创新实验对力学教学的作用

蠕变模型在岩石力学中占有重要地位，岩石力学教材中介绍了一些岩石流变模型，对其本构方程、蠕变方程、卸载方程进行了推导，面对大量的公式推导和数据模型，学生对于岩石的蠕变特性只有一个抽象的概念。同时，岩石的结构面也是岩石力学重要的内容之一，结构面对岩体的力学性质有着重要的影响。因此，在这两方面展开相关的实验研究具有一定的必要性。下文介绍湖南省大学生研究性和创新性实验资助项目“类岩石节理面剪切变形特征和破坏机制实验研究”(KDSC1101)及“多级加载条件下岩石流变特性研究”(KDSC1001)的实验过程及取得的一些成果。

1类岩石节理面剪切变形特征和破坏机制实验研究(KDSC1101)

本实验研究规则齿形节理面在不同法向应力下的剪切作用，对剪切变形曲线以及不同起伏度节理面的剪切变形进行相关研究，研究节理面的剪切变形、破坏特性、破坏模式。在此基础之上提出抗剪强度与节理起伏角、剪切速率和法向应力之间的函数关系。在笔者的帮助及带领下，学生制作了C425号快硬水泥作为凝结剂，水灰比为1∶2．5，制作出200mm×150mm×30mm的试样，并将厚度为1mm的钢片插入设定预制裂纹处，待试样养护12h后，取出钢片，试件脱模后将试样于自来水中养护28d得到预制岩石试样，并将试样表面打磨平整。为研究剪切作用下类岩石断续裂纹的岩桥破裂机理，在剪切面上布置多条断裂裂纹以研究不同岩桥长度下断续裂纹岩桥的破断规律，实验采用的断续裂纹长度为40mm，倾角分别为15°、30°、45°、60°，裂纹条数分别取为3、4、5条，每一种试件各加工5个。加工试件的同时，对RYL－600剪切流变仪进行相应的改造，方便岩石试样的加载。采用RYL－600剪切流变仪对岩石试样进行加载，岩石试样上下端加法向压力，岩石试样左下端部固定，右上端部加载剪切应力，如图1所示。在实验过程中，对最终破坏的岩石试样进行拍照(如图2)，通过电脑、传感器和控制器对试样加载过程中的直剪力－剪位移曲线予以记录(如图3)，便于实验结果分析。学生自学FLAC3D软件，针对断续裂纹岩桥破坏规律进行数值模拟研究，采用剪切软化Mohr－Coulomb模型模拟类岩石材料，采用interface单元的Colomb剪切模型模拟断续节理的滑移屈服和剪张效应。通过该大学生创新项目，学生对类岩石节理面剪切变形有更为直观的了解，并且在此过程中，培养了学生的创新能力、自学能力、动手能力及对于软件的自学能力，同时也提高了学生的科技写作能力(在期刊上发表文章1篇［8］)。

2多级加载条件下岩石流变特性研究(KDSC1001)

岩石的流变理论是岩石力学教学中的重点和难点，教材花费了大量的篇幅着重介绍了圣维南体、马克斯威尔体、开尔文体、广义开尔文体等等，并对各个模型的本构方程、蠕变方程、卸载方程予以了相应的公式推导。考虑到流变实验的时间和费用，所以岩石力学实验课程教学中没有设置相应的流变实验课程，造成学生对于流变模型的认识和了解停留在理论层面上。针对学生在学习流变知识方面存在的一些问题，笔者带领学生进行相应的流变实验，通过物理实验提高学生对流变模型中模型的辨识能力和对数据的分析能力。岩石取自于牛马司水头矿，把该岩样加工成高度为100mm、直径为50mm的标准圆柱形试件，打磨试件表面使其光滑平整，避免加载过程中出现应力集中。其加载分为4个阶段，分别为21MPa、26MPa、31MPa和36MPa，每一阶段的加载时间预设为5h。如果时间超过5h，且应变变化率＜0.001mm/h，那么则进入下一阶段载荷的加载;如果应变变化率＞0．001mm/h则加载继续，直至应变变化率＜0．001mm/h。其加载仪器为岩石剪切流变仪RYL－600。

3结语

岩石力学实验主要以验证性实验为主，对于激发学生的创新能力和独立思考能力有限，因此，加大对岩石力学实验的资金投入，进行创新性实验可以有效地推动现有的岩石力学实验课程教学的发展。同时，要改变传统的实验思路，在整个实验过程中，老师只需扮演指导的角色并给出建设性意见，至于实验的方法大可根据学生自有的想法实施，实验结果由学生自行总结。对于已有的数据和实验现象学生可以根据自己所学知识进行处理，形成以学生为主的实验方式。以学生为主，体现在实验过程中实验想法的构思、岩石试样的制备、实验方法的制定、实验数据结果分析等均以学生为主体，重在培养学生创新能力，将本专业理论知识学习、实验及创新能力的培养结合起来。同时，应加大大学生创新性实验平台，学习知识不应该停留在理论阶段。

作者：赵延林 王敏 单位：湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室