数值模拟试验在应用型本科土力学中的应用研究

2018-08-30郑文刘光秀魏婧

价值工程 2018年20期

郑文刘光秀魏婧

摘要：应用型本科的教学定位是以“应用”为主，在知识的“学以致用”上更侧重于实践教学和应用能力的培养。土力学是土木工程及相关、相近专业的一门专业基础必修课，该课程的实践性和理论性较强，内容相对多但知识点趋于分散，而传统的教学手段及方法较為单一，导致学生理解接收知识的难度较大，积极性不高，无法达到应用型本科的教育培养目标。在“互联网+ ”社会的大背景下，基于计算机模拟技术的不断发展，将数值模拟操作引入土力学第二课堂，丰富土力学试验实践教学手段，对应用型本科土力学实践改革提供一些参考。

Abstract： The teaching orientation of application-oriented undergraduate courses is based on "application"， which focuses more on the cultivation of practical teaching and application ability in the "learning and application" of knowledge. Soil mechanics is a basic compulsory course for civil engineering， which has practical and applied nature， and its content is abstract. the traditional teaching means and methods is relatively single， which causes students to understand receive knowledge is difficult， enthusiasm is not high， so it can't be achieved the education training target of the applied undergraduate. In the context of "Internet+"，based on the continuous development of computer simulation technology， the numerical simulation should be introduced in the second classroom of the soil mechanics teaching， which can rich soil mechanics experiment teaching means and provide some references for practice teaching reform of soil mechanics teaching.

关键词：数值模拟；应用型本科；土力学

Key words： numerical simulation；applied undergraduate；soil mechanics teaching

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0295-03

0 引言

应用型本科的教学定位是以“应用”为主，在知识的“学以致用”上更侧重于实践教学和应用能力的培养。土力学是土木、水利及相关相近专业的一门重要的技术基础课，它是一门研究与土的工程问题有关的学科[1]，既是工程力学的一个分支，又是土木工程学科的一部分。该课程从土的基本物理力学性质出发，研究土的强度理论、渗透理论和变形理论等知识，为解决相关工程问题提供试验方法和理论基础。该课程的实践性和理论性较强[2]，长期的教学实践反馈来看，课程知识点多且较为分散，理论与试验不能较好的衔接，以致学生理解接收知识的难度较大，学习积极性不高，无法满足应用型本科能力培养要求。因此，针对应用型本科院校教学培养目标进行土力学教改十分迫切且必要。

针对土力学教改方面的研究主要从两个方面出发，一方面是土力学理论教学中教学手段和考核方式的改革，这方面的研究与尝试已有不少成果[3-5]；另一方面是针对土力学试验教学中的一些问题现象提出改进措施[6-8]。在“互联网+”的社会大背景下，将互联网技术、虚拟现实技术和数值模拟技术等引入实践教学中来，作为传统实验室的扩展和补充，对于缓解应用型本科院校实验教学资源相对紧张的客观实际是一种值得尝试的途径，试验教学不再受到人员、时间、空间和面对面教学等条件的限制，达到学生“时时能学、处处可学”，既可以灵活安排试验时间，预演试验内容，又能提升学生的计算机应用水平，具有很高的实用价值。这方面已经有不少教师、学者进行了一些尝试[9-11]。

1 数值模拟试验教学研究

土是由不同成因的岩石在风化作用（物理风化、化学风化和生物风化）后经重力、流水、冰川和风力等营力搬运、沉积而成的自然历史产物。因此，土体是具有高度非连续、非均匀和非线性的散粒体，土体在受力后的性状非常复杂，在多数情况下不能获得解析解。随着计算机技术的不断发展，数值模拟理论的不断成熟，有限元法应运而生并逐渐得到了工程界的广泛认可和重视，但在本科教学中引入数值模拟教学还并不多见。适用于岩土工程的数值分析软件非常多，常用的有：SAP、ANSYS、ADINA、FLAC3D、PFC等等，本文介绍利用ANSYS和PFC数值模拟方法进行土力学试验教学模拟。

1.1 ANSYS模拟土体抗拉强度试验

ANSYS 分析基本过程为：①设定单元类型；②定义材料特性；③创建有限员模型并划分网格；④定义边界条件施加荷载并求解；⑤查看分析计算结果。

单元类型选用SOLID65 单元，该单元具有受拉开裂和受压压碎的性能，可以合理描述土体拉裂破坏过程。Solid65 单元采用的 William -Warnke 5 参数强度模型，其中需要的材料参数有：单轴抗拉强度，单轴、双轴抗压强度，静水压力，在静水压力作用下的双轴、单轴抗压强度。试样为分层击实的圆柱土体，因此计算中假定材料为一均质材料。材料特性为弹塑性材料，选择 ANSYS 中混凝土材料模型。选取合适材料参数，然后进行网格划分，划分时通过控制线的单元数目来控制单元密度，由 ANSYS 自动划分，如图1所示。接着施加边界条件及求解。边界条件在试样的下底面的半径为 3cm 的同心圆面上施加全约束，而上端半径为 3cm 的同心圆面上施加横向约束，竖向自由。位移条件在试验是在 CBR 承载比试验仪上进行的，即对试样施加的是位移荷载，即对试样施加一定的位移，再求出对应的力。为了与试验相对应，数值计算过程也采用给定位移求应力的方法来进行计算，模拟结果如图2所示。计算结果与试验值见表1所示，可见计算的结果比较理想，对于本科模拟试验操作而言，这种精度是完全可以满足要求的。

1.2 PFC模拟侧限压缩试验

PFC（particle follow code，颗粒流）数值模拟方法是基于离散元的一种模拟技术，专门用于模拟固体力学大变形问题。土力学侧限壓缩试验用于测定土的压缩系数，侧限压缩模量等衡量土压缩性大小的指标。运用颗粒流方法分别模拟干土和饱和土的压缩试验并进行对比分析，可帮助学生认识土体压缩过程及性状。PFC 中的流固耦合原理可用于模拟饱和土，在比土体颗粒尺度大一点的计算域上对流体进行模拟，每个域包含一定数目的颗粒，但相对于整个分析模型来说这个域又很小。用流体域的平均流速代替域内各点的流速，流体作用于单个颗粒的力与每个域的平均流速以及孔隙率有关。对于固相颗粒，通过求解运动方程模拟颗粒运动，对于土中水，通过求解 Navier-Stokes 方程模拟流体的运动。采用这种方法可以分析流体速度、流线、压力、颗粒的运动和应力分布[12，13] 。

在重力作用下使土样沉积稳定，得到两个干土样，对其中一个干土样进行饱和，饱和方法是首先生成流体网格，然后在底部施加一个小的孔隙水压力，如图3所示，其中黑线表示土颗粒间的作用力，黑线的粗细反应作用力的大小。土样顶部圆形颗粒的组合视为竖向加载装置，并依次施加在干土样和饱和土样顶部用一排圆形颗粒连接生成一个竖向加载装置，并在土样顶部施加50、100、200、400、800和1600kPa的竖向压力，通过计算变形稳定后顶部颗粒的平均竖向位移可计算每一级荷载下的压缩量。图 4 为两土样的 e-lgp 曲线。同时，还可以让学生改变试样颗粒级配、孔隙比等，观察压缩曲线的相应变化，增强学生对土体压缩性指标测试原理的认识和理解。

2 模拟试验教学效果

土力学作为重要的专业基础必修课和很多考研方向的专业课，其重要性不言而喻。土力学学习学生需要具备一定的工程地质学和材料力学知识，但又区别于这些课程，因此，学生在学习之前对相关知识的了解还甚少，很多停留在主观定性理解上，尽管土力学试验可以帮助学生更好的理解土力学理论知识，理论讲解又是土力学试验教学的前提，二者相辅相成，但试验教学无法引入课堂，二者常常会有时间和空间安排上的冲突，这时候数值模拟技术就可以不受试验场所和时间的限制，而贯穿于课堂理论教学整个过程中。可以通过模拟技术验系统，形象、直观、系统地向学生介绍土力学试验的基本原理、基本方法，把土的应力、变形、强度、渗流等方面的知识贯穿起来，使学生对土力学理论体系和试验体系有一个完整的掌握。并且对于具体的试验动手操作有很好的指导作用，也可以帮助学生进行数据的整理和分析，加深学生对土力学理论知识的理解和试验方法的掌握，增强运用基本理论和试验手段解决实际工程问题的能力。

3 结束语

应用型本科院校正在不断增加实践教学课时，以更好地培养应用型人才为目标，但又区别于高职院校，学生必须掌握基本理论知识并可以“学以致用”。土力学课程的理论性和实践性均较强，但由于课程本身的性质，知识点多且分散，另外教学手段单一，试验教学与理论教学不同步等客观原因，使得土力学教学效果达不到教学要求。对此，在“互联网+”的大背景下，提出应用数值模拟技术模拟试验教学并引入课堂，初步教学反馈良好，学生对于数值模拟兴趣较大，该方法不仅可以培养学生的创新思维同时增强了学生的动手能力，最主要是使学生在短时间内快速理解土力学试验的主要方法和原理，提高了土力学教学质量，部分考研学生也对数值模拟技术产生浓厚兴趣，为进一步深造打下基础，值得推广。

参考文献：

[1]陈仲颐.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[2]李广信，吕禾，张建红.土力学课程中的实践教学[J].实验室技术与管理，2006，23（12）：13-14，23.

[3]王安辉，余沛，张智慧，等.应用型本科土力学教学改革探索与实践[J].科教文汇，2016（11）.

[4]张健.地方应用型高校本科土力学教学改革探讨[J].山西建筑，2015（28）.

[5]梁桥，陈金陵，彭利英，等.卓越工程师培养计划下的应用型本科土力学教学探讨[J].当代教育理论与实践，2013（7）.

[6]徐奋强，孟云梅.土力学实验教学加强学生应用能力的探索[J].科技信息，2012（36）：175-176.

[7]左明汉，李利，张伟.本科院校土木工程专业土力学实验教学改革探索[J].实验室科学，2012，15（1）：20-22.

[8]刘熙媛，徐东强，韩红霞，等.土力学试验教学改革与学生创新能力的培养[J].教育教学论坛，2013（1）：41-42.

[9]马少鹏，水小平，马沁巍，等.力学虚拟试验系统及其在实验力学教学中的作用[J].力学与实践，2012，34（3）：65-67.

[10]宋小软，赵俊兰，王献云.土木工程专业网络虚拟试验室建设探讨[J].结构工程师，2011（01）：264-267.

[11]赵俊兰.基于网络技术虚拟试验的研究[J].试验技术与管理，2011（3）：220-223.