有限元數值模擬技術對土木工程專業巖石力學課程教學的促進作用研究

高 敏

（安徽理工大學土木建筑學院 安徽 淮南 232001）

由于中國經濟發展和擴大內需的需要，地鐵、公路與鐵路交通、市政、水利水電、油氣勘探開發等與巖土工程及地下工程相關的基礎建設快速發展，高等學校土木工程專業巖土工程方向人才培養面臨新的挑戰。巖石力學是高等學校土木工程專業基礎課，是一門緊密結合生產實際并促進相應工程不斷發展的課程，課程培養方案的合理與否，直接影響到學生的實踐及應用能力。一方面，巖石力學的理論性較強，常規教學主要以老師書面講解，多媒體、板書等相結合特點，學生難以對相關理論深刻理解；另一方面，限于室內試驗及現場實踐局限性，學生的視野與創新能力難以得到進一步的拓展和增強，因此，亟須增加和豐富相關的課堂教學資源。

近年來計算機數值仿真模擬技術在巖土工程領域應用得到不斷發展，數值模擬仿真技術具有一系列的優點，如較強的通用性、靈活性及可重復性等。由于許多重要信息在常規實驗室中難以觀測獲取，此時可以通過數值計算得到。王述紅[1]等利用計算機數值模擬方法實施巖石力學數值實驗，自主研發了巖石力學破壞過程分析系統，對巖石力學實驗進行輔助教學，并取得了較好的教學效果；戰玉寶[2]對巖石力學課程中的相關問題進行了數值模擬分析，驗證了數值模擬技術能夠豐富課堂教學內容；張曉君[3]等將數值模擬技術演示于課程教學中，不僅提升了課堂教學效果，而且使學生了解和掌握到更多巖石力學領域的知識和信息；趙寶玉[4]等將數值仿真技術運用到巖石力學實驗教學中，介紹了在巖石力學實驗教學中運用數值仿真技術的步驟。

數值仿真技術不僅能夠重現巖石力學行為的室內實驗現象，而且能夠模擬力學行為復雜的實際巖土工程[5]。通過理論聯系實際，結合具體工程，運用數值模擬方法再現實際工程并應用于巖石力學課程教學中，筆者探索了采用數值仿真技術輔助巖石力學課程教學的思路。

1 巖石力學課程教學中存在的相關問題

1.1 巖石力學課程具備的特點

巖石力學是研究在各種力場的作用下巖體變形與破壞規律的理論和科學，也是解決巖石工程技術問題的理論基礎，具有重要的工程應用價值。巖石力學蘊含深奧的力學原理，主要運用力學原理和方法以及地質學原理來研究巖體力學行為，課程對學生的力學基礎要求較高。巖石力學研究內容較為廣泛，其研究對象通常處在較為復雜的工程環境系統下。因此，巖石力學研究過程中無法對研究對象逐一孤立，像其他自然科學那樣得到普遍和精確的結果與規律。復雜環境下巖體的力學特性，需要涉及多個學科和領域，如斷裂力學、損傷力學、彈塑性力學、地球物理學以及構造地質學等，這對巖石力學課程教學提出了極大的難點和挑戰。

巖石力學理論是在解決具體巖體工程問題中凝練而成，其力學特性和規律也是基于大量試驗，通過歸納總結得出的。目前巖石力學相關工程主要以工程經驗為主，輔助力學相關理論加以指導，且該學科目前仍處于不斷發展與完善之中。由此，在巖石力學課程的教學過程中可以根據課程特點，有針對性地培養學生的實踐能力和創新意識。當前與巖石力學相關的工程建設廣泛興起，國家基礎建設規模不斷擴大，為適應巖石力學相關工程建設和發展的需求，傳統的巖石力學課程教學模式有必要進一步改進和完善，以理論教學為主導，不斷強化實驗教學和實際工程應用。

1.2 巖石力學課程教學主要存在問題

1.2.1 教材陳舊，內容落后缺乏生動性

目前，普通高校適用的巖石力學教材，內容多滯后于當今巖石力學與地下工程的實際發展水平。近年來，大量重大巖土工程的建設，如南水北調、青藏鐵路、西氣東輸、CO2咸水層封存、能源地下儲備、核廢料地下儲存等工程對巖石力學專業人才的培養提出了更高的要求，出現了越來越多的新問題，巖石力學教學內容的陳舊與落后更加明顯。當前巖石力學教學多利用多媒體課件，輔助板書，并以少量的室內試驗相配合，這種教學模式一直持續了十多年，教學模式陳舊，學習效率一般，難以對該課程有較深刻的認識。

1.2.2 巖石力學實驗設備不足、設備陳舊

目前國內大部分開設土木工程專業的高校還存在實驗設備不足、試驗場地缺乏等問題，特別是巖石力學課程實驗，對實驗設備的要求遠高于土力學。另外，部分高校將巖石力學課程課時設置為選修課程，這將直接影響課程教學的安排以及學生對課程的重視程度。

1.2.3 教學內容繁雜

巖石力學課程內容繁雜、理論性強，涉及學科廣，易使學生產生畏難心理和厭學情緒，不利于教學的開展，學生也很難對課程內容有一定程度的把握。另外，我國高等學校所屬領域和行業部門不同，致使各高等學校相關巖石力學課程教學內容過于行業化，課程教學服務對象相對單一，課程內容設置針對性較強，通常只介紹本行業的相關知識，而忽略邊緣學科和交叉學科的介紹，導致學生的知識結構和層面相對較窄，為學生解決實際工程問題帶來困難，同時也不滿足國家提倡的復合型人才培養要求。

1.2.4 與工程實踐脫節

隨著巖石力學基礎理論不斷發展，被廣泛應用于隧道工程、采礦工程、石油工程、交通、海洋等工程，規模越來越大，對相關技術人才的專業素養要求越來越高。巖石力學的誕生和快速發展說明了該課程具有較強的實踐和應用性質，高校應該制訂相應的實踐教學計劃，讓學生將課堂理論知識用于實踐，發現和解決實踐工程中存在的問題，體會課題與實踐之間的區別與聯系。目前，大部分高等學校培養土木工程巖石力學相關方向專業人才所采用的教材內容、教學手段和方法與實際工程和現場應用之間仍存在一定差距，不能滿足不斷變化的工程需要，這對專業老師的知識面提出了更高的要求，在教學中不斷吸收新理論、新方法并結合實踐，將學科所遇到的新技術、新方法、新裝備以及出現的各類新問題介紹給學生。

2 數值仿真技術輔助巖石力學教學改革探索

應用于巖土與地下工程領域的數值仿真軟件有多種，如FLAC3D、ABAQUS、COMSOL等，不同的數值仿真軟件側重點不同，可根據使用范圍和學校自身條件選擇，也可以多種軟件結合使用。數值仿真技術是將相關的原理、方法和應用與模擬軟件虛擬的實驗儀器、實驗環境等有機結合，有利于實現理論教學與實驗教學的有機統一。

2.1 數值仿真技術的優點

在理論與工程實踐結合方面，數值仿真技術可將理論教學、實驗教學與工程應用有機統一，在很大程度上改進了傳統的教學模式，培養了學生利用專業數值軟件解決實際工程問題的能力，可有效提高高等院校人才培養的水平和層次。數值仿真軟件能夠較好地再現實驗教學過程，對常規試驗的試驗目的和現場進行預演，并與課堂理論教學相結合，采用理論知識解釋數值仿真結果，使學生對實驗教學過程有更好的把握與準備，從而對巖石力學課程基礎理論有一個更深刻的理解。另外，數值仿真軟件也能在接近實際的程度下模擬巖石力學工程中的巖體受力、變形、破壞等問題，在一定程度上拉近了學生與實際工程的距離，通過各類云圖、曲線以及動畫演示工程活動全過程，讓學生親自面對問題，更好地促進知識的掌握與鞏固，激發學生解決問題的興趣。

2.2 數值模擬實例分析

巖石力學課程理論內容比較枯燥，學生聽課和學習的興趣普遍較低，積極性也較差。采用數值仿真技術輔助課堂理論教學，具有創新性、直觀性及綜合性等特點，讓學生對復雜的巖石力學理論知識建立感性的認識。為了讓學生更好地理解巖石地下工程圍巖應力求解以及圍巖應力的演化機理，以某泥巖隧道施工過程中的圍巖應力演化為例[6]，選用有限元軟件進行數值仿真，該軟件可以模擬巖石隧道開挖過程中的圍巖應力重分布過程，使學生學習更加直觀。

先建立均勻泥巖材料的隧洞開挖數值模型，隧道埋深220m，數值模型長度方向140m，深度方向120m，如圖1 所示，然后施加相應的邊界條件和初始地應力條件。數值仿真過程按如下過程進行：第一步為初始地應力場計算；第二步為隧道開挖支護，添加襯砌和超開挖體材料，進行二次應力重分布計算，由于施工過程相對較短，暫不考慮襯砌向洞內的滲水能力。

圖1 隧洞開挖過程數值計算模型

圖2 為計算所得的圍巖孔隙水壓力分布圖。通過演示，直觀地呈現孔隙水壓力在隧道開挖前后的分布與變化情況。

圖2 圍巖孔隙水壓力分布圖（單位：Pa）

圖3 為開挖后圍巖二次應力及擾動區分布圖，可以給學生呈現隧道圍巖應力集中、二次分布、圍巖變形以及開挖擾動區形成機理等關鍵問題，這樣復雜的巖石力學工程是不可能在現場觀測得到的，因為地下工程是隱蔽工程，二次應力的分布、擾動區的形態及范圍必須通過相關的現場監測并進行反饋分析才能間接地獲得。

圖3 開挖后圍巖二次應力及擾動區分布圖

通過在巖石力學課程中引入數值模擬技術，課堂理論教學與數值模擬技術相結合，交互式學習過程更加形象直觀，同時具有豐富的圖文并茂信息，使課堂理論教學尤為生動形象，可以讓學生更加直觀的感受數值模擬帶來的效果，激發了學生理論學習的主動性和好奇心，進而獲得更多巖石力學理論與工程實際現象的內在聯系的知識。

2.3 巖石力學課程教學改革初探

本文針對上述巖石力學課程教學過程中存在的相關問題，提出巖石力學課程教學改革的幾點思考。巖石力學教學要以教學內容改革為核心，以數值仿真技術為輔助手段，對傳統的教學模式和教學方法進行改革，探索適應新時代巖石力學發展和工程實際要求的教學方法。

2.3.1 課程內容與數值模擬案例相結合

在巖石力學實驗教學中，采用專業數值模擬軟件再現實驗過程，激發學生學習巖石力學課程的興趣和積極性。學生通過對數值仿真軟件模擬工程案例的認識和了解，不僅學習了數值仿真軟件的基本步驟，還更加深刻地掌握了課程中的基本概念，如：地下工程施工過程中應力重分布、圍巖穩定性等問題。另外，在數值仿真試驗課上，通過老師與學生之間的相互交流，加深學生對巖石力學理論知識的理解，增強學生的科學探索和創新能力。

2.3.2 增補數值模擬教學課時

許多普通高校在本科階段沒有開設數值模擬相關課程，教師僅簡單地將數值仿真結果以圖片的形式展現給學生，學生對數值模擬很難有一個直觀真實的認識，理解范圍仍然局限在書本。通過增加巖石力學數值模擬教學課時，并根據實際效果合理調整課時，學生親自參與到巖石力學的實踐中來，通過反饋學習的方法來調整教學之間的差距，在這種教學過程中，教師學生均能取得進步。

2.3.3 教學與科研結合，培養學生的實踐能力和創新意識

在巖石力學課程教學過程中，結合教師自身承擔的科研項目，積極主動讓學生參與科學研究，并分配適量的科研任務，激發學生的主觀能動性和科學探索的能力，培養學生的動手能力。負責相關科研項目的教師，可將項目分成不同的部分，以分組的形式讓學生參與進來，可以加深學生對巖石力學理論知識的認識和理解。

3 結語

巖石力學具有理論科學與工程科學的雙重屬性，高校作為人才培養的主要基地，常規教學模式顯然已經不能滿足培養現代化高端人才的需要。伴隨著計算機技術的發展，數值仿真技術大量應用到工程實際中，對輔助巖土工程建設活動的順利開展發揮了不可替代的作用。通過將數值仿真技術推廣到巖石力學課程教學中，有助于課程教學效果的提升，使學生了解到更多巖石力學領域的知識和信息；通過數值仿真軟件模擬相關巖石力學工程案例，培養學生解決和處理問題的綜合能力，極大地改善了授課中不豐富、不全面、不直觀等問題，提升了學生的知識應用能力。