數(shù)值模擬在巖石力學(xué)案例教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要:本文介紹了數(shù)值模擬方法的優(yōu)點，通過一個實例介紹了數(shù)值模擬方法在巖石力學(xué)案例教學(xué)中的應(yīng)用。分析表明，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)課程的教學(xué)中，能夠提高課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習興趣與創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞:巖石力學(xué) 數(shù)值模擬 案例教學(xué)

中圖分類號:G64文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2012)03(a)-0099-01

巖石力學(xué)是高等學(xué)校土木工程、水利工程、工程力學(xué)、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。課程培養(yǎng)方案均要求學(xué)生深刻理解巖石力學(xué)理論，并能夠聯(lián)系實際解釋巖石工程失穩(wěn)、破壞等相關(guān)問題。要培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才，還有一個重要的環(huán)節(jié)就是工程案例教學(xué)。只有學(xué)生接觸了大量的工程案例，才能逐漸培養(yǎng)其動手及設(shè)計能力。目前國內(nèi)大多數(shù)高等院校的實驗教學(xué)都存在學(xué)生人數(shù)、課時和試驗室條件的約束，對于一些和實際接觸緊密的工程案例，一般的實驗室內(nèi)的物理模型實驗是不能滿足要求的，所以需要尋找先進的教學(xué)方法與手段來提高工程案例教學(xué)的效果。

1 數(shù)值模擬方法的優(yōu)點

(1)可以預(yù)演常規(guī)教學(xué)試驗。在進行教學(xué)試驗之前，安排適當?shù)臄?shù)值模擬試驗，可以對常規(guī)教學(xué)試驗的試驗?zāi)康?、現(xiàn)象進行一定程度的預(yù)演，使學(xué)生對常規(guī)試驗有更加全面的把握與準備。然后再到實驗室進行試驗，可以達到很好的試驗教學(xué)效果。

(2)可以對教學(xué)重點、難點進行詳細的講解。對課程中的重點與難點(比如巖石力學(xué)在地下硐室、邊坡及巖石地基中的應(yīng)用等)，通過形象的圖形演示，使學(xué)生理解透徹，并且認識深刻，不易忘記。

(3)擴大學(xué)生專業(yè)知識面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習熱情與創(chuàng)造力。通過數(shù)值模擬試驗的實施，學(xué)生對有限元等數(shù)值模擬技術(shù)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習興趣，并可以對有關(guān)知識所存在的疑點、難點加以驗證，從而更好的促進知識的掌握與鞏固。

(4)能夠培養(yǎng)學(xué)生利用工具軟件解決現(xiàn)實問題的能力，提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)的水平和層次。同時為進入研究生階段學(xué)習的學(xué)生的進一步深造打下堅實的基礎(chǔ)。

2 工程案例教學(xué)實例分析

在山東濱海某礦坑礦區(qū)采場坑口地勢較為平坦，標高為＋3m，上口尺寸為1100×390m，分東西兩個采場。東部采場的最終坑底標高東坑為-170m，最終邊坡的最大高度為173m，總體邊坡角47°，基巖邊坡的總體邊坡角為50°。西部采場的最終坑底標高為-119m，最終邊坡高度為122m。該礦坑深度和邊坡角度均較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，由于邊坡較陡，為防止上部第四系地層的滲水，在坑頂設(shè)置了截滲墻。金礦在開采過程中，北幫邊坡即出現(xiàn)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害，局部已呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。在礦坑停止采礦后，由于雨水浸泡，在近期仍不時發(fā)生邊坡滑移。

要判斷邊坡穩(wěn)定性，常用的經(jīng)典方法有瑞典條分法、畢肖普法及非圓弧滑動而分析等，這些方法計算步驟復(fù)雜，計算量大，計算時間長。為了學(xué)生能夠更好地、簡便地掌握這些知識點，可以利用ANSYS軟件，在課堂上對邊坡穩(wěn)定性進行分析，這樣即提高學(xué)生學(xué)習的興趣，并能使學(xué)生更好地掌握知識點，激發(fā)學(xué)生鉆研的積極性。

本次實例分析是在大型有限元軟件ANSYS9.0上進行的。用D-P材料模擬，為了便于分析，將實際問題簡化為平面應(yīng)變問題。為了減少邊界條件的影響，計算模型豎直方向從坡底向下延伸50米，水平方向取300米。在模型兩側(cè)施加X方向的約束，在模型的底部施加Y向約束。

部分斷面計算結(jié)果如圖1所示，從圖中可以清晰的看到邊坡的位移方向與大小，還可以從塑性應(yīng)變圖上看出邊坡破壞面位置。同時，通過ANSYS軟件中的相關(guān)命令，可以在課堂上給學(xué)生演示邊坡變形失穩(wěn)的全過程，可以根據(jù)需要，得到工程中想要分析的相關(guān)問題的結(jié)果。結(jié)合多媒體的演示，可以讓學(xué)生對和邊坡有關(guān)的相關(guān)問題有一個全面的了解，同時可以增加學(xué)生對該軟件的好奇感，提高學(xué)生的學(xué)習興趣。

3 結(jié)語

毋庸諱言，物理模型試驗的弱點非常的明顯，如改變方案、調(diào)整參數(shù)困難，試驗研究難度大、費用高，有尺寸效應(yīng)等等。數(shù)值模擬方法當前應(yīng)用很廣，與試驗方法相比有明顯的優(yōu)點:成本低、時間短、重復(fù)性高、靈活性強。我們可以充分利用數(shù)值模擬的優(yōu)點，在巖石力學(xué)教學(xué)過程中引入該方法提高教學(xué)效果。數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了常規(guī)實驗無法實現(xiàn)的復(fù)雜工程的分析，因此，數(shù)值模擬試驗將是巖石力學(xué)實驗教學(xué)及工程案例教學(xué)的一條新路。同時，數(shù)值模擬方法結(jié)合多媒體及其他先進的手段應(yīng)用在教學(xué)中，在學(xué)生工程經(jīng)驗缺乏的情況下，最大限度的提高學(xué)生學(xué)習的興趣，使學(xué)生掌握更多的知識點，開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

致謝:感謝山東科技大學(xué)泰安校區(qū)(泰山科技學(xué)院)創(chuàng)新工作資助基金項目(項目編號:cxj1106)對本文的支持。