微觀實驗用于巖石力學課程教學的探索

王章瓊， 王亞軍

(武漢工程大學 資源與土木工程學院， 湖北 武漢 430073)

1 片巖力學特性及微觀結構特征科研成果用于本科教學

在巖石表面或內部開展工程建設時，巖石的物理、力學特性影響和制約工程建筑物的穩定性、安全性和建設成本。巖石力學是一門研究巖石在外界因素(如荷載、水流、溫度變化等)作用下的應力、應變、破壞、穩定性及加固的學科[1]，是土木工程、交通運輸工程、采礦工程、水利水電工程等多門學科的專業主干課程[2]。巖石是由礦物或類似礦物按照一定結構組成的固體集合體，礦物種類、組合情況、排列情況等都對其工程特性有一定影響。以往的實際工程中，出于簡化計算的考慮，將巖石材料等效成各向同性的均質連續介質，往往也能夠滿足要求。但隨著近年來工程建設規模的增大，以及實際地質環境條件的復雜化，一些工程中遇到的特殊巖石，其物質組構對物理、力學特性的影響已不可忽略[3-4]。因此，在教學過程中有必要加深學生對巖石微觀結構的認識，幫助學生理解巖石微觀結構特征與宏觀物理力學性質之間的聯系。

片巖是典型的變質巖，由于片理的存在，片巖屬于層狀巖石，其力學特性具有顯著的各向異性特性(見圖1)。與各向同性材料介質相比，各向異性介質的力學特性更為復雜，這對工程巖體穩定性及工程結構受力不利[5-6]。前期對片巖力學特性及微觀結構特征開展了較系統的研究，取得了一些成果，結合巖石力學課程內容及教學目的，選取部分典型科研成果，用于巖石力學本科課程的教學。

圖1 片巖試樣及片理示意圖

2 CT掃描實驗

CT掃描技術最早應用于醫學領域，近十幾年來逐漸被應用到巖土工程領域[7-8]。CT掃描技術可以實現在無損條件下對巖土體內部結構進行動態、定量觀測，相對于傳統的有損檢測技術具有顯著的優勢[9]。

將2個不同的圓柱形片巖試樣分別置于CT掃描實驗系統內，得到2個試樣的CT掃描圖像(見圖2)。CT掃描時，每間隔0.5 mm掃描一個斷面，該圖像是分別取2個試樣最大的掃描斷面。由圖2可以看出，盡管2個片巖試樣中未見明顯的宏觀裂隙，但均存在2條規模較大的優勢片理。片理為片巖中發育的軟弱面，片理的存在使得片巖成為層狀巖石，具有各向異性特性。

圖2 CT掃描實驗結果

傳統教學方法只能以圖片或實物形式向學生展示巖石表面的片理構造，有些情況下采用示意圖的形式展示，效果不夠生動。相比之下，CT掃描則可以直觀展示巖石內部真實的結構構造。CT技術常用于醫學領域，而將該技術應用于巖土工程領域，很好地解決了實際問題，可以發散學生的思維，激發學生思考。

CT掃描成像的基本原理是儀器工作時激發出X射線并穿透材料，材料對射線的吸收能力與其密度成正比。基于該原理，材料中的裂隙可以用CT數來間接定量表征[10]。圖2中2個不同斷面的灰度圖僅能反映出試樣中片理及組成物質的差異，無法獲取微裂隙相關信息。而CT掃描技術則可以對巖石微觀結構特征進行定量化表征，圖2a、b對應的2個掃描斷面CT數分別為2 356、2 371，由此可知前者的裂隙率略小于后者。

3 偏光顯微鏡實驗

偏光顯微鏡是利用光的偏振特性對具有雙折射性物質進行研究、鑒定的儀器，通過偏光顯微鏡實驗可以觀察到巖石內部礦物顆粒組成及其空間排列情況。

垂直片理方向切割片巖，制作成巖石薄片，在偏光顯微鏡下觀察礦物顆粒組成及排列情況(見圖3)，其中圖3a、b，以及圖3c、d分別為2個不同片巖切片的20倍、50倍鏡頭下的圖片。可以看出，組成片巖的礦物主要有顆粒狀的石英、長石、方解石，以及鱗片狀云母，石英與長石、方解石共生。變質作用導致云母定向排列，形成片理構造。

在放大20倍的鏡頭下，圖3a所示片巖的云母定向排列程度較高，呈條帶狀；放大50倍鏡頭下(見圖3b)可見定向排列的云母中夾雜有少量顆粒狀礦物。這表明該片巖片狀結構明顯，變質程度深。

在放大20倍的鏡頭下，圖3c所示片巖的云母定向排列程度一般，呈網狀；放大50倍鏡頭下(見圖3d)可見定向排列的云母中填充有大量顆粒狀礦物。這表明該片巖片狀構造不明顯，變質程度較淺。

圖3展示了片狀結構的物質組成及其展布特征，據此可以引導學生分析微觀結構特征與物質組成、物質的空間排列及組合形式的關系。此外，通過上述2種不同片巖的切片對比可以發現，即使是同一種巖性(片巖)的巖石，其物質成分和微觀結構特征也可能存在明顯差異，片巖的變質程度越深，其云母定向排列程度越高。根據該差異，可以引導學生分析片巖微觀結構特征對各向異性特性的影響。

4 掃描電鏡實驗

掃描電鏡實驗是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態[11]，其優點是，

(1) 有較高的放大倍數，20倍～20萬倍之間連續可調；

圖3 偏光顯微鏡實驗結果

(2) 有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構；

(3) 試樣制備簡單。

將片巖巖塊制作成試樣，在掃描電鏡下觀察新鮮斷口的表觀形貌(見圖4)。掃描電鏡下的圖片可以向學生展示肉眼無法清晰觀察到的表面形貌，片理結構十分清晰。在放大500倍鏡頭下(見圖4a)，可以清晰地觀察到巖石片狀結構；在放大1 000倍鏡頭下(見圖4b)，可以觀察到片狀結構、巖石斷口，以及散布在斷口上的巖石碎屑。

圖4 掃描電鏡實驗結果

5 結語

將CT掃描、偏光顯微鏡、掃描電鏡等實驗成果用于巖石力學課程教學，可以真實、直觀、生動地從不同角度、以不同放大倍數向學生展示巖石物質組成及結構特征，學生表現出濃厚的學習興趣，收到了良好的教學效果。此外，可以拓寬學生的視野、豐富學生的知識。傳統的教學中，將巖石簡化成各向同性的均質材料，而上述微觀實驗則“顛覆”了學生對常規知識的認識，讓學生了解到巖石的本質特征，為學生今后從事相關研究奠定基礎。在實際教學活動中，如果能安排學生參加上述實驗，將會收到更好的效果。但由于實驗條件的限制，目前絕大多數高校在本科巖石力學課程教學中均未設置CT掃描、偏光顯微鏡、掃描電鏡等實驗環節。在教學過程中采用圖片形式展示上述實驗儀器及實驗結果圖片，可以作為巖石力學常規教學內容和方法之外的有益補充。

References)

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