谈ANSYS 在开放教育工程地质课程教学中的应用

王正一

(河南广播电视大学，河南郑州 450003)

1 工程地质课程教学现状

《工程地质》是中央广播电视大学“开放教育试点”工学科土建类土木工程专业建筑管理课群组的一门统设必修课。本课程3学分，课内学时54，开设一学期。本课程是一门与工程实践密切相关的专业课。学生通常在学习完建筑材料和建筑力学等课程后学习这门课，工程地质主要内容包括岩石、地下水等基本概念和基本理论，常见地质灾害如滑坡、泥石流、地下隧道岩爆等复杂工程地质问题。使学生为后续课程如桥梁工程、地下工程等的学习打下基础，也为学生在工作中如工民建、道桥、隧道等实际工程施工中提供理论参考，培养学生的创新意识。

开放教育的学生主要通过观看网上视频课件、阅读文字资源、BBS论坛提问等方式进行自主学习，学生上面授课的机会很少。对于工程地质等实践性较强的课程本身就很难理解，特别是在地下工程中，如塌顶、岩爆等复杂工程地质现象在讲解时，利用传统的纯理论讲解方法很难给学生讲清楚。不但会影响本课程的教学效果，而且学生在学习过程中也难以理解和掌握。因此有必要进行改革，使这门课程的教学与工程实际相结合，使开放教育教学与计算机模拟技术深度融合。在工程地质教学过程中利用传统教学媒体的同时与ANSYS(有限元分析软件)数值仿真技术紧密结合，充分发挥现代信息技术远程教学的优势，使学生在学习理论知识的同时和工程实践相联系，有助于学生学好这门课，达到预期的教学效果。本文以岩爆的形成过程为例进行理论分析和数值模拟教学［1］。

2 岩爆的形成过程理论分析

“岩爆”就是洞室在开挖中，围岩偶尔会以爆炸的形式为表象，弹出透镜体碎片和岩块等，同时发出类似射击的僻啪响声。一般情况下，轻微的岩爆只有剥落岩片并没有弹射，但是严重的岩爆可测到较高的震级，同时伴有巨大的声响。岩爆具体发生的时间并不确定，有时会瞬间发生，有时也会持续几天乃至好几个月。

岩爆多发生在深度大于200 m，250 m的洞室中;有时深度不大，甚至在采石场或露天开挖中也可发生岩爆。岩爆本质上是在一定地质条件下，围岩弹性应变能的高度而迅速集中、而又突然剧烈释放有关的过程。

通常在开挖洞室过程中，坚硬且没有明显微裂纹或微裂纹没有贯通的弹脆性岩体，围岩的变形并不明显，而且完成此变形的时间也较短;当应力解除时，岩体的体积会迅速增大;围岩表面上的裂缝和空洞会突然缩小。因此岩爆对地下工程常造成的危害是非常大的，轻者会造成支护破坏巷道倒塌，严重情况下，会造成较大的人员伤亡和财产损失。

引起工程岩体破坏的影响因素有很多，如岩体本身的特性、工程加荷与卸荷、天然应力状态、围限压力及温度效应、地下水作用和时间等因素的综合作用造成了岩体的最终破坏;岩体一般有剪切破坏和拉断破坏两种形式。在高地应力作用下，埋深较大的岩石隧道，岩爆主要受自重应力控制，因此发生的岩爆较强烈，有研究表明岩爆的形状常为“V”形三角坑，且呈小阶梯状［2］，与洞口边界成一定的夹角，如图1所示。

图1 岩爆“V”形三角坑示意图

3 岩爆破坏过程数值模拟

岩爆破坏过程数值模拟模型采用岩石弹脆性细观斑图损伤模型，数据参照实际工程选取。参数如表1所示，模型如图2所示。

表1 岩爆数值模拟选取参数

图2 岩爆数值模拟模型

通过ANSYS参数化程序，模拟了“V”形岩爆的孕育过程，直观的展现出了岩爆的破坏过程，黑色斑点表示破坏单元，如图3所示。

由以上数值模拟结果可以形象直观的看出:小自重应力作用下，破坏不明显，几乎没有微单元破坏，如图3，N10所示;当深度增加时，自重应力也会逐渐增大，因此达到破坏的微单元就会逐渐增多，如图3，N50所示;当随着多个破坏点的不断出现，最终由点变成线就会贯通岩石形成破坏面，如图3，N72所示;随着破坏面的形成，不同角度的破坏面和岩石界面相交，最后形成“V”形三角坑，如图3，N151所示。

图3 “V”形岩爆形成过程

此时，当岩石破碎所消耗的能量小于巷道围岩储存的弹性应变能时，岩石碎片和颗粒就会从岩壁突然飞崩出来形成岩爆［4］。

4 岩爆的数值模拟教学效果

通过将弹脆性岩石的细观损伤演化模型结合工程实践，形象直观的模拟了三角形岩爆的演变发生过程和其基本特征，同时与开放教育专业课工程地质的课堂教学相结合，使学生对岩爆的形成过程有了更加直观、形象和深刻的认识，对于学生在实际工作中遇到类似问题进行现场分析和处理提供了一定的参考，提高了学生分析问题解决问题的能力。

将工程地质的课堂教学与工程实际和现代计算机技术相结合，利用ANSYS的强大数值模拟功能，把复杂难懂的地质问题通过图片清晰明了的展现出来，让教学手段现代化，把抽象问题具体化，使学习难点简易化，提高了学生的学习兴趣，使学生在学习理论知识的同时对工程实践也有所了解，提高了学生的学习效率，达到了较好的教学效果［5］。

［1］王正一.脆性材料强度理论的数值教学［J］.山西建筑，2013，39(26):250-251.

［2］徐林生.川藏公路二郎山隧道高地应力与岩爆问题研究［D］.成都:成都理工学院博士学位论文，1999:51-60.

［3］王 利，阚永明，高 谦，等.岩爆孕育和发生全过程数值研究［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2010(5):55-57.

［4］王正一.弹脆性岩石损伤演化的细观数值研究及工程应用［D］.郑州:河南理工大学，2009:53-58.

［5］王正一.浅谈ANSYS在开放教育混凝土结构设计原理课程教学中的应用［J］.河南广播电视大学学报，2013(2):59-60.