淺析數(shù)值仿真技術(shù)對《巖石力學》教學的促進

摘 要:通過數(shù)值仿真技術(shù)，對巖石力學課程中相關(guān)章節(jié)中的具體問題進行分析，將計算分析結(jié)論與教材中的內(nèi)容相比較，分析二者之間的相同之處或產(chǎn)生差異的原因。通過近兩個學期的實踐證明，采用該技術(shù)能夠豐富課堂教學內(nèi)容，提高學生學習巖石力學課程的興趣與積極性。

關(guān)鍵詞:巖石力學 教學 數(shù)值仿真技術(shù)

中圖分類號:G64文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0184-02

巖石力學是高等學校土木工程、水利工程、工程力學、采礦工程等諸多專業(yè)的必修課，是一門與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的課程。地下洞室是巖體工程中建造最多的地下構(gòu)筑物，如公路和鐵路隧道、地下廠房等。如何解決在建造地下洞室時所遇到的各種巖體力學問題，包括巖體的二次應(yīng)力分布、圍巖壓力的計算等問題，將直接影響地下洞室的設(shè)計與施工工作[1]。

地下開挖之前，巖體中每個質(zhì)點均受到天然應(yīng)力作用而處于相對平衡狀態(tài)。洞室開挖后，洞壁巖體因失去了原有巖體的支撐，破壞了原來的受力平衡狀態(tài)，而向洞內(nèi)空間脹松變形，其結(jié)果又改變了相鄰質(zhì)點的相對平衡關(guān)系，引起應(yīng)力、應(yīng)變和能量的調(diào)整，以達到新的平衡，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。我們把地下開挖后圍巖中應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整而引起圍巖中原有應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用，稱為圍巖應(yīng)力重分布作用或稱為圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。圍巖的二次應(yīng)力分布呈彈性與彈塑性兩種分布形式，《巖石力學》按照由易到難的順序?qū)υ搯栴}進行了講解。通過近幾學期的教學情況看，此部分內(nèi)容涉及大量的彈塑性力學知識及公式推導，大多學生感覺枯燥乏味，導致該部分內(nèi)容教學效果欠佳。下面以“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”為例，分析數(shù)值仿真技術(shù)在《巖石力學》教學當中的應(yīng)用。

1 數(shù)值仿真的實現(xiàn)

1.1 數(shù)值方法的選用[2]

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括三個部分:前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。尤其在分析小變形等彈性力學問題時具有其他軟件無法具有的優(yōu)勢，針對“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”分析，采用ANSYS軟件是合適的。

1.2 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析，當側(cè)壓力系數(shù)為λ=1時

計算模型的尺寸為14m×14m，中間開挖一半徑為1m的洞室。邊界條件:固定左側(cè)水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移，同時在模型右側(cè)與上端施加1MPa的壓力。采用平面應(yīng)變問題進行分析。

(圖1、圖2)分別給出了計算后洞壁周圍圍巖的二次應(yīng)力分布情況，與《巖石力學》教材中圓形洞室的二次應(yīng)力分布狀態(tài)比較后發(fā)現(xiàn)，二者圖形分布一致。切向應(yīng)力隨著r的增大而減小，徑向應(yīng)力卻隨之而增大。當距離洞壁四倍的半徑左右位置時，徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力都趨向于圍巖的初始應(yīng)力1MPa，也就是說，洞室的開挖在此種工況下對圍巖的影響范圍在四倍的半徑范圍之內(nèi)。這一些結(jié)論與《巖石力學》教材中的內(nèi)容是完全一致的。由于劃分網(wǎng)格等問題的影響使得洞壁周邊的徑向應(yīng)力沒有為零，同時洞壁邊緣的切向應(yīng)力也不像理論分析的那樣為2MPa。但是比較數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果會發(fā)現(xiàn)，二者的差別不大，能夠滿足工程計算的精度要求。

1.3 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析，當側(cè)壓力系數(shù)不等于1時

通過1.2節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，采用ANSYS軟件對以上問題的分析是準確可靠的。所以，應(yīng)用ANSYS可以分析當側(cè)壓力系數(shù)不等于1的情況。模型同1.2節(jié)，水平方向的荷載改為0.5MPa即側(cè)壓力系數(shù)為λ=0.5，計算結(jié)果如(圖3、圖4)。從洞壁徑向與切向應(yīng)力分布圖可以看出，此情況下的應(yīng)力分布比側(cè)壓力系數(shù)為1的情況要復雜的多。即便如此，教師可以比較清晰的對圖中應(yīng)力分布的特點進行分析與講解。學生也可以從繁瑣的計算公式中解放出來，對洞壁周邊圍巖的二次應(yīng)力情況有比較深刻的感性認識。

2 結(jié)語

大多的《巖石力學》教材中還對橢圓孔以及其他不規(guī)則空洞問題的二次應(yīng)力分布問題進行了講解，與以上分析的兩種情況相比更加復雜，計算公式更加的冗長。有了數(shù)值模擬方法，我們可以很容易的獲得在不同工況下不同形狀洞室的二次應(yīng)力分布情況。在授課的過程中，還可以給學生講解有關(guān)有限元分析的原理，以及ANSYS軟件的具體操作，使得學生在學好《巖石力學》大綱規(guī)定相關(guān)內(nèi)容的同時，開闊了他們的視野，提高了學習《巖石力學》課程的興趣與積極性。同時，為以后學生進入更高層次階段的學習打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]沈明榮，陳建峰.巖體力學[M].上海:同濟大學出版社，1999.

[2]尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2006.