數字巖芯仿真技術在巖石力學課程教學實踐和人才培養中的應用

宋睿 鄭立傅 田均

摘? 要：巖石力學是研究巖石在外界因素（如荷載）作用下的變形及破壞特性的學科，是土木、石油工程等專業的一門必修基礎課程。傳統巖石力學課堂教學中，學生難以對巖石內部變形-破壞過程，以及巖石內部應力分布等現象形成直觀的認識。為了改善這一不足，文章提出了一種結合微尺度模型重建及數值仿真的新型課堂教學方法。以某砂巖CT圖像重建模型為例，文章詳細介紹了利用ANSYS軟件開展巖石變形仿真分析的課程應用案例設計。該方法可以實現巖石內部變形-破裂的可視化仿真，從而加深學生對課程內容的理解，激發學生興趣，有效提高巖石力學課程的教學質量。

關鍵詞：數字巖芯;仿真分析;微觀變形;巖石力學;課程設計

中圖分類號：C961? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）06-0156-03

Abstract： Rock mechanics is a discipline that involves in the deformation and failure characteristics of rocks under external factors （such as loads）. It is a compulsory course for civil engineering and petroleum engineering， etc. In the traditional classroom teaching， it's difficult for the students to gain an insight on the deformation-crack process， and the distribution of the stress internal the rock. To improve these shortcomings， this paper proposes a new design of classroom teaching using micro-scale reconstructed model and numerical simulation. Taking the reconstructed model from micro- CT image of sandstone as an example， the application cases of rock deformation simulation analysis using ANSYS software are presented detailly. This method can realize the visualized simulation of the internal deformation-crack of rock， which will increase the students' interest in learning， and promote the teaching quality of the rock mechanics course as well.

Keywords： digital core; simulation analysis; microscopic deformation; rock mechanics; course design

巖石力學是一門綜合了工程力學、斷裂力學、地質工程、以及環境工程等多學科交叉的工程學科。巖石力學類課程是泛土木工程類及能源礦產類專業的一門必修課程，主要目的在于讓學生了解巖石基本性質（組成、應力、強度及變形），掌握相關測試、計算及分析方法，具備初步解決巖石力學實際問題的能力。傳統的巖石力學課堂教學中，教師主要通過多媒體課件完成相關內容的講授，室內實驗也以演示為主。然而教學實踐表明，學生往往難以參與其中，導致學生課堂興趣不高，教學效果自然也不理想。因此，如何提高學生在巖石力學類課程教學中的參與度，從而提高課程教學效果對于培養高素質的巖石力學人才具有重要意義[1-2]。

然而，巖石力學相關課程的公式多且推導過程復雜，課堂計算練習局限于巖石簡單受力分析及工程的穩定性評價。對于巖石力學性質的研究，主要通過傳統室內力學實驗，如單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂、拉伸等。受限于以上實驗的安全性及可操作性，并不是每一位學生都能參與實驗，同時巖石內部的應力分布情況也無法直接觀測;而視頻教學又無法控制巖石模型尺寸及力學參數，限制了高校巖石力學類課程的教學效果。

近年來，隨著微觀成像及計算機技術的發展，CT掃描技術逐漸應用于巖石力學領域，研究者可以通過微CT成像獲得巖石微/納米級圖像，經圖像處理后重構三維數字巖芯模型，開展巖石微觀力學特性數值仿真研究[3]。本文以巖石微觀圖像處理、數字模型重構、微尺度單軸數值仿真為例，緊密結合巖石力學類課堂教學，將巖石受力及其變形情況進行三維可視化，加深學生對各個層面知識點的理解，以達到提升巖石力學類課程教學效果的目的。

一、數字巖芯及數值仿真技術簡介

（一）數字巖芯技術

數字巖芯技術是利用高分辨率的CT成像系統獲得巖芯的微/納米級圖像，通過圖像可以直觀地觀察巖石的微觀結構，包括孔隙大小、孔隙連通性，礦物分布與膠結特征等。通過降噪、濾波及分割等一系列圖像處理，提取巖石的孔隙、骨架以及礦物，然后采用相關軟件建立可用于后續數值仿真計算的有限元模型。

（二）數值仿真技術

數值仿真技術主要是采用數值計算方法再現已知的巖石力學現象，進而結合仿真結果對實驗中觀察到的巖石力學行為進行解釋[4]。巖石力學課堂教學中的巖石力學性質正是對已有結論的講解與分析，學生卻缺乏對已知力學現象的直觀認識，而數值仿真技術可以有效彌補這些不足。本文采用ANSYS軟件開展微尺度巖石單軸壓縮數值仿真計算，讓學生直觀地通過云圖觀察巖石內部的應力分布與變形，進而激發學生的探索興趣，提升教學效果。

二、數值仿真技術在巖石力學課程中的教學設計

本節結合教學實例詳細分析巖石微觀圖像處理及三維模型重構和數字巖芯單軸壓縮數值仿真在巖石力學課程教學中的應用。

（一）巖石微觀圖像處理及三維模型重構

利用CT成像技術獲取巖石微觀圖像，如圖1（a）所示（分辨率4.326μm/pixel，400×400×400像素）。采用Avizo軟件進行圖像濾波及分割處理，根據骨架和孔隙的灰度值差異，分別提取巖石骨架與孔隙，如圖1（b）所示（黑色代表骨架，白色代表孔隙），該二值化圖像可以加深學生對巖石骨架和孔隙結構特征的認識。因為外部荷載作用于巖石骨架，所以在巖石變形中往往通過構建巖石骨架的有限元網格模型進行數值仿真。本節基于有限元網格與圖像像素點一一對應的思想建立了巖石骨架的有限元網格模型，如圖1（c）所示。基于重建的模型開展巖石變形分析教學，使學生綜合運用專業知識、軟件知識以及分析方法等綜合技術理解并掌握巖石微觀結構特征，開拓學生的視野，拓展學生的思維，提高學生的創新能力。

（二）單軸壓縮數值仿真研究

1. 邊界條件

以模型S1為例，開展巖石單軸壓縮數值仿真分析，將重建的巖石骨架有限元網格模型導入Workbench軟件進行靜力學分析。邊界條件設置（圖2）參照室內實驗，采用位移控制，下表面施加固定約束條件，上表面位移加載，通過數值仿真強化學生對傳統力學實驗加載方式的掌握。

2. 應力場分析

圖3所示為巖石應力分布云圖，圖中可以看出巖石不同區域顏色不同，表明巖石應力分布不均勻。由于上表面為位移加載，出現了應力集中現象。隨著位移的增大，巖石受到的力也越來越大。傳統室內力學實驗學生難以了解巖石不同區域的應力分布情況，而采用仿真技術學生可以直觀地觀察到巖石各區域受力大小及加載面的應力集中現象。

3. 位移場分析

圖4為不同時間步巖石位移變化云圖，從圖中可以看出在位移邊界條件下，根據位移的大小可以劃分為多個變形帶，巖石表現出整體平移的特征，并且在各變形帶之間出現了較小的拱形變形。位移控制下的單軸壓縮最終破壞模式在實驗中可以觀測到，但是理論上的變形與破壞過程中的位移演化是傳統巖石力學實驗難以觀測到的。然而，數值仿真技術可以通過三維可視化的數字巖芯模型展現出來，學生可以根據實際操作的反饋信息來形成對理論的認識，從而激發學生勇于探索的好奇心，實現自我學習及對未知現象的探索。

4. 塑性應變場分析

圖5為塑性應變場云圖，在該階段表明巖石已經由彈性變形階段進入到塑性變形破壞階段，隨著時間的增加，可以看出巖石內部出現的塑性破壞區域越來越大，X形共軛塑性剪切帶逐漸形成（圖中圓圈所示），課堂教學中學生對于X形剪切帶概念及形成原因都已熟稔于心，卻難以直觀體會其演化過程，而數值仿真技術可以再現X形剪切帶演化過程，有效彌補傳統課堂教學的不足。采用數值仿真技術提高了教學的靈活性和生動性，提高了學生學習的主動意識，強化了學生對巖石力學理論、實驗現象、數值仿真內在聯系的認識。

三、結束語

本文利用CT掃描及圖像處理技術重建了巖石骨架有限元網格模型，結合ANSYS軟件開展了微尺度巖石單軸壓縮數值仿真，論述了數值仿真技術在巖石力學教學中的應用。結果表明，數字巖芯技術能夠實現巖石微觀結構的三維可視化，加強學生對巖石微觀結構特征的認識，同時數值仿真技術使學生對課堂教學中的巖石力學實驗現象（應力集中、X形共軛剪切帶）有了更深刻的記憶與了解，從而彌補了傳統巖石力學課堂教學空洞說教的不足，激發學生的學習興趣，提高教學效果。

參考文獻：

[1]王登科，李文睿，左偉芹.巖石力學基礎課的案例教學法探討與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2019，1269（01）：32-34.

[2]王述紅，唐春安，朱萬成，等.數值試驗在巖石力學實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2003（6）：140-143.

[3]宋睿，崔夢夢，鄭玲靜.數字圖像重建技術在巖石滲流類課程教學中的應用[J].科技創新導報，2017（30）：238-242.

[4]楊平，鄭智敏，劉琛.高職道橋施工虛擬仿真實踐教學的教學設計策略研究[J].高教學刊，2019，98（02）：125-127.