王章瓊， 王亞軍

(武漢工程大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073)

1 片巖力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)特征科研成果用于本科教學(xué)

在巖石表面或內(nèi)部開展工程建設(shè)時，巖石的物理、力學(xué)特性影響和制約工程建筑物的穩(wěn)定性、安全性和建設(shè)成本。巖石力學(xué)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(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性及加固的學(xué)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(xué)科的專業(yè)主干課程[2]。巖石是由礦物或類似礦物按照一定結(jié)構(gòu)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(zhì)連續(xù)介質(zhì)，往往也能夠滿足要求。但隨著近年來工程建設(shè)規(guī)模的增大，以及實際地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜化，一些工程中遇到的特殊巖石，其物質(zhì)組構(gòu)對物理、力學(xué)特性的影響已不可忽略[3-4]。因此，在教學(xué)過程中有必要加深學(xué)生對巖石微觀結(jié)構(gòu)的認識，幫助學(xué)生理解巖石微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。

片巖是典型的變質(zhì)巖，由于片理的存在，片巖屬于層狀巖石，其力學(xué)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(zhì)相比，各向異性介質(zhì)的力學(xué)特性更為復(fù)雜，這對工程巖體穩(wěn)定性及工程結(jié)構(gòu)受力不利[5-6]。前期對片巖力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)特征開展了較系統(tǒng)的研究，取得了一些成果，結(jié)合巖石力學(xué)課程內(nèi)容及教學(xué)目的，選取部分典型科研成果，用于巖石力學(xué)本科課程的教學(xué)。

圖1 片巖試樣及片理示意圖

2 CT掃描實驗

CT掃描技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，近十幾年來逐漸被應(yīng)用到巖土工程領(lǐng)域[7-8]。CT掃描技術(shù)可以實現(xiàn)在無損條件下對巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行動態(tài)、定量觀測，相對于傳統(tǒng)的有損檢測技術(shù)具有顯著的優(yōu)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(tǒng)內(nèi)，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(guī)模較大的優(yōu)勢片理。片理為片巖中發(fā)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(jié)果

傳統(tǒng)教學(xué)方法只能以圖片或?qū)嵨镄问较驅(qū)W生展示巖石表面的片理構(gòu)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(nèi)部真實的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。CT技術(shù)常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而將該技術(shù)應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，很好地解決了實際問題，可以發(fā)散學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生思考。

CT掃描成像的基本原理是儀器工作時激發(fā)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(shù)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(zhì)的差異，無法獲取微裂隙相關(guān)信息。而CT掃描技術(shù)則可以對巖石微觀結(jié)構(gòu)特征進行定量化表征，圖2a、b對應(yīng)的2個掃描斷面CT數(shù)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(zhì)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(nèi)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?？梢钥闯?，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(zhì)作用導(dǎo)致云母定向排列，形成片理構(gòu)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(jié)構(gòu)明顯，變質(zhì)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(wǎng)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(gòu)造不明顯，變質(zhì)程度較淺。

圖3展示了片狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)組成及其展布特征，據(jù)此可以引導(dǎo)學(xué)生分析微觀結(jié)構(gòu)特征與物質(zhì)組成、物質(zhì)的空間排列及組合形式的關(guān)系。此外，通過上述2種不同片巖的切片對比可以發(fā)現(xiàn)，即使是同一種巖性(片巖)的巖石，其物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)特征也可能存在明顯差異，片巖的變質(zhì)程度越深，其云母定向排列程度越高。根據(jù)該差異，可以引導(dǎo)學(xué)生分析片巖微觀結(jié)構(gòu)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(tài)[11]，其優(yōu)點是，

(1) 有較高的放大倍數(shù)，20倍～20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；

圖3 偏光顯微鏡實驗結(jié)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(jié)構(gòu)；

(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?qū)W生展示肉眼無法清晰觀察到的表面形貌，片理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；在放大1 000倍鏡頭下(見圖4b)，可以觀察到片狀結(jié)構(gòu)、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(jié)果

5 結(jié)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(xué)課程教學(xué)，可以真實、直觀、生動地從不同角度、以不同放大倍數(shù)向?qū)W生展示巖石物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣，收到了良好的教學(xué)效果。此外，可以拓寬學(xué)生的視野、豐富學(xué)生的知識。傳統(tǒng)的教學(xué)中，將巖石簡化成各向同性的均質(zhì)材料，而上述微觀實驗則“顛覆”了學(xué)生對常規(guī)知識的認識，讓學(xué)生了解到巖石的本質(zhì)特征，為學(xué)生今后從事相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。在實際教學(xué)活動中，如果能安排學(xué)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(shù)高校在本科巖石力學(xué)課程教學(xué)中均未設(shè)置CT掃描、偏光顯微鏡、掃描電鏡等實驗環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中采用圖片形式展示上述實驗儀器及實驗結(jié)果圖片，可以作為巖石力學(xué)常規(guī)教學(xué)內(nèi)容和方法之外的有益補充。

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