張曉君 鄭懷昌

山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 山東淄博 255049

數(shù)值模擬結(jié)果演示推進(jìn)巖石力學(xué)課堂教學(xué)

張曉君 鄭懷昌

山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 山東淄博 255049

巖石力學(xué)課程的理論性比較強(qiáng)，單靠書面的講解，學(xué)生難以深刻領(lǐng)會(huì)，需要豐富授課資料。通過對課程中的相關(guān)問題進(jìn)行數(shù)值模擬并將結(jié)果演示于教學(xué)中，有助于課程教學(xué)效果的提升，使學(xué)生了解到更多巖石力學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)和信息，進(jìn)一步加深了對巖石力學(xué)概念和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解；通過數(shù)值模擬結(jié)果演示資料的補(bǔ)充，極大改善了課程內(nèi)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(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和投身科研的興趣，使學(xué)生理論水平和創(chuàng)新思維大幅提高，并開闊學(xué)生的視野；數(shù)值模擬也是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬；演示；巖體力學(xué)；課堂教學(xué)；圍巖

巖石力學(xué)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(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是促進(jìn)這些學(xué)科和相應(yīng)工程不斷發(fā)展的原動(dòng)力[1]。因此巖石力學(xué)課程的重要性不言而喻。由于巖石力學(xué)課程的理論性比較強(qiáng)，單靠書面的講解，學(xué)生難以深刻領(lǐng)會(huì)，要更好地加深學(xué)生對理論和現(xiàn)象的理解以及拓展學(xué)生的視野和增強(qiáng)其創(chuàng)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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的相關(guān)成果獲得，但物理模擬實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、周期長，巖石或圍巖內(nèi)部的監(jiān)測也相對復(fù)雜，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件進(jìn)行，很多情況目前還難以實(shí)施，因此資料相對有限。資料也可以通過現(xiàn)場獲取，這樣就使學(xué)生有了比較直觀的認(rèn)識(shí)，但學(xué)生對理論和現(xiàn)象的理解畢竟有限，隨著數(shù)值方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)完全可以進(jìn)行巖石試樣、圍巖等變形及破裂過程的數(shù)值試驗(yàn)并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)中。通過數(shù)值模擬不僅克服了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場資料獲取的缺點(diǎn)，而且還能得到許多在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場難以觀測到的與授課理論講解、分析有關(guān)的重要資料。

通過演示數(shù)值模擬結(jié)果的方式展開教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對巖石力學(xué)理論的正確理解，拓寬其思維空間，使學(xué)生的理論水平和創(chuàng)新思路得到明顯提高。

黃明奎[2]基于巖石力學(xué)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本情況，分析研究了實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的初步方案及思路。張義平等[3]針對巖體力學(xué)課程的教學(xué)，重點(diǎn)對基于巖石破壞過程分析數(shù)值模擬系統(tǒng)RFPA教學(xué)版的數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。課堂教學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)多媒體課件的制作是最關(guān)鍵的問題[4]，我們通過課堂教學(xué)中引入數(shù)值模擬并實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的全過程模擬演示，達(dá)到了激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新思維的目的，加深了學(xué)生對巖體力學(xué)相關(guān)知識(shí)的正確理解和解釋，使學(xué)生的水平大幅度提高。

1 數(shù)值模擬及演示資料制作

應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬軟件有很多，如FLAC3D，ANSYS，UDEC，RFPA等，可根據(jù)適用范圍和學(xué)校自身?xiàng)l件來選擇。RFPA由東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)，能模擬巖石在受載過程中其內(nèi)部微細(xì)破裂產(chǎn)生到不斷發(fā)展并導(dǎo)致最終宏觀破裂的過程，是一種運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法解決非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的新型數(shù)值分析方法，具有應(yīng)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(dòng)、開挖與支護(hù)和巖石的聲發(fā)射等。綜上所述，就巖石力學(xué)課程而言，用RFPA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并將其結(jié)果演示與分析運(yùn)用于課堂教學(xué)是非常適宜的。

數(shù)值模擬及演示資料制作過程：

(1)根據(jù)授課內(nèi)容并結(jié)合軟件適用范圍，分項(xiàng)進(jìn)行數(shù)值模擬(包括建立數(shù)值模型、確定邊界條件和控制條件、計(jì)算及結(jié)果分析等)。

(2)根據(jù)分項(xiàng)進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果，編制相應(yīng)的破裂演化過程圖集(應(yīng)力圖、聲發(fā)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(jìn)行)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖、單元應(yīng)力變化規(guī)律曲線等，制作演示多媒體課件。

(3)應(yīng)用于課堂教學(xué)講授與分析。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 單軸壓縮試樣破壞過程演示

巖石的力學(xué)性質(zhì)部分在巖石力學(xué)課程中占有重要的地位。圖1為數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程的部分剪應(yīng)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(xué)生對巖石破壞形態(tài)的認(rèn)知、理解由懵懂到豁然，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生對巖石破壞演化機(jī)理探索的興趣，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。圖2為相應(yīng)的數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力隨加載步的變化關(guān)系，通過相應(yīng)的曲線加深學(xué)生對破裂演化過程與應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)和理解，也使學(xué)生在很多問題的認(rèn)知上變得容易，一定程度上升華了學(xué)生對巖石力學(xué)理論的認(rèn)識(shí)，提高了授課效果。

圖1 數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程

圖2 數(shù)值模擬巖石試樣單軸壓縮應(yīng)力隨加載步的變化關(guān)系

2.2 圓形隧(巷)道圍巖 破裂演化過程及應(yīng)力場變化演示

圖3為數(shù)值模擬圓形隧(巷)道開挖后的圍巖破裂演化過程部分聲發(fā)射和剪應(yīng)力圖，聲發(fā)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(fā)射情況及其發(fā)生發(fā)展的全過程，根據(jù)剪應(yīng)力圖可以得出應(yīng)力集中的變化規(guī)律和破裂演化的情況，通過軟件可以選取某單元進(jìn)行單獨(dú)分析，根據(jù)單元的應(yīng)力和位移可做出整個(gè)過程的變化曲線，通過對整個(gè)演化過程的演示，使學(xué)生對圍巖破壞及應(yīng)力場的變化有了新的認(rèn)知和理解，并能使學(xué)生了解到更多的與圍巖破裂有關(guān)的信息。

圖3 數(shù)值模擬圓形隧(巷)道圍巖破裂演化過程

數(shù)值模擬技術(shù)已趨于成熟并在工程和科研中廣為應(yīng)用，通過對巖石力學(xué)課程中的相關(guān)問題進(jìn)行數(shù)值模擬并將結(jié)果演示于課堂教學(xué)中，有助于課程教學(xué)效果的提升，能夠使學(xué)生了解到更多巖石力學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)和信息，進(jìn)一步加深其對巖石力學(xué)概念和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解；通過數(shù)值模擬結(jié)果演示資料的補(bǔ)充，極大改善了授課內(nèi)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(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和投身科研的興趣，使學(xué)生理論水平和創(chuàng)新思維大幅度提高，使學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的高度和寬度不斷延伸，開闊了學(xué)生的視野，提升了其解決和處理問題的把握能力；數(shù)值模擬也是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，將為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2] 黃明奎.巖石力學(xué)課程數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].高等建筑教育,2009,18(4):129-132.

[3] 張義平,劉勇,曹云欽.應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)促進(jìn)巖體力學(xué)教學(xué)[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,24(4):436-439.

[4] 楊勇,郭子雄.數(shù)值模擬試驗(yàn)在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)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(shù)值試驗(yàn)[M].北京:科學(xué)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(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目；山東理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目(編號：4041410012)。