基于數值試驗的巖石力學教學模式改革

鄔忠虎 婁義黎

摘? 要：隨著數值模擬技術的發展，數值試驗已成為第三種科學研究方法，探究如何將數值試驗技術引入高校學科教學顯得尤為重要。文章通過巖土工程領域的常用軟件RFPA對頁巖進行了力學特性和破裂損傷過程分析，充分證實了RFPA可以極大地促進學生對巖土工程課程理論的理解，且其操作簡單方便，在巖土工程領域應用較廣。因此，將其引入到高校學科教學中符合高校教學研究要求，并將推動高校科研建設的發展。

關鍵詞：RFPA;巖土工程;數值模擬技術;教學改革中

圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著科學技術的發展，數值模擬技術已發展成為第三種科學研究方法。數值模擬的出現填補了理論研究和物理實驗在科學研究中的不足，這使得近年來數值模擬技術得以快速發展，并成為許多高校教學必修學科。

自1953年數值模擬技術誕生以來，經過60余年的發展，已發展了許多數值模擬軟件，例如PHREEQC、GEM、ANSYS、ABAQUS、MATLAB、RFPA、DDA、FLAC3D等數值模擬軟件，其中ANSYS、ABAQUS、RFPA、FLAC3D等軟件常用于巖土工程領域^[1-5]。RFPA全稱是Realistic Failure Process Analysis，即真實破裂過程分析方法，RFPA是由唐春安教授最先研發并使用的，它考慮了天然巖體的非連續、非均質、非彈性、各向異性，這使得它在巖土工程領域被大量應用^[6-8]。

物理實驗雖然是巖土工程中的重要方法，但其苛刻的實驗條件使得很多高校無法做到讓每名學生都能做到不同的物理實驗。而數值模擬技術的出現可以很好地彌補這一點，學生只需有一臺筆記本電腦就能輕松完成各種數值模擬，促進完善學生對巖土工程知識的學習。本文以頁巖力學特性和破裂損傷過程分析為例，通過RFPA2D-DIP對頁巖進行了直接拉伸模擬，探究了RFPA在巖土工程領域中的應用及重要性。

一、RFPA原理介紹

RFPA2D-DIP是大連力軟科技有限公司研發的巖石破裂軟件，該軟件可進行單軸拉伸、單軸壓縮以及三軸壓縮等數值模擬。在建立數值模型時基于以下假設條件進行^[9-10]。

1. 將材料的非質性參數引入到計算單元，宏觀破壞是單元破壞的積累過程。

2. 認為單元性質是線彈-脆性或脆-塑性的，單元的彈模和強度等其他參數服從某種分布，如正態分布、韋伯分布、均勻分布等。

3. 認為當單元應力達到破壞的準則發生破壞，并對破壞單元進行剛度退化處理，故可以以連續介質力學方法處理物理非連續介質問題。

4. 認為巖石的損傷量、聲發射同破壞單元數成正比。

RFPA-DIP中采用了損傷本構模型，外力作用下單元破裂損傷后的本構關系可以如下表示^[11-12]。

E=（1-D）E₀，? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，E為單元損傷后的彈性模量;E₀為單元的初始彈性模量;D為單元的損傷變量。

單軸拉伸作用下的損傷本構關系如圖1所示，當拉伸應力超過單元的單軸拉伸強度時，單元將發生拉伸破壞，在拉伸應力作用下單元損傷演化方程可以表示為：

式（2）中，ε_t0為單元彈性極限對應的拉伸應變;ε_tu為單元的極限應變。