微观实验用于岩石力学课程教学的探索

王章琼， 王亚军

(武汉工程大学 资源与土木工程学院， 湖北 武汉 430073)

1 片岩力学特性及微观结构特征科研成果用于本科教学

在岩石表面或内部开展工程建设时，岩石的物理、力学特性影响和制约工程建筑物的稳定性、安全性和建设成本。岩石力学是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科[1]，是土木工程、交通运输工程、采矿工程、水利水电工程等多门学科的专业主干课程[2]。岩石是由矿物或类似矿物按照一定结构组成的固体集合体，矿物种类、组合情况、排列情况等都对其工程特性有一定影响。以往的实际工程中，出于简化计算的考虑，将岩石材料等效成各向同性的均质连续介质，往往也能够满足要求。但随着近年来工程建设规模的增大，以及实际地质环境条件的复杂化，一些工程中遇到的特殊岩石，其物质组构对物理、力学特性的影响已不可忽略[3-4]。因此，在教学过程中有必要加深学生对岩石微观结构的认识，帮助学生理解岩石微观结构特征与宏观物理力学性质之间的联系。

片岩是典型的变质岩，由于片理的存在，片岩属于层状岩石，其力学特性具有显著的各向异性特性(见图1)。与各向同性材料介质相比，各向异性介质的力学特性更为复杂，这对工程岩体稳定性及工程结构受力不利[5-6]。前期对片岩力学特性及微观结构特征开展了较系统的研究，取得了一些成果，结合岩石力学课程内容及教学目的，选取部分典型科研成果，用于岩石力学本科课程的教学。

图1 片岩试样及片理示意图

2 CT扫描实验

CT扫描技术最早应用于医学领域，近十几年来逐渐被应用到岩土工程领域[7-8]。CT扫描技术可以实现在无损条件下对岩土体内部结构进行动态、定量观测，相对于传统的有损检测技术具有显著的优势[9]。

将2个不同的圆柱形片岩试样分别置于CT扫描实验系统内，得到2个试样的CT扫描图像(见图2)。CT扫描时，每间隔0.5 mm扫描一个断面，该图像是分别取2个试样最大的扫描断面。由图2可以看出，尽管2个片岩试样中未见明显的宏观裂隙，但均存在2条规模较大的优势片理。片理为片岩中发育的软弱面，片理的存在使得片岩成为层状岩石，具有各向异性特性。

图2 CT扫描实验结果

传统教学方法只能以图片或实物形式向学生展示岩石表面的片理构造，有些情况下采用示意图的形式展示，效果不够生动。相比之下，CT扫描则可以直观展示岩石内部真实的结构构造。CT技术常用于医学领域，而将该技术应用于岩土工程领域，很好地解决了实际问题，可以发散学生的思维，激发学生思考。

CT扫描成像的基本原理是仪器工作时激发出X射线并穿透材料，材料对射线的吸收能力与其密度成正比。基于该原理，材料中的裂隙可以用CT数来间接定量表征[10]。图2中2个不同断面的灰度图仅能反映出试样中片理及组成物质的差异，无法获取微裂隙相关信息。而CT扫描技术则可以对岩石微观结构特征进行定量化表征，图2a、b对应的2个扫描断面CT数分别为2 356、2 371，由此可知前者的裂隙率略小于后者。

3 偏光显微镜实验

偏光显微镜是利用光的偏振特性对具有双折射性物质进行研究、鉴定的仪器，通过偏光显微镜实验可以观察到岩石内部矿物颗粒组成及其空间排列情况。

垂直片理方向切割片岩，制作成岩石薄片，在偏光显微镜下观察矿物颗粒组成及排列情况(见图3)，其中图3a、b，以及图3c、d分别为2个不同片岩切片的20倍、50倍镜头下的图片。可以看出，组成片岩的矿物主要有颗粒状的石英、长石、方解石，以及鳞片状云母，石英与长石、方解石共生。变质作用导致云母定向排列，形成片理构造。

在放大20倍的镜头下，图3a所示片岩的云母定向排列程度较高，呈条带状；放大50倍镜头下(见图3b)可见定向排列的云母中夹杂有少量颗粒状矿物。这表明该片岩片状结构明显，变质程度深。

在放大20倍的镜头下，图3c所示片岩的云母定向排列程度一般，呈网状；放大50倍镜头下(见图3d)可见定向排列的云母中填充有大量颗粒状矿物。这表明该片岩片状构造不明显，变质程度较浅。

图3展示了片状结构的物质组成及其展布特征，据此可以引导学生分析微观结构特征与物质组成、物质的空间排列及组合形式的关系。此外，通过上述2种不同片岩的切片对比可以发现，即使是同一种岩性(片岩)的岩石，其物质成分和微观结构特征也可能存在明显差异，片岩的变质程度越深，其云母定向排列程度越高。根据该差异，可以引导学生分析片岩微观结构特征对各向异性特性的影响。

4 扫描电镜实验

扫描电镜实验是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态[11]，其优点是，

(1) 有较高的放大倍数，20倍～20万倍之间连续可调；

图3 偏光显微镜实验结果

(2) 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；

(3) 试样制备简单。

将片岩岩块制作成试样，在扫描电镜下观察新鲜断口的表观形貌(见图4)。扫描电镜下的图片可以向学生展示肉眼无法清晰观察到的表面形貌，片理结构十分清晰。在放大500倍镜头下(见图4a)，可以清晰地观察到岩石片状结构；在放大1 000倍镜头下(见图4b)，可以观察到片状结构、岩石断口，以及散布在断口上的岩石碎屑。

图4 扫描电镜实验结果

5 结语

将CT扫描、偏光显微镜、扫描电镜等实验成果用于岩石力学课程教学，可以真实、直观、生动地从不同角度、以不同放大倍数向学生展示岩石物质组成及结构特征，学生表现出浓厚的学习兴趣，收到了良好的教学效果。此外，可以拓宽学生的视野、丰富学生的知识。传统的教学中，将岩石简化成各向同性的均质材料，而上述微观实验则“颠覆”了学生对常规知识的认识，让学生了解到岩石的本质特征，为学生今后从事相关研究奠定基础。在实际教学活动中，如果能安排学生参加上述实验，将会收到更好的效果。但由于实验条件的限制，目前绝大多数高校在本科岩石力学课程教学中均未设置CT扫描、偏光显微镜、扫描电镜等实验环节。在教学过程中采用图片形式展示上述实验仪器及实验结果图片，可以作为岩石力学常规教学内容和方法之外的有益补充。

References)

[1] 路凤香，桑隆康.岩石学[M].北京:地质出版社，2002.

[2] 蔚立元，张强，杨圣奇.面向“卓越计划”的岩石力学课程教学改革探讨[J].高等建筑教育，2016，25(5):75-78.

[3] 张国凯，李海波，夏祥.岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响[J].岩石力学与工程学报，2016，35(7):1341-1352.

[4] 闫长斌，闫思泉，刘振红.南水北调西线工程岩石中石英含量变化及其对TBM施工的影响[J].工程地质学报，2013，21(4):657-663.

[5] 王章琼，晏鄂川.物质组构特征对片岩冻融损伤劣化的影响[J].岩土工程学报，2015，37(S2):86-90.

[6] 王章琼，晏鄂川，刘毅学，等.武当群片岩变形参数各向异性特征及机理研究[J].岩土力学，2014，35(5):1317-1322.

[7] 葛修润，任建喜，蒲毅彬，等.岩土损伤力学宏细观试验研究[M].北京:科学出版社，2004.

[8] 李晓宁，向铭铭，朱宝龙. CT技术在岩土工程研究中的应用[J].实验技术与管理，2016，33(11):80-83.

[9] 程展林，左永振，丁红顺.CT技术在岩土试验中的应用研究[J].长江科学院院报，2011，28(3):33-38.

[10] 朱红光，谢和平，易成，等.岩石材料微裂隙演化的CT识别[J].岩石力学与工程学报，2011，30(6):1230-1238.

[11] 耿红霞，李航飞，蒋小林.SEM在材料力学拉伸实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2017，34(2):47-49.