談ANSYS 在開放教育工程地質課程教學中的應用

王正一

(河南廣播電視大學，河南鄭州 450003)

1 工程地質課程教學現狀

《工程地質》是中央廣播電視大學“開放教育試點”工學科土建類土木工程專業建筑管理課群組的一門統設必修課。本課程3學分，課內學時54，開設一學期。本課程是一門與工程實踐密切相關的專業課。學生通常在學習完建筑材料和建筑力學等課程后學習這門課，工程地質主要內容包括巖石、地下水等基本概念和基本理論，常見地質災害如滑坡、泥石流、地下隧道巖爆等復雜工程地質問題。使學生為后續課程如橋梁工程、地下工程等的學習打下基礎，也為學生在工作中如工民建、道橋、隧道等實際工程施工中提供理論參考，培養學生的創新意識。

開放教育的學生主要通過觀看網上視頻課件、閱讀文字資源、BBS論壇提問等方式進行自主學習，學生上面授課的機會很少。對于工程地質等實踐性較強的課程本身就很難理解，特別是在地下工程中，如塌頂、巖爆等復雜工程地質現象在講解時，利用傳統的純理論講解方法很難給學生講清楚。不但會影響本課程的教學效果，而且學生在學習過程中也難以理解和掌握。因此有必要進行改革，使這門課程的教學與工程實際相結合，使開放教育教學與計算機模擬技術深度融合。在工程地質教學過程中利用傳統教學媒體的同時與ANSYS(有限元分析軟件)數值仿真技術緊密結合，充分發揮現代信息技術遠程教學的優勢，使學生在學習理論知識的同時和工程實踐相聯系，有助于學生學好這門課，達到預期的教學效果。本文以巖爆的形成過程為例進行理論分析和數值模擬教學［1］。

2 巖爆的形成過程理論分析

“巖爆”就是洞室在開挖中，圍巖偶爾會以爆炸的形式為表象，彈出透鏡體碎片和巖塊等，同時發出類似射擊的僻啪響聲。一般情況下，輕微的巖爆只有剝落巖片并沒有彈射，但是嚴重的巖爆可測到較高的震級，同時伴有巨大的聲響。巖爆具體發生的時間并不確定，有時會瞬間發生，有時也會持續幾天乃至好幾個月。

巖爆多發生在深度大于200 m，250 m的洞室中;有時深度不大，甚至在采石場或露天開挖中也可發生巖爆。巖爆本質上是在一定地質條件下，圍巖彈性應變能的高度而迅速集中、而又突然劇烈釋放有關的過程。

通常在開挖洞室過程中，堅硬且沒有明顯微裂紋或微裂紋沒有貫通的彈脆性巖體，圍巖的變形并不明顯，而且完成此變形的時間也較短;當應力解除時，巖體的體積會迅速增大;圍巖表面上的裂縫和空洞會突然縮小。因此巖爆對地下工程常造成的危害是非常大的，輕者會造成支護破壞巷道倒塌，嚴重情況下，會造成較大的人員傷亡和財產損失。

引起工程巖體破壞的影響因素有很多，如巖體本身的特性、工程加荷與卸荷、天然應力狀態、圍限壓力及溫度效應、地下水作用和時間等因素的綜合作用造成了巖體的最終破壞;巖體一般有剪切破壞和拉斷破壞兩種形式。在高地應力作用下，埋深較大的巖石隧道，巖爆主要受自重應力控制，因此發生的巖爆較強烈，有研究表明巖爆的形狀常為“V”形三角坑，且呈小階梯狀［2］，與洞口邊界成一定的夾角，如圖1所示。

圖1 巖爆“V”形三角坑示意圖

3 巖爆破壞過程數值模擬

巖爆破壞過程數值模擬模型采用巖石彈脆性細觀斑圖損傷模型，數據參照實際工程選取。參數如表1所示，模型如圖2所示。

表1 巖爆數值模擬選取參數

圖2 巖爆數值模擬模型

通過ANSYS參數化程序，模擬了“V”形巖爆的孕育過程，直觀的展現出了巖爆的破壞過程，黑色斑點表示破壞單元，如圖3所示。

由以上數值模擬結果可以形象直觀的看出:小自重應力作用下，破壞不明顯，幾乎沒有微單元破壞，如圖3，N10所示;當深度增加時，自重應力也會逐漸增大，因此達到破壞的微單元就會逐漸增多，如圖3，N50所示;當隨著多個破壞點的不斷出現，最終由點變成線就會貫通巖石形成破壞面，如圖3，N72所示;隨著破壞面的形成，不同角度的破壞面和巖石界面相交，最后形成“V”形三角坑，如圖3，N151所示。

圖3 “V”形巖爆形成過程

此時，當巖石破碎所消耗的能量小于巷道圍巖儲存的彈性應變能時，巖石碎片和顆粒就會從巖壁突然飛崩出來形成巖爆［4］。

4 巖爆的數值模擬教學效果

通過將彈脆性巖石的細觀損傷演化模型結合工程實踐，形象直觀的模擬了三角形巖爆的演變發生過程和其基本特征，同時與開放教育專業課工程地質的課堂教學相結合，使學生對巖爆的形成過程有了更加直觀、形象和深刻的認識，對于學生在實際工作中遇到類似問題進行現場分析和處理提供了一定的參考，提高了學生分析問題解決問題的能力。

將工程地質的課堂教學與工程實際和現代計算機技術相結合，利用ANSYS的強大數值模擬功能，把復雜難懂的地質問題通過圖片清晰明了的展現出來，讓教學手段現代化，把抽象問題具體化，使學習難點簡易化，提高了學生的學習興趣，使學生在學習理論知識的同時對工程實踐也有所了解，提高了學生的學習效率，達到了較好的教學效果［5］。

［1］王正一.脆性材料強度理論的數值教學［J］.山西建筑，2013，39(26):250-251.

［2］徐林生.川藏公路二郎山隧道高地應力與巖爆問題研究［D］.成都:成都理工學院博士學位論文，1999:51-60.

［3］王 利，闞永明，高 謙，等.巖爆孕育和發生全過程數值研究［J］.河南理工大學學報(自然科學版)，2010(5):55-57.

［4］王正一.彈脆性巖石損傷演化的細觀數值研究及工程應用［D］.鄭州:河南理工大學，2009:53-58.

［5］王正一.淺談ANSYS在開放教育混凝土結構設計原理課程教學中的應用［J］.河南廣播電視大學學報，2013(2):59-60.