数值模拟试验在岩石力学课程教学的应用探讨——以含预制裂隙煤岩组合体力学性质为例

张春雷 董 云 彭宁波 顾文虎 朱鹏宇 张 燕

（淮阴工学院，江苏 淮安 223001）

在岩石力学课程实际教学方面，实验教学大多停留在以演示和验证为主，缺乏实验设计环节，实验内容单一，无法较好的通过实验教学来激发学生的学习兴趣和创新意识。

随着国内外对岩土数值模拟软件的开发与利用，数值仿真已越来越多的应用到岩土工程领域的教学与科研中[1-3]。为解决目前在岩石力学课程教学中的问题，做到以学生为中心，以结果为导向，将计算机数值仿真技术运用到岩石力学教学过程中，模拟岩石或岩体在不同受力环境下的力学性质，让学生更加直观的感受加载条件和岩石自身力学参数的变化对其整体力学性质的影响，进而改进学生的思维方式，培养学生的创新能力和工程素质。

1 数值仿真技术引入岩石力学教学的优越性

笔者在讲授岩石力学课程过程中，通过引入RFPA数值仿真技术，结合具体授课内容，把RFPA计算速度快、直观可视化、数据提取速度快等方面的优势充分运用到课程教学中[4-6]，将枯燥的理论知识转化为生动的图形和曲线，在一定程度上激发了学生的学习兴趣。以岩体力学性质为例，相对于传统室内试验教学，数值仿真技术的优势主要体现在以下几个方面[4]：（1）计算速度快，参数随时可调，有利于进行结果的横向和纵向对比。比如岩体力学性质受多种因素或参数影响，为了得到不同因素对岩体力学性质的具体影响规律，可根据需要建立不同模型并同时进行计算，大大节约了时间；（2）计算过程动态实时显现，相对于传统的实验室试验，RFPA具有直观形象的图像显示功能，可将抽象的应力、应变、位移等数据转化为生动形象的图形，这将有利于提高学生对于岩石力学性质的理解深度；（3）数据后处理功能强大，RFPA后处理曲线图主要包含，应力-加载步曲线、位移-加载步曲线、应变-加载步曲线等，查看后处理场图可以通过菜单直接查看。

2 数值仿真在岩石力学教学过程中的具体应用

在教学过程中，通过建立含预制裂隙煤岩组合体模型，探究裂隙倾角对其力学性质的影响，让学生更加深刻理解结构面对岩体力学性质的影响。

2.1 模型建立

长方形煤岩组合体数值计算模型如图1（step=0）所示，模型尺寸长100 mm，宽50 mm，煤岩体高度均为50 mm，裂隙预置于岩体中，与最小主应力的夹角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。强度准则采用摩尔库伦准则，位移加载方式。

2.2 强度和变形特征分析

煤岩组合体在单轴压缩过程中的剪应力云图呈动态变化，以含45°预置倾角裂隙为例，如图1所示，可清楚地看到在不同加载步数时煤岩组合体的剪应力云图，让学生对加载过程煤岩组合体的内力变化有直观的认识。

图1 含45°预制倾角裂隙煤岩组合体剪应力云图

基于RFPA的后处理功能，可以得到不同裂隙倾角煤岩组合体试件应力-应变曲线（见图2）以及岩石试件峰值强度与裂隙倾角之间的关系（见图3）。通过应力-应变曲线数据分析，可以看出单轴压缩下裂纹倾角对煤岩组合体强度的影响，使学生不但能够理解岩石在单轴压缩条件下的应力-应变的一般规律，也能够使学生对结构面对岩体力学性质影响有更加明确和清晰的认识。

图2 煤岩组合体应力-应变曲线图

图3 含不同倾角预置裂隙峰值强度和峰值应变曲线

2.3 破坏特征分析

煤岩组合体的破坏是由岩体中预制裂隙的扩展和相互贯通形成的宏观裂纹引起的，进而导致煤岩组合体的整体破坏。因此，煤岩组合体中岩体的破坏导致煤岩组合体的破坏，岩体中预制裂隙的倾角影响煤岩组合体的破坏方式。图4所示是含不同倾角预置裂隙煤岩组合体破坏模式形象直观，可直接获取，相对室内实验简单易操作。

图4 含不同倾角预置裂隙煤岩组合体破坏模式

2.4 声发射特征分析

在加载过程中岩体内裂隙的起裂、扩贯、贯通过程中释放能量并以弹性波的方式发射（见图5）。RFPA可展示模型加载每一步的声发射图（见图5a），用声发射圆表示，并通过颜色（可自定义）不同分别代表不同破坏方式（剪切、拉伸）以及累积声发射（见图5b）。图5中，白色圆圈代表剪切破坏，红色圆圈代表拉伸破坏。室内实验声发射受噪音等干扰因素比较多，对实验装置安装和实验环境要求比较高，而RFPA数值实验获取声发射数据简单快捷，受干扰因素小。

图5 含45°倾角预置裂隙煤岩组合体声发射特征

3 结论

教学实践表明，采用计算机数值仿真实验配合理论教学可以加深学生对岩石力学中应力-应变、强度、破坏特征等内容的理解，一定程度上能够弥补理论教学和实践教学的不足，丰富了教学手段，对提高教学质量有一定效果；数值仿真实验应用到教学最大的特点就是形象直观，有利于学生理解课程知识点，提高学生学习的主动性，能够激励学生通过直观的图像展示去追求抽象的理论知识；数值仿真实验可在不同条件下重复操作，且更改实验参数简单，能够弥补实验教学中不能实现或不容易实现的展示与设计。