基于数值试验的岩石力学教学模式改革

2021-08-31邬忠虎娄义黎

高教学刊 2021年21期

邬忠虎娄义黎

摘要：随着数值模拟技术的发展，数值试验已成为第三种科学研究方法，探究如何将数值试验技术引入高校学科教学显得尤为重要。文章通过岩土工程领域的常用软件RFPA对页岩进行了力学特性和破裂损伤过程分析，充分证实了RFPA可以极大地促进学生对岩土工程课程理论的理解，且其操作简单方便，在岩土工程领域应用较广。因此，将其引入到高校学科教学中符合高校教学研究要求，并将推动高校科研建设的发展。

关键词：RFPA;岩土工程;数值模拟技术;教学改革中

图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）21-0118-04

Abstract： With the development of numerical simulation technology， numerical experiment has become the third scientific research method. It is particularly important to explore how to introduce numerical experiment technology into university subject teaching. In this paper， the mechanical properties and fracture damage process of shale are analyzed by RFPA， a commonly used software in geotechnical engineering field. It is fully proved that RFPA can greatly promote students' understanding of geotechnical engineering course theory， and its operation is simple and convenient， so it is widely used in geotechnical engineering field. Therefore， it meets the requirements of teaching and research and will promote the development of scientific research construction in colleges and universities.

Keywords： RFPA; geotechnical engineering; numerical simulation technology; teaching reform

隨着科学技术的发展，数值模拟技术已发展成为第三种科学研究方法。数值模拟的出现填补了理论研究和物理实验在科学研究中的不足，这使得近年来数值模拟技术得以快速发展，并成为许多高校教学必修学科。

自1953年数值模拟技术诞生以来，经过60余年的发展，已发展了许多数值模拟软件，例如PHREEQC、GEM、ANSYS、ABAQUS、MATLAB、RFPA、DDA、FLAC3D等数值模拟软件，其中ANSYS、ABAQUS、RFPA、FLAC3D等软件常用于岩土工程领域^[1-5]。RFPA全称是Realistic Failure Process Analysis，即真实破裂过程分析方法，RFPA是由唐春安教授最先研发并使用的，它考虑了天然岩体的非连续、非均质、非弹性、各向异性，这使得它在岩土工程领域被大量应用^[6-8]。

物理实验虽然是岩土工程中的重要方法，但其苛刻的实验条件使得很多高校无法做到让每名学生都能做到不同的物理实验。而数值模拟技术的出现可以很好地弥补这一点，学生只需有一台笔记本电脑就能轻松完成各种数值模拟，促进完善学生对岩土工程知识的学习。本文以页岩力学特性和破裂损伤过程分析为例，通过RFPA2D-DIP对页岩进行了直接拉伸模拟，探究了RFPA在岩土工程领域中的应用及重要性。

一、RFPA原理介绍

RFPA2D-DIP是大连力软科技有限公司研发的岩石破裂软件，该软件可进行单轴拉伸、单轴压缩以及三轴压缩等数值模拟。在建立数值模型时基于以下假设条件进行^[9-10]。

1. 将材料的非质性参数引入到计算单元，宏观破坏是单元破坏的积累过程。

2. 认为单元性质是线弹-脆性或脆-塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态分布、韦伯分布、均匀分布等。

3. 认为当单元应力达到破坏的准则发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非连续介质问题。

4. 认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。

RFPA-DIP中采用了损伤本构模型，外力作用下单元破裂损伤后的本构关系可以如下表示^[11-12]。

E=（1-D）E₀，（1）

式（1）中，E为单元损伤后的弹性模量;E₀为单元的初始弹性模量;D为单元的损伤变量。

单轴拉伸作用下的损伤本构关系如图1所示，当拉伸应力超过单元的单轴拉伸强度时，单元将发生拉伸破坏，在拉伸应力作用下单元损伤演化方程可以表示为：

式（2）中，ε_t0为单元弹性极限对应的拉伸应变;ε_tu为单元的极限应变。