数值模拟结果演示推进岩石力学课堂教学

张晓君 郑怀昌

山东理工大学资源与环境工程学院 山东淄博 255049

数值模拟结果演示推进岩石力学课堂教学

张晓君 郑怀昌

山东理工大学资源与环境工程学院 山东淄博 255049

岩石力学课程的理论性比较强，单靠书面的讲解，学生难以深刻领会，需要丰富授课资料。通过对课程中的相关问题进行数值模拟并将结果演示于教学中，有助于课程教学效果的提升，使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息，进一步加深了对岩石力学概念和相关知识点的认识和理解；通过数值模拟结果演示资料的补充，极大改善了课程内容难懂、难以深入和授课资料不丰富、不直观、不全面等问题，极大地激发了学生学习和投身科研的兴趣，使学生理论水平和创新思维大幅提高，并开阔学生的视野；数值模拟也是岩石力学实验教学的有益补充，为实验教学打下良好的基础。

数值模拟；演示；岩体力学；课堂教学；围岩

岩石力学是采矿工程、水利水电工程、铁道工程、公路工程、岩土工程、地下工程等众多学科的专业基础课，是促进这些学科和相应工程不断发展的原动力[1]。因此岩石力学课程的重要性不言而喻。由于岩石力学课程的理论性比较强，单靠书面的讲解，学生难以深刻领会，要更好地加深学生对理论和现象的理解以及拓展学生的视野和增强其创新力，需要丰富的授课资料(样本、图片、视频影像等)。

资料的获取可以由实验室实验的相关成果获得，但物理模拟实验费用高、周期长，岩石或围岩内部的监测也相对复杂，要根据实验室的条件进行，很多情况目前还难以实施，因此资料相对有限。资料也可以通过现场获取，这样就使学生有了比较直观的认识，但学生对理论和现象的理解毕竟有限，随着数值方法以及计算机技术的发展，数值模拟技术完全可以进行岩石试样、围岩等变形及破裂过程的数值试验并将其应用于课堂教学中。通过数值模拟不仅克服了实验室实验和现场资料获取的缺点，而且还能得到许多在实验室和现场难以观测到的与授课理论讲解、分析有关的重要资料。

通过演示数值模拟结果的方式展开教学，激发了学生的学习兴趣，加深了对岩石力学理论的正确理解，拓宽其思维空间，使学生的理论水平和创新思路得到明显提高。

黄明奎[2]基于岩石力学理论教学与实验教学的基本情况，分析研究了实验教学现状及存在的问题，提出了实验教学体系改革的初步方案及思路。张义平等[3]针对岩体力学课程的教学，重点对基于岩石破坏过程分析数值模拟系统RFPA教学版的数值实验教学相关内容进行介绍。课堂教学数值模拟实验多媒体课件的制作是最关键的问题[4]，我们通过课堂教学中引入数值模拟并实现岩石力学领域重点、难点知识的全过程模拟演示，达到了激发学生的兴趣和创新思维的目的，加深了学生对岩体力学相关知识的正确理解和解释，使学生的水平大幅度提高。

1 数值模拟及演示资料制作

应用于岩土工程领域的数值模拟软件有很多，如FLAC3D，ANSYS，UDEC，RFPA等，可根据适用范围和学校自身条件来选择。RFPA由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发，能模拟岩石在受载过程中其内部微细破裂产生到不断发展并导致最终宏观破裂的过程，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，具有应力分析和破坏分析两大功能[5]，该软件可模拟岩石试件加载、巷(隧)道破坏、顶板冒落、地表沉陷、岩层移动、开挖与支护和岩石的声发射等。综上所述，就岩石力学课程而言，用RFPA软件进行数值模拟并将其结果演示与分析运用于课堂教学是非常适宜的。

数值模拟及演示资料制作过程：

(1)根据授课内容并结合软件适用范围，分项进行数值模拟(包括建立数值模型、确定边界条件和控制条件、计算及结果分析等)。

(2)根据分项进行数值模拟的结果，编制相应的破裂演化过程图集(应力图、声发射图等，或者该部分直接通过软件本身所具备的幻灯演示功能进行)、应力应变关系图、单元应力变化规律曲线等，制作演示多媒体课件。

(3)应用于课堂教学讲授与分析。

2 应用实例

2.1 单轴压缩试样破坏过程演示

岩石的力学性质部分在岩石力学课程中占有重要的地位。图1为数值模拟岩石试样的单轴压缩破坏过程的部分剪应力图。从图形中可以清晰地看出岩石破裂演化的全过程，通过对岩石试样单轴压缩破裂演化过程的演示，使学生对岩石破坏形态的认知、理解由懵懂到豁然，同时也增强了学生对岩石破坏演化机理探索的兴趣，极大地提高了学生的学习积极性和教学效果。图2为相应的数值模拟岩石试样的单轴压缩应力随加载步的变化关系，通过相应的曲线加深学生对破裂演化过程与应力应变之间关系的认识和理解，也使学生在很多问题的认知上变得容易，一定程度上升华了学生对岩石力学理论的认识，提高了授课效果。

图1 数值模拟岩石试样的单轴压缩破坏过程

图2 数值模拟岩石试样单轴压缩应力随加载步的变化关系

2.2 圆形隧(巷)道围岩 破裂演化过程及应力场变化演示

图3为数值模拟圆形隧(巷)道开挖后的围岩破裂演化过程部分声发射和剪应力图，声发射表明单元破裂，从图形中可以清晰地看出开挖后的围岩声发射情况及其发生发展的全过程，根据剪应力图可以得出应力集中的变化规律和破裂演化的情况，通过软件可以选取某单元进行单独分析，根据单元的应力和位移可做出整个过程的变化曲线，通过对整个演化过程的演示，使学生对围岩破坏及应力场的变化有了新的认知和理解，并能使学生了解到更多的与围岩破裂有关的信息。

图3 数值模拟圆形隧(巷)道围岩破裂演化过程

数值模拟技术已趋于成熟并在工程和科研中广为应用，通过对岩石力学课程中的相关问题进行数值模拟并将结果演示于课堂教学中，有助于课程教学效果的提升，能够使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息，进一步加深其对岩石力学概念和相关知识点的认识和理解；通过数值模拟结果演示资料的补充，极大改善了授课内容的难懂、难以深入和授课资料的不丰富、不直观、不全面等问题，极大地激发了学生学习和投身科研的兴趣，使学生理论水平和创新思维大幅度提高，使学生知识结构的高度和宽度不断延伸，开阔了学生的视野，提升了其解决和处理问题的把握能力；数值模拟也是岩石力学实验教学的有益补充，将为实验教学打下良好的基础。

[1] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 黄明奎.岩石力学课程数值实验教学探索[J].高等建筑教育,2009,18(4):129-132.

[3] 张义平,刘勇,曹云钦.应用数值试验促进岩体力学教学[J].贵州大学学报:自然科学版,2007,24(4):436-439.

[4] 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):65-67.

[5] 唐春安,王述红,傅宇方.岩石破裂过程数值试验[M].北京:科学出版社,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

张晓君，博士，副教授。

山东理工大学教学研究项目；山东理工大学博士基金项目(编号：4041410012)。