良效果评价。我校对膨胀土研究始于上世纪70 年代，研究成果曾获得国家科技进步二等奖和多项广西科技进步奖，围绕膨胀土处治提出了很多改良措施。该实验项目设置不仅可以让学生继承已有科研成果形成探索创新思路，还能为今后工作中解决膨胀土问题打下基础。

实验内容分为3 个部分，第1 部分为膨胀土类型、膨胀性等级判别，主要包括根据取土场地资料（地貌、颜色、结构、土质等）、自由膨胀率、相对膨胀率、胀缩总率等指标判别膨胀土的成因类型和胀缩性等级；第2部分为膨胀土改良试验，包括选取改良掺入材料（石灰、水泥粉煤灰、电石渣、离子改性剂等），设置掺入配比、含水率、养护龄期，通过自由膨胀率、胀缩总率评价改良效果；第3 部分为改良后膨胀土的物理力学特性研究，包括渗透性、抗剪强度、无侧限抗压强度。具体实验项目设计如图1 所示，从图中可以看出，膨胀土改良试验基本涵盖了常规土工试验教学的所有项目。在试验过程中鼓励学生采用先进的实验设备，如：采用激光粒度仪测试细粒土粒径组成，使用非饱和土三轴仪和压力膜仪研究膨胀土渗透性和抗剪强度。

图1 膨胀土改良创新试验项目设计

（2）岩石声发射试验。随着西部交通网络快速推进，大量高速公路隧道、岩质边坡在广西地区建设。声发射（微震）监测技术是一种利用岩体破裂发射出的弹性波或应力波信号来监测和评价岩体稳定性的方法。近年来，该技术在隧道（洞）围岩岩爆和塌方以及边坡危岩垮塌等工程灾害的预警方面得到广泛应用。室内小尺度的岩样破坏时传感器所检测到的信号频率通常较大并且能量小，一般称之为声发射［12］，而现场大尺度的岩体破裂产生信号频率相对低、能量较大，则称之为微震。室内试验作为研究岩石破裂损伤的有效手段，得到了学者们的广泛研究，我校在这方面也取得了优异的研究成果。因此，以声发射试验研究成果为基础，结合岩石常规实验项目设计创新实验，将有利于学生深入理解岩石破坏损伤理论基础、掌握微震监测技术原理，从而培养创新思维和理论联系实际的能力［13-15］。

根据不同的工程背景和岩石声发射试验所研究的内容，从岩石类型、加载方式以及环境条件等方面设计创新实验项目。具体实验项目名称和试验目的如表1所示，学生可以根据兴趣爱好和知识背景选择相应的实验项目开展试验。

表1 岩石声发射试验项目

3 实施方式和实践案例

3.1 实施方式

由于创新性实验涉及多个常规实验项目，实验设计往往以问题为导向，实验过程具有较强的探索性，仅靠课内学时是很难完成的，学生和老师需要投入更多的时间，有效实施方式和管理机制十分关键。经过近几年探索，我校初步形成了以项目为驱动的“导师制”课外个性培养创新训练教学模式［16］。项目来源主要为大学生创新训练计划项目、开放实验室基金、本科生导师科研课题等。学生也可以自主选择研究方向，根据研究内容在本科实验教学中心或科研实验室完成相关研究。学生的毕业设计（论文）选题可以直接来源于大创项目或导师的科研项目，学生创新成果的评价与毕业或评优直接相关。因此，本科生导师制的实施是激发学生自主学习意识的有效措施。

开放的实验室管理制度以及全方位的考核评价体系是创新实验能够顺利实施的基本保障。近年来我院实验中心信息化管理平台的运行为实验室开放共享提供了支持，学生可在管理平台上预约实验室和实验设备、学习实验仪器设备的基本使用方法。此外，随着土木工程世界一流学科建设不断推进，我院实验中心硬件设施和实验教师团队的综合水平也得到了大幅提升，部分实验教师也独立指导了多项大学生创新项目，教学水平和工作能力均得到了良好的锻炼与显著提升。

3.2 实践案例

图2 ～4 所示是大学生进行“牡蛎粉改良膨胀土的裂隙与胀缩特性研究”创新项目的部分实践成果。

图2 牡蛎壳粉掺量与膨胀土自由膨胀率、膨胀力的关系

牡蛎在广西沿海地区十分常见，该项目以牡蛎壳粉为添加材料对某工程现场膨胀土进行改良。试验项目包括自由膨胀率、膨胀力、无荷膨胀率、干湿循环以及直剪试验等。重塑试样的制备过程如下：将取回的膨胀土切成小块置于自然环境中风干，用碎土机将其打碎并过2 mm 筛；将不同牡蛎壳粉掺量（0%、3%、6%、9%、12%）的膨胀土混合均匀，边喷水边搅拌配置成含水率为18.3%的湿土；闷料24 h后采用静压法制样，用液压千斤顶将土样一次性压成干密度为1.5 g／cm3的环刀试样，环刀直径为61.8 mm，高为20 mm。试验共制备环刀样215 个，土样误差均控制在0.02 g／cm3之内。

图2 所示为牡蛎壳粉掺量与膨胀土自由膨胀率、膨胀力的关系。图3 所示为不同牡蛎壳粉掺量膨胀土的无荷膨胀率随时间（5、10、20、30、60、120、180、360、720、1440 min）变化的规律曲线。图4 所示为牡蛎壳粉掺量对膨胀土黏聚力的影响规律。从试验结果可以看出，掺入牡蛎壳粉能较好地改良膨胀土膨胀特性，且掺量越大膨胀土的膨胀特性改良效果越好，但综合考虑黏聚力试验结果后，认为6% ～9%的掺量为最佳配比。

图3 牡蛎壳粉掺量与膨胀土无荷膨胀率关系

图4 牡蛎壳粉掺量与膨胀土黏聚力关系

4 结语

随着土建行业的快速发展，社会对土木工程专业创新人才的需求不断提升。如何通过科研来为教学提供反哺，形成教研相长机制是当前本科教学改革的趋势。实验室同时承担着教学和科研任务，是两者融合的一个切入点。我校土木工程专业的岩土与地下工程方向开展了科研反哺教学的创新实验设计与实践，卓有成效地实施了膨胀土改良试验、岩石声发射试验两个创新实验。尽管近两年我院“导师制”的深入实施后，科研反哺教学成效得到大幅提升，但创新实验同样也花费学生和老师大量的时间和精力，如何协调统一学习、实践、科研相互之间的关系，建立合理的运行保障机制仍需不断探索。

·名人名言·

伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。

——易卜生