數值模擬試驗在巖石力學課程教學的應用探討
——以含預制裂隙煤巖組合體力學性質為例

張春雷 董 云 彭寧波 顧文虎 朱鵬宇 張 燕

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223001）

在巖石力學課程實際教學方面，實驗教學大多停留在以演示和驗證為主，缺乏實驗設計環(huán)節(jié)，實驗內容單一，無法較好的通過實驗教學來激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新意識。

隨著國內外對巖土數值模擬軟件的開發(fā)與利用，數值仿真已越來越多的應用到巖土工程領域的教學與科研中[1-3]。為解決目前在巖石力學課程教學中的問題，做到以學生為中心，以結果為導向，將計算機數值仿真技術運用到巖石力學教學過程中，模擬巖石或巖體在不同受力環(huán)境下的力學性質，讓學生更加直觀的感受加載條件和巖石自身力學參數的變化對其整體力學性質的影響，進而改進學生的思維方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程素質。

1 數值仿真技術引入巖石力學教學的優(yōu)越性

筆者在講授巖石力學課程過程中，通過引入RFPA數值仿真技術，結合具體授課內容，把RFPA計算速度快、直觀可視化、數據提取速度快等方面的優(yōu)勢充分運用到課程教學中[4-6]，將枯燥的理論知識轉化為生動的圖形和曲線，在一定程度上激發(fā)了學生的學習興趣。以巖體力學性質為例，相對于傳統(tǒng)室內試驗教學，數值仿真技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面[4]：（1）計算速度快，參數隨時可調，有利于進行結果的橫向和縱向對比。比如巖體力學性質受多種因素或參數影響，為了得到不同因素對巖體力學性質的具體影響規(guī)律，可根據需要建立不同模型并同時進行計算，大大節(jié)約了時間；（2）計算過程動態(tài)實時顯現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的實驗室試驗，RFPA具有直觀形象的圖像顯示功能，可將抽象的應力、應變、位移等數據轉化為生動形象的圖形，這將有利于提高學生對于巖石力學性質的理解深度；（3）數據后處理功能強大，RFPA后處理曲線圖主要包含，應力-加載步曲線、位移-加載步曲線、應變-加載步曲線等，查看后處理場圖可以通過菜單直接查看。

2 數值仿真在巖石力學教學過程中的具體應用

在教學過程中，通過建立含預制裂隙煤巖組合體模型，探究裂隙傾角對其力學性質的影響，讓學生更加深刻理解結構面對巖體力學性質的影響。

2.1 模型建立

長方形煤巖組合體數值計算模型如圖1（step=0）所示，模型尺寸長100 mm，寬50 mm，煤巖體高度均為50 mm，裂隙預置于巖體中，與最小主應力的夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。強度準則采用摩爾庫倫準則，位移加載方式。

2.2 強度和變形特征分析

煤巖組合體在單軸壓縮過程中的剪應力云圖呈動態(tài)變化，以含45°預置傾角裂隙為例，如圖1所示，可清楚地看到在不同加載步數時煤巖組合體的剪應力云圖，讓學生對加載過程煤巖組合體的內力變化有直觀的認識。

圖1 含45°預制傾角裂隙煤巖組合體剪應力云圖

基于RFPA的后處理功能，可以得到不同裂隙傾角煤巖組合體試件應力-應變曲線（見圖2）以及巖石試件峰值強度與裂隙傾角之間的關系（見圖3）。通過應力-應變曲線數據分析，可以看出單軸壓縮下裂紋傾角對煤巖組合體強度的影響，使學生不但能夠理解巖石在單軸壓縮條件下的應力-應變的一般規(guī)律，也能夠使學生對結構面對巖體力學性質影響有更加明確和清晰的認識。

圖2 煤巖組合體應力-應變曲線圖

圖3 含不同傾角預置裂隙峰值強度和峰值應變曲線

2.3 破壞特征分析

煤巖組合體的破壞是由巖體中預制裂隙的擴展和相互貫通形成的宏觀裂紋引起的，進而導致煤巖組合體的整體破壞。因此，煤巖組合體中巖體的破壞導致煤巖組合體的破壞，巖體中預制裂隙的傾角影響煤巖組合體的破壞方式。圖4所示是含不同傾角預置裂隙煤巖組合體破壞模式形象直觀，可直接獲取，相對室內實驗簡單易操作。

圖4 含不同傾角預置裂隙煤巖組合體破壞模式

2.4 聲發(fā)射特征分析

在加載過程中巖體內裂隙的起裂、擴貫、貫通過程中釋放能量并以彈性波的方式發(fā)射（見圖5）。RFPA可展示模型加載每一步的聲發(fā)射圖（見圖5a），用聲發(fā)射圓表示，并通過顏色（可自定義）不同分別代表不同破壞方式（剪切、拉伸）以及累積聲發(fā)射（見圖5b）。圖5中，白色圓圈代表剪切破壞，紅色圓圈代表拉伸破壞。室內實驗聲發(fā)射受噪音等干擾因素比較多，對實驗裝置安裝和實驗環(huán)境要求比較高，而RFPA數值實驗獲取聲發(fā)射數據簡單快捷，受干擾因素小。

圖5 含45°傾角預置裂隙煤巖組合體聲發(fā)射特征

3 結論

教學實踐表明，采用計算機數值仿真實驗配合理論教學可以加深學生對巖石力學中應力-應變、強度、破壞特征等內容的理解，一定程度上能夠彌補理論教學和實踐教學的不足，豐富了教學手段，對提高教學質量有一定效果；數值仿真實驗應用到教學最大的特點就是形象直觀，有利于學生理解課程知識點，提高學生學習的主動性，能夠激勵學生通過直觀的圖像展示去追求抽象的理論知識；數值仿真實驗可在不同條件下重復操作，且更改實驗參數簡單，能夠彌補實驗教學中不能實現(xiàn)或不容易實現(xiàn)的展示與設計。