數值模擬結果演示推進巖石力學課堂教學

張曉君 鄭懷昌

山東理工大學資源與環境工程學院 山東淄博 255049

數值模擬結果演示推進巖石力學課堂教學

張曉君 鄭懷昌

山東理工大學資源與環境工程學院 山東淄博 255049

巖石力學課程的理論性比較強，單靠書面的講解，學生難以深刻領會，需要豐富授課資料。通過對課程中的相關問題進行數值模擬并將結果演示于教學中，有助于課程教學效果的提升，使學生了解到更多巖石力學領域的知識和信息，進一步加深了對巖石力學概念和相關知識點的認識和理解；通過數值模擬結果演示資料的補充，極大改善了課程內容難懂、難以深入和授課資料不豐富、不直觀、不全面等問題，極大地激發了學生學習和投身科研的興趣，使學生理論水平和創新思維大幅提高，并開闊學生的視野；數值模擬也是巖石力學實驗教學的有益補充，為實驗教學打下良好的基礎。

數值模擬；演示；巖體力學；課堂教學；圍巖

巖石力學是采礦工程、水利水電工程、鐵道工程、公路工程、巖土工程、地下工程等眾多學科的專業基礎課，是促進這些學科和相應工程不斷發展的原動力[1]。因此巖石力學課程的重要性不言而喻。由于巖石力學課程的理論性比較強，單靠書面的講解，學生難以深刻領會，要更好地加深學生對理論和現象的理解以及拓展學生的視野和增強其創新力，需要豐富的授課資料(樣本、圖片、視頻影像等)。

資料的獲取可以由實驗室實驗的相關成果獲得，但物理模擬實驗費用高、周期長，巖石或圍巖內部的監測也相對復雜，要根據實驗室的條件進行，很多情況目前還難以實施，因此資料相對有限。資料也可以通過現場獲取，這樣就使學生有了比較直觀的認識，但學生對理論和現象的理解畢竟有限，隨著數值方法以及計算機技術的發展，數值模擬技術完全可以進行巖石試樣、圍巖等變形及破裂過程的數值試驗并將其應用于課堂教學中。通過數值模擬不僅克服了實驗室實驗和現場資料獲取的缺點，而且還能得到許多在實驗室和現場難以觀測到的與授課理論講解、分析有關的重要資料。

通過演示數值模擬結果的方式展開教學，激發了學生的學習興趣，加深了對巖石力學理論的正確理解，拓寬其思維空間，使學生的理論水平和創新思路得到明顯提高。

黃明奎[2]基于巖石力學理論教學與實驗教學的基本情況，分析研究了實驗教學現狀及存在的問題，提出了實驗教學體系改革的初步方案及思路。張義平等[3]針對巖體力學課程的教學，重點對基于巖石破壞過程分析數值模擬系統RFPA教學版的數值實驗教學相關內容進行介紹。課堂教學數值模擬實驗多媒體課件的制作是最關鍵的問題[4]，我們通過課堂教學中引入數值模擬并實現巖石力學領域重點、難點知識的全過程模擬演示，達到了激發學生的興趣和創新思維的目的，加深了學生對巖體力學相關知識的正確理解和解釋，使學生的水平大幅度提高。

1 數值模擬及演示資料制作

應用于巖土工程領域的數值模擬軟件有很多，如FLAC3D，ANSYS，UDEC，RFPA等，可根據適用范圍和學校自身條件來選擇。RFPA由東北大學巖石破裂與失穩研究中心開發，能模擬巖石在受載過程中其內部微細破裂產生到不斷發展并導致最終宏觀破裂的過程，是一種運用連續介質力學方法解決非連續介質力學問題的新型數值分析方法，具有應力分析和破壞分析兩大功能[5]，該軟件可模擬巖石試件加載、巷(隧)道破壞、頂板冒落、地表沉陷、巖層移動、開挖與支護和巖石的聲發射等。綜上所述，就巖石力學課程而言，用RFPA軟件進行數值模擬并將其結果演示與分析運用于課堂教學是非常適宜的。

數值模擬及演示資料制作過程：

(1)根據授課內容并結合軟件適用范圍，分項進行數值模擬(包括建立數值模型、確定邊界條件和控制條件、計算及結果分析等)。

(2)根據分項進行數值模擬的結果，編制相應的破裂演化過程圖集(應力圖、聲發射圖等，或者該部分直接通過軟件本身所具備的幻燈演示功能進行)、應力應變關系圖、單元應力變化規律曲線等，制作演示多媒體課件。

(3)應用于課堂教學講授與分析。

2 應用實例

2.1 單軸壓縮試樣破壞過程演示

巖石的力學性質部分在巖石力學課程中占有重要的地位。圖1為數值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程的部分剪應力圖。從圖形中可以清晰地看出巖石破裂演化的全過程，通過對巖石試樣單軸壓縮破裂演化過程的演示，使學生對巖石破壞形態的認知、理解由懵懂到豁然，同時也增強了學生對巖石破壞演化機理探索的興趣，極大地提高了學生的學習積極性和教學效果。圖2為相應的數值模擬巖石試樣的單軸壓縮應力隨加載步的變化關系，通過相應的曲線加深學生對破裂演化過程與應力應變之間關系的認識和理解，也使學生在很多問題的認知上變得容易，一定程度上升華了學生對巖石力學理論的認識，提高了授課效果。

圖1 數值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程

圖2 數值模擬巖石試樣單軸壓縮應力隨加載步的變化關系

2.2 圓形隧(巷)道圍巖 破裂演化過程及應力場變化演示

圖3為數值模擬圓形隧(巷)道開挖后的圍巖破裂演化過程部分聲發射和剪應力圖，聲發射表明單元破裂，從圖形中可以清晰地看出開挖后的圍巖聲發射情況及其發生發展的全過程，根據剪應力圖可以得出應力集中的變化規律和破裂演化的情況，通過軟件可以選取某單元進行單獨分析，根據單元的應力和位移可做出整個過程的變化曲線，通過對整個演化過程的演示，使學生對圍巖破壞及應力場的變化有了新的認知和理解，并能使學生了解到更多的與圍巖破裂有關的信息。

圖3 數值模擬圓形隧(巷)道圍巖破裂演化過程

數值模擬技術已趨于成熟并在工程和科研中廣為應用，通過對巖石力學課程中的相關問題進行數值模擬并將結果演示于課堂教學中，有助于課程教學效果的提升，能夠使學生了解到更多巖石力學領域的知識和信息，進一步加深其對巖石力學概念和相關知識點的認識和理解；通過數值模擬結果演示資料的補充，極大改善了授課內容的難懂、難以深入和授課資料的不豐富、不直觀、不全面等問題，極大地激發了學生學習和投身科研的興趣，使學生理論水平和創新思維大幅度提高，使學生知識結構的高度和寬度不斷延伸，開闊了學生的視野，提升了其解決和處理問題的把握能力；數值模擬也是巖石力學實驗教學的有益補充，將為實驗教學打下良好的基礎。

[1] 蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

[2] 黃明奎.巖石力學課程數值實驗教學探索[J].高等建筑教育,2009,18(4):129-132.

[3] 張義平,劉勇,曹云欽.應用數值試驗促進巖體力學教學[J].貴州大學學報:自然科學版,2007,24(4):436-439.

[4] 楊勇,郭子雄.數值模擬試驗在土木工程專業課程教學中的應用[J].高等建筑教育,2005,14(3):65-67.

[5] 唐春安,王述紅,傅宇方.巖石破裂過程數值試驗[M].北京:科學出版社,2003.

Promoting rock mechanics classroom teaching through numerical simulation result demonstration

Zhang Xiaojun, Zheng Huaichang
Shandong university of technology, Zibo, 255049, China

Rock mechanics curriculum is so theoretical that students are diff cult to understand by a written explanation alone. Therefore, teacher need the abundant teaching materials. The problems related to the course are studied by the numerical simulation. The numerical simulation results are applied to classroom teaching which can promote curriculum teaching effect and make students learn more knowledges and informations of rock mechanics field, deepen the concept of rock mechanics and understanding of related knowledges; through the material of numerical simulation results, the teaching content’s incomprehension about students and the issues of lack of the teaching material are greatly improved, and which will greatly inspire students' interest in scientif c research, and enhance students theoretical level and innovative thinking, and broaden students' view; numerical simulation of rock mechanics curriculum is a benef cial supplement and a good foundation to the experimental teaching.

numerical simulation; demonstration; rockmass mechanics; classroom teaching; surrounding rock

2011-12-24

張曉君，博士，副教授。

山東理工大學教學研究項目；山東理工大學博士基金項目(編號：4041410012)。