数值模拟试验在岩土工程实验及工程案例教学中的应用*

琚晓冬 冯文娟 邹正盛

河南理工大学 河南焦作 454000

数值模拟试验在岩土工程实验及工程案例教学中的应用*

琚晓冬 冯文娟 邹正盛

河南理工大学 河南焦作 454000

本文分析常规实验方法的特点及存在的问题，提出将数值模拟试验应用到教学试验中。数值模拟可以模拟常规实验，获得常规实验无法得到的实验数据。也可以模拟大型复杂的工程，这也是常规实验无法做到的。数值模拟试验应用到在岩土工程实验及工程案例教学中教学效果非常好。

数值模拟；岩土工程；工程案例

培养实践能力及综合素质强的岩土工程专业的学生，不但要让学生系统地学习理论知识，而且要让学生亲自动手做一些实验的操作。实验教学能够帮助学生更好地理解理论知识。如岩石力学常规实验有抗压、抗拉、抗剪试验，学生通过实验操作，很直观地观察到岩石破坏的形式、规律，这样更容易地理解和学习岩石强度准则这一个比较抽象复杂的问题。如果不通过实验加强知识点的理解，就激发不起学生学习的积极性，学习的效果也会大打折扣。要培养岩土工程专业的学生，还有一个重要的环节就是工程案例教学。只有学生接触了大量的工程案例，才能逐渐培养其动手及设计能力。

所以实验教学方法是培养重要的方法和手段，通过实验操作提高学生实践动手能力，进而提高学生的创造能力和想象力。

目前国内大多数高等院校的实验教学都存在学生人数、课时和试验室条件的约束，造成实验太少、教学实验类型单一、时间安排紧，每个学生不一定都有实际操作动手的机会。而对于一些和实际接触紧密的工程案例，一般的实验室内的物理实验是不能满足要求的，所以采用先进的教学手段、教学方法来提高实验教学及工程案例教学的质量。

一、传统实验及工程案例教学与数值模拟试验的比较

在岩土工程知识体系中岩石、混凝土的抗拉、抗压、抗剪等基本实验及岩石的破裂与失稳过程是一个重要的基本教学内容。目前在国内大多数高等院校的相应课程的实验教学中，主要依赖实验室的物理实验。

物理实验优点：比较直观。

物理实验局限性：(1)由于受到实验设备、实验室观测手段、经费等条件的限制，通常只会教师演示一些常规的抗拉、抗压、抗剪基本实验。甚至是基本实验也不是每个同学都能操作一遍。很难通过大量的物理实验向学生直观演示各种岩石的变形、破坏的复杂现象。(2)由于岩石介质的复杂性，传统的测试方法很难全面反映岩石在变形损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、变形场等重要信息。(3)一些大型的工程项目，实验室小型试样的加载实验很难描述。如边坡失稳、隧道的开挖加固模拟；对于岩体的蠕变，在短期内无法完成对岩体的应力、应变、变形等观测；对于特殊的工程灾害更难以通过实验室进行系统地观察研究。随着计算机技术和数值计算理论的发展，各种商业通用程序在土木工程专业课程教学实验及课程中有关内容(重点及难点)进行数值模拟和仿真分析。

利用现代计算力学原理和计算机可视化技术，对岩石、混凝土的变形与破裂过程进行数值试验，不仅可以达到岩石、混凝土力学实验辅助教学的目的，而且具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，可以完全克服实验室物理实验的不足，突破传统力学实验观测难、分析难、重复难等多种弊端。而且，还可以通过数值试验得到许多在常规实验室实验中难以观测到的重要信息，如岩石或岩体结构在破坏过程中的应力场、变形场，有利于并加深学生对力学现象本质的理解，提高学生学习与专业研究的兴趣。因此，数值模拟试验将是岩土工程实验教学及大型工程案例教学的一条新路。

二、数值模拟试验在岩土工程实验教学中的应用

在教学中关于岩石、混凝土的抗拉、抗压、抗剪等基本实验可以采用传统和数值模拟试验相结合的方法。即使学生进行了实际动手能力的锻炼，也通过数值模拟试验掌握了岩石在变形损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、变形场等重要信息。

数值模拟试验采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的一套岩石破裂与失稳分析系统(Rock Failure Process Analysis ，简称RFPA软件)。通过软件教授学生如何建模、加约束、施加荷载及教学结果分析学生普遍反映能掌握和理解相关内容,教学效果相对传统实验教学要好得多。开拓了学生的视野。

三、数值模拟试验在工程案例教学中的应用

一些大型的工程项目，实验室小型试样的加载实验很难描述，传统教学只是理论上教授学生如何设计计算，对于没有多少现场经验的学生来说这种方式非常抽象，不好掌握，既使会计算，记忆也不深刻。这样也可以结合数值模拟试验建立一些工程项目和理论知识结合使学生学的有兴趣容易理解掌握。下面举例说明。

例1：边坡稳定性分析。要判定边坡稳定性，首先求安全系数。理论上求安全系数的方法有瑞典条分法、稳定系数法、毕肖普法及非圆弧滑动面分析等。这些方法计算步骤复杂，计算量大，计算时间长。为了学生更好地掌握这些知识点，可以辅助的学习G-SLOPE边坡稳定分析软件。这样即提高学生学习的兴趣，又直观好理解，并使学生更好地掌握知识点，激发学生钻研的积极性。图3为G-SLOPE数值软件建立的边坡模型并可以求出安全系数。

例2：对于岩土工程，学生还要掌握隧道开挖方式，根据地质情况不同，大体可以分为全断面开挖、台阶开挖、单侧导坑开挖及双侧导坑开挖。这样只是抽象地介绍这些名词，学生肯定不理解。可以结合数值模拟试验模拟开挖过程，这样学生很容易就理解掌握了。图4为某隧道双侧导坑开挖顺序：a图为隧道及周围岩层，b图为隧道左右两侧导坑开挖，c图为隧道上半段开挖，d图为隧道下半段开挖。

四、结束语

第一,数值模拟试验具有方便快捷、节省材料、通用性以及常规实验室实验无法得到的数据规律等优点。合理的将数值模拟试验与常规实验室实验结合起来扬长避短，来提高岩土工程专业的教学质量。

第二,数值模拟方法实现了常规实验无法实现的复杂工程的分析。因此，数值模拟试验将是岩土工程实验教学及大型工程案例教学的一条新路。

第三,数值模拟方法结合多媒体及其他先进的手段应用在教学中，在学生工程经验缺乏的情况下，最大限度的提高学生学习的兴趣，使学生掌握更多的知识点，开拓学生的思维，激发学生的创造力。

[1]韩茂慧.高等学校试验教学改革与研究[J].职业圈，2007，2

[2]王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学试验教学中的应用[J].实验技术与管理,2003，6

[3]杨勇,郭子雄.数值模拟试验在土木工程专业课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2005，14（3）

Abstract: Analysis of routine experimental method’s characteristic and shorting, numecical simulation experiment is applicated in teaching text. Numecical simulation experiment can simulate routine experiment and get experimental data which can’t obtained by normal text. Numecical simulation experiment can simulate large-scale project and obtain very good taeching results.

Key words: numecical simulation; geotechnical engineer; engineering case

Application of numerical simulation experiment in text and project case of geotechnical engineer

Ju Xiaodong, Feng Wenjuan, Zou Zhengsheng
Henan polytechnic university，Jiaozuo，454000,China

2009-09-24

琚晓冬，硕士，讲师 。

*本文系河南理工大学2007年教育教学改革研究项目(2007JG020)。