“工程地質數值法”課程的哲學思考與教學啟發

王曉明　齊劍峰　吳鋒波

摘要：針對部分學生和工程技術人員對地質工程數值方法存在一定程度的錯誤認知，作者從馬克思主義哲學的角度分析了地質工程數值方法的本質、優缺點和發展情況，并得到一些對課堂教學有益的啟發。課堂教學應重視數值方法本質、基本原理、適用條件和優缺點的講解，師生應關注該領域的前沿進展，在教學過程中應加強實例教學和案例分析。這些啟發將對授課教師正確地引導學生認識、掌握及運用地質工程數值方法起到積極作用。

關鍵詞：地質工程；數值方法；馬克思主義哲學；教學啟發

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）34-0213-02

地質工程數值方法是地質工程、巖土工程等專業高年級本科生或研究生的專業課程，對于學生專業素質、能力的培養起著重要的作用，更是開展地質工程研究的重要技術手段。隨著計算機運算速度的提升和數值方法的迅速發展，地質工程數值方法在日常教學、生產實踐和科學研究中的地位日益突出。該課程作為河北地質大學地質工程專業研究生的專業必修課，主要講述分析工程地質問題常用的數值方法，例如彈性有限元法、有限差分法和離散元法等。

一、什么是地質工程數值方法？

地質工程數值方法是應用數值分析手段來解決與工程相關的地質問題的一種方法。首先，應對工程地質體的巖性、結構和賦存環境進行地質信息分析，在此基礎上，調查巖土體結構類型，將地質信息抽象為地質模型，然后考慮工程地質體的變形破壞規律，構建力學模型，再通過研究材料的本構關系和力學性質，將力學模型轉化為數學模型[1]。從本質上看，地質工程數值方法是將工程地質問題抽象轉化為數學模型，進而對數學模型進行求解。地質工程數值分析需要解決兩個核心問題。其一是構建工程地質體的力學和數學模型，這需要對工程地質體進行高度的抽象化；其二是數學模型的求解，由于地質體具有復雜的加卸載條件和邊界條件，通常無法用解析方法簡單地求解，而需要通過數值法求得近似解。因此，數值模型的建立和求解不可避免地運用了一些假設和簡化，得到的結果是一種近似解。例如，有限元法將工程巖土體視為連續介質，通過離散化，建立近似函數把有界區域內的無限問題簡化為有限問題，通過聯立方程求解，對工程問題進行應力和變形分析。

二、用辯證的眼光看地質工程數值方法

唯物辯證法是馬克思主義哲學的重要組成部分，是人們認識世界和改造世界的根本方法。在教學過程中，更應該堅持從辯證的角度看待地質工程數值方法。作為客觀存在，地質工程數值方法具有兩面性，任何一種方法都有自己的優勢，也不可避免地存在劣勢。例如塊體離散元法，將工程巖體視為完全離散的巖石塊體的集合體，通過求解運動方程建立力與位移的關系。其最基本的優點是可以將結構面直接、顯式地納入到分析模型中，而且巖體內部可以存在大位移、旋轉和滑動乃至塊體的分離，從而可以較真實地模擬裂隙巖體的非線性大變形特征[2-4]。該方法適用于求解非連續地質體的大變形問題，在巖石力學領域得到了廣泛應用。然而，該方法也存在著一些缺陷，如塊體間的接觸力計算是通過引入塊體嵌入（或疊合）的概念來實現的，這是不符合實際情況的。此外，巖體中存在的非貫通節理無法將巖體切割成完全離散的塊體，這嚴重制約著離散元法的發展和應用。

三、用發展的眼光看地質工程數值方法

隨著計算機技術和數值方法的日益進步，地質工程數值方法也在飛速發展。地質工程數值方法的發展與進步體現在以下四個方面：（1）新方法的出現和應用。以物質點法（Material Point Method，MPM）為例，該方法是Sulsky和Chen等于1994年提出的一種數值方法，其本質是一種無網格法，目前在邊坡穩定性分析和滑坡研究中得到了應用[5，6]。（2）數值方法的耦合計算與應用。有限元法和離散元法的耦合計算（FDEM）是目前工程地質領域研究的熱點，Mahabadi等編制了Y-Geo軟件，用來模擬巖石的損傷和破壞過程，該軟件兼具有限元和離散元法的優勢，能夠模擬巖石從連續介質轉變為不連續介質的過程。（3）非確定性方法也取得了長足的進展。由于地質體具有模糊性、隨機性和各種不確定性，計算參數的選取成為工程地質問題數值分析的關鍵。隨機有限元法、隨機物質點法等方法的出現和應用，為解決巖土體的不確定性問題提供了強有力的技術手段，使我們看到了可靠度分析理論在工程地質問題上的應用前景。（4）專業軟件及功能的多樣化。地質體是在漫長地質歷史時期形成的復雜體系，具有復雜的工程力學性質。隨著對地質體本構關系研究的不斷深入，專業化的軟件越來越多，促進了數值軟件向專業化方向發展，并且具備了更多的功能模塊，如錨桿支護、隧道襯砌等模塊。地質工程數值方法的快速發展為我們的教學工作提出更高的要求，這需要授課教師時刻關注本領域的發展動態，及時掌握前沿進展，將最新的理論和應用進展納入到授課內容。

四、理論聯系實踐

地質工程專業具有很強的實踐性，數值方法的學習也不例外。該門課程的主要目的是讓學生具備運用現有軟件解決實際的工程地質問題，因此課程教學必須結合實例教學和上機操作。實例教學一方面提高了學生對課程學習的興趣，另一方面也加深了學生對教學內容的理解[9]。只有通過實際操作和勤奮練習，學生才能熟練掌握數值軟件的分析流程，并通過發現問題、解決問題，真正具備運用數值軟件解決工程地質問題的能力。

五、結語

針對部分學生及工程技術人員對地質工程數值方法的一些錯誤認知，作者從馬克思主義哲學的角度對該門課程進行了深刻的思考和交流，并得到一些啟發。授課教師應重點講解地質工程數值方法的本質、基本原理、適用條件和優缺點，使學生能夠科學地認識和使用該方法。教師和學生都應該用發展的眼光看待該方法，時刻關注該領域的前沿進展。在教學過程中，要重視實踐的作用，加強實例教學和案例練習。真正讓學生掌握該方法，具備運用該方法解決工程地質問題的能力。

參考文獻：

[1]何滿潮，黃潤秋，王金安，等.工程地質數值法[M].北京：科學出版社，2006.

[2]王曉明，鄭銀河.裂隙巖體表征單元體及尺寸效應研究進展[J].巖土力學，2015，36（12）：3456-3464.

[3]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2013.

[4]Itasca Consulting Group，Inc.3DEC user；s guide（Version 4.1）[M].Minnesota，2007.

[5]史卜濤，張云，張巍.邊坡穩定性分析的物質點強度折減法[J].巖土工程學報，2016，38（9）：1678-1684.

[6]孫玉進，宋二祥.大位移滑坡形態的物質點法模擬[J].巖土工程學報，2015，37（7）：1218-1225.