数值仿真技术在岩石力学实验教学中的应用

赵宝云，刘东燕，董倩，黄林青，吴同情

“岩石力学”是高等学校土木工程、水利工程、石油工程、采矿工程等诸多专业的方向限选课，这是一门实践性很强、紧密结合生产实际的课程。教学大纲要求，使学生深刻理解岩石力学理论，并能够联系实际解释岩石工程失稳、破坏问题。石油工程类专业的岩石力学课程实验，除了单轴压缩试验、常规三轴试验、劈裂试验以及三点弯曲试验等反映岩石破裂与失稳的基本力学性质试验外，还包括水压致裂、井壁失稳等实验。岩石力学基本力学特性实验可在校内实验室完成，而水压致裂等涉及石油工程岩石力学问题的实验，在普通实验室则难以实现。不过，如果能将数值仿真技术运用于实验教学中，则可以解决这个问题。

随着数值方法及计算机程序的发展和进步，ANSYS、FLAC3D、ABAQUS、RFPA 等一 些优秀 的 数值仿真技术软件已经在岩石力学研究中得到应用。在实验教学中，运用数值仿真技术再现岩石材料的破坏现象，既保留了物理实验直观性的优点，又可克服室内实验观测难、重复费用高、周期长、不易实现等缺点，还能够得到许多在实际试验中观察不到的重要信息，如水压致裂过程中的应力变化与破裂进程等。当前大多数仿真软件具备可视化技术及动画技术，这也可以使枯燥乏味的实验教学变得更加灵活生动，激发学生探索科学奥秘的兴趣。

一、数值仿真技术模拟岩石力学问题的过程

与真实的岩石力学试验机相比，运用数值仿真技术模拟岩石力学问题，具有使用灵活、简单方便等优点，可以大大降低实验成本。模拟过程分为以下几个步骤：

（1）研究分析对象，明确计算目的和拟解决的关键问题，选择数值方法与仿真技术软件，确定建模方案。

（2）建立计算模型，并确定参数。岩石不是一种各向同性材料，不但应力水平影响它的性能，其受力过程或应力路线也会影响它的应力—应变关系。在建模时，应根据工程实际确定本构关系，给模型赋以相应的力学参数。力学参数往往来源于现场或者试验。

（3）确定边界条件与初始条件。岩石力学问题一般都涉及初始条件，如初始地应力等，应根据实际情况确定适当的初始条件。

（4）确定模拟荷载及荷载的动态变化。

（5）确定计算的收敛评判依据。

（6）考察各环节简化的合理性，发现不合理，则应调整建模及有关计算模型与参数。

（7）确定后处理方法及成果整理的内容与分析方案。

二、水压致裂实验举例

为了让学生更好地理解岩石在注水作用下内部裂缝演化的机理，以石油开采过程中水压致裂实际情形为例，选用RFPA2D试用版软件进行数值仿真模拟演示。该软件可以模拟岩石破裂的真实过程，便于学生观测学习。

先建立一个均匀材料的模型（均质度为100），再建立一个非均匀材料的模型（均质度为3）。数值模型采用二维平面应力薄板模型，如图1所示。

试样模型尺寸为 100 mm×100 mm，孔径为5 mm。网格划分为 100×100个基元。整个加载过程采用压力加载方式。孔压增量 △p=1Mpa，水平压力ph=10 Mpa，垂直压力 pv=40 Mpa，孔内初始压力为10 Mpa，控制步数为 50步。

图2为计算过程中岩石的破裂图。通过演示，直观地呈现岩石在高压注水情况下不同时刻的破裂情况。图3为岩石断裂后水流矢量图，可以给学生呈现真实的水流量变化。

图1 数值仿真模拟示意图

图2 岩石破裂过程

图3 岩石破裂后的水流矢量

在岩石力学实验教学中，运用数值仿真技术模拟呈现岩石力学问题，可极大地激发学生的学习兴趣，同时可以使学生加深对岩石力学问题的认识，提高学生理论水平和实践技能。

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