数字岩芯仿真技术在岩石力学课程教学实践和人才培养中的应用

宋睿 郑立傅 田均

摘  要：岩石力学是研究岩石在外界因素（如荷载）作用下的变形及破坏特性的学科，是土木、石油工程等专业的一门必修基础课程。传统岩石力学课堂教学中，学生难以对岩石内部变形-破坏过程，以及岩石内部应力分布等现象形成直观的认识。为了改善这一不足，文章提出了一种结合微尺度模型重建及数值仿真的新型课堂教学方法。以某砂岩CT图像重建模型为例，文章详细介绍了利用ANSYS软件开展岩石变形仿真分析的课程应用案例设计。该方法可以实现岩石内部变形-破裂的可视化仿真，从而加深学生对课程内容的理解，激发学生兴趣，有效提高岩石力学课程的教学质量。

关键词：数字岩芯;仿真分析;微观变形;岩石力学;课程设计

中图分类号：C961         文献标志码：A         文章编号：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

巖石力学是一门综合了工程力学、断裂力学、地质工程、以及环境工程等多学科交叉的工程学科。岩石力学类课程是泛土木工程类及能源矿产类专业的一门必修课程，主要目的在于让学生了解岩石基本性质（组成、应力、强度及变形），掌握相关测试、计算及分析方法，具备初步解决岩石力学实际问题的能力。传统的岩石力学课堂教学中，教师主要通过多媒体课件完成相关内容的讲授，室内实验也以演示为主。然而教学实践表明，学生往往难以参与其中，导致学生课堂兴趣不高，教学效果自然也不理想。因此，如何提高学生在岩石力学类课程教学中的参与度，从而提高课程教学效果对于培养高素质的岩石力学人才具有重要意义[1-2]。

然而，岩石力学相关课程的公式多且推导过程复杂，课堂计算练习局限于岩石简单受力分析及工程的稳定性评价。对于岩石力学性质的研究，主要通过传统室内力学实验，如单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂、拉伸等。受限于以上实验的安全性及可操作性，并不是每一位学生都能参与实验，同时岩石内部的应力分布情况也无法直接观测;而视频教学又无法控制岩石模型尺寸及力学参数，限制了高校岩石力学类课程的教学效果。

近年来，随着微观成像及计算机技术的发展，CT扫描技术逐渐应用于岩石力学领域，研究者可以通过微CT成像获得岩石微/纳米级图像，经图像处理后重构三维数字岩芯模型，开展岩石微观力学特性数值仿真研究[3]。本文以岩石微观图像处理、数字模型重构、微尺度单轴数值仿真为例，紧密结合岩石力学类课堂教学，将岩石受力及其变形情况进行三维可视化，加深学生对各个层面知识点的理解，以达到提升岩石力学类课程教学效果的目的。

一、数字岩芯及数值仿真技术简介

（一）数字岩芯技术

数字岩芯技术是利用高分辨率的CT成像系统获得岩芯的微/纳米级图像，通过图像可以直观地观察岩石的微观结构，包括孔隙大小、孔隙连通性，矿物分布与胶结特征等。通过降噪、滤波及分割等一系列图像处理，提取岩石的孔隙、骨架以及矿物，然后采用相关软件建立可用于后续数值仿真计算的有限元模型。

（二）数值仿真技术

数值仿真技术主要是采用数值计算方法再现已知的岩石力学现象，进而结合仿真结果对实验中观察到的岩石力学行为进行解释[4]。岩石力学课堂教学中的岩石力学性质正是对已有结论的讲解与分析，学生却缺乏对已知力学现象的直观认识，而数值仿真技术可以有效弥补这些不足。本文采用ANSYS软件开展微尺度岩石单轴压缩数值仿真计算，让学生直观地通过云图观察岩石内部的应力分布与变形，进而激发学生的探索兴趣，提升教学效果。

二、数值仿真技术在岩石力学课程中的教学设计

本节结合教学实例详细分析岩石微观图像处理及三维模型重构和数字岩芯单轴压缩数值仿真在岩石力学课程教学中的应用。

（一）岩石微观图像处理及三维模型重构

利用CT成像技术获取岩石微观图像，如图1（a）所示（分辨率4.326μm/pixel，400×400×400像素）。采用Avizo软件进行图像滤波及分割处理，根据骨架和孔隙的灰度值差异，分别提取岩石骨架与孔隙，如图1（b）所示（黑色代表骨架，白色代表孔隙），该二值化图像可以加深学生对岩石骨架和孔隙结构特征的认识。因为外部荷载作用于岩石骨架，所以在岩石变形中往往通过构建岩石骨架的有限元网格模型进行数值仿真。本节基于有限元网格与图像像素点一一对应的思想建立了岩石骨架的有限元网格模型，如图1（c）所示。基于重建的模型开展岩石变形分析教学，使学生综合运用专业知识、软件知识以及分析方法等综合技术理解并掌握岩石微观结构特征，开拓学生的视野，拓展学生的思维，提高学生的创新能力。

（二）单轴压缩数值仿真研究

1. 边界条件

以模型S1为例，开展岩石单轴压缩数值仿真分析，将重建的岩石骨架有限元网格模型导入Workbench软件进行静力学分析。边界条件设置（图2）参照室内实验，采用位移控制，下表面施加固定约束条件，上表面位移加载，通过数值仿真强化学生对传统力学实验加载方式的掌握。

2. 应力场分析

图3所示为岩石应力分布云图，图中可以看出岩石不同区域颜色不同，表明岩石应力分布不均匀。由于上表面为位移加载，出现了应力集中现象。随着位移的增大，岩石受到的力也越来越大。传统室内力学实验学生难以了解岩石不同区域的应力分布情况，而采用仿真技术学生可以直观地观察到岩石各区域受力大小及加载面的应力集中现象。

3. 位移场分析

图4为不同时间步岩石位移变化云图，从图中可以看出在位移边界条件下，根据位移的大小可以划分为多个变形带，岩石表现出整体平移的特征，并且在各变形带之间出现了较小的拱形变形。位移控制下的单轴压缩最终破坏模式在实验中可以观测到，但是理论上的变形与破坏过程中的位移演化是传统岩石力学实验难以观测到的。然而，数值仿真技术可以通过三维可视化的数字巖芯模型展现出来，学生可以根据实际操作的反馈信息来形成对理论的认识，从而激发学生勇于探索的好奇心，实现自我学习及对未知现象的探索。

4. 塑性应变场分析

图5为塑性应变场云图，在该阶段表明岩石已经由弹性变形阶段进入到塑性变形破坏阶段，随着时间的增加，可以看出岩石内部出现的塑性破坏区域越来越大，X形共轭塑性剪切带逐渐形成（图中圆圈所示），课堂教学中学生对于X形剪切带概念及形成原因都已熟稔于心，却难以直观体会其演化过程，而数值仿真技术可以再现X形剪切带演化过程，有效弥补传统课堂教学的不足。采用数值仿真技术提高了教学的灵活性和生动性，提高了学生学习的主动意识，强化了学生对岩石力学理论、实验现象、数值仿真内在联系的认识。

三、结束语

本文利用CT扫描及图像处理技术重建了岩石骨架有限元网格模型，结合ANSYS软件开展了微尺度岩石单轴压缩数值仿真，论述了数值仿真技术在岩石力学教学中的应用。结果表明，数字岩芯技术能够实现岩石微观结构的三维可视化，加强学生对岩石微观结构特征的认识，同时数值仿真技术使学生对课堂教学中的岩石力学实验现象（应力集中、X形共轭剪切带）有了更深刻的记忆与了解，从而弥补了传统岩石力学课堂教学空洞说教的不足，激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

参考文献：

[1]王登科，李文睿，左伟芹.岩石力学基础课的案例教学法探讨与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2019，1269（01）：32-34.

[2]王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2003（6）：140-143.

[3]宋睿，崔梦梦，郑玲静.数字图像重建技术在岩石渗流类课程教学中的应用[J].科技创新导报，2017（30）：238-242.

[4]杨平，郑智敏，刘琛.高职道桥施工虚拟仿真实践教学的教学设计策略研究[J].高教学刊，2019，98（02）：125-127.