有限元数值模拟技术对土木工程专业岩石力学课程教学的促进作用研究

高 敏

（安徽理工大学土木建筑学院 安徽 淮南 232001）

由于中国经济发展和扩大内需的需要，地铁、公路与铁路交通、市政、水利水电、油气勘探开发等与岩土工程及地下工程相关的基础建设快速发展，高等学校土木工程专业岩土工程方向人才培养面临新的挑战。岩石力学是高等学校土木工程专业基础课，是一门紧密结合生产实际并促进相应工程不断发展的课程，课程培养方案的合理与否，直接影响到学生的实践及应用能力。一方面，岩石力学的理论性较强，常规教学主要以老师书面讲解，多媒体、板书等相结合特点，学生难以对相关理论深刻理解；另一方面，限于室内试验及现场实践局限性，学生的视野与创新能力难以得到进一步的拓展和增强，因此，亟须增加和丰富相关的课堂教学资源。

近年来计算机数值仿真模拟技术在岩土工程领域应用得到不断发展，数值模拟仿真技术具有一系列的优点，如较强的通用性、灵活性及可重复性等。由于许多重要信息在常规实验室中难以观测获取，此时可以通过数值计算得到。王述红[1]等利用计算机数值模拟方法实施岩石力学数值实验，自主研发了岩石力学破坏过程分析系统，对岩石力学实验进行辅助教学，并取得了较好的教学效果；战玉宝[2]对岩石力学课程中的相关问题进行了数值模拟分析，验证了数值模拟技术能够丰富课堂教学内容；张晓君[3]等将数值模拟技术演示于课程教学中，不仅提升了课堂教学效果，而且使学生了解和掌握到更多岩石力学领域的知识和信息；赵宝玉[4]等将数值仿真技术运用到岩石力学实验教学中，介绍了在岩石力学实验教学中运用数值仿真技术的步骤。

数值仿真技术不仅能够重现岩石力学行为的室内实验现象，而且能够模拟力学行为复杂的实际岩土工程[5]。通过理论联系实际，结合具体工程，运用数值模拟方法再现实际工程并应用于岩石力学课程教学中，笔者探索了采用数值仿真技术辅助岩石力学课程教学的思路。

1 岩石力学课程教学中存在的相关问题

1.1 岩石力学课程具备的特点

岩石力学是研究在各种力场的作用下岩体变形与破坏规律的理论和科学，也是解决岩石工程技术问题的理论基础，具有重要的工程应用价值。岩石力学蕴含深奥的力学原理，主要运用力学原理和方法以及地质学原理来研究岩体力学行为，课程对学生的力学基础要求较高。岩石力学研究内容较为广泛，其研究对象通常处在较为复杂的工程环境系统下。因此，岩石力学研究过程中无法对研究对象逐一孤立，像其他自然科学那样得到普遍和精确的结果与规律。复杂环境下岩体的力学特性，需要涉及多个学科和领域，如断裂力学、损伤力学、弹塑性力学、地球物理学以及构造地质学等，这对岩石力学课程教学提出了极大的难点和挑战。

岩石力学理论是在解决具体岩体工程问题中凝练而成，其力学特性和规律也是基于大量试验，通过归纳总结得出的。目前岩石力学相关工程主要以工程经验为主，辅助力学相关理论加以指导，且该学科目前仍处于不断发展与完善之中。由此，在岩石力学课程的教学过程中可以根据课程特点，有针对性地培养学生的实践能力和创新意识。当前与岩石力学相关的工程建设广泛兴起，国家基础建设规模不断扩大，为适应岩石力学相关工程建设和发展的需求，传统的岩石力学课程教学模式有必要进一步改进和完善，以理论教学为主导，不断强化实验教学和实际工程应用。

1.2 岩石力学课程教学主要存在问题

1.2.1 教材陈旧，内容落后缺乏生动性

目前，普通高校适用的岩石力学教材，内容多滞后于当今岩石力学与地下工程的实际发展水平。近年来，大量重大岩土工程的建设，如南水北调、青藏铁路、西气东输、CO2咸水层封存、能源地下储备、核废料地下储存等工程对岩石力学专业人才的培养提出了更高的要求，出现了越来越多的新问题，岩石力学教学内容的陈旧与落后更加明显。当前岩石力学教学多利用多媒体课件，辅助板书，并以少量的室内试验相配合，这种教学模式一直持续了十多年，教学模式陈旧，学习效率一般，难以对该课程有较深刻的认识。

1.2.2 岩石力学实验设备不足、设备陈旧

目前国内大部分开设土木工程专业的高校还存在实验设备不足、试验场地缺乏等问题，特别是岩石力学课程实验，对实验设备的要求远高于土力学。另外，部分高校将岩石力学课程课时设置为选修课程，这将直接影响课程教学的安排以及学生对课程的重视程度。

1.2.3 教学内容繁杂

岩石力学课程内容繁杂、理论性强，涉及学科广，易使学生产生畏难心理和厌学情绪，不利于教学的开展，学生也很难对课程内容有一定程度的把握。另外，我国高等学校所属领域和行业部门不同，致使各高等学校相关岩石力学课程教学内容过于行业化，课程教学服务对象相对单一，课程内容设置针对性较强，通常只介绍本行业的相关知识，而忽略边缘学科和交叉学科的介绍，导致学生的知识结构和层面相对较窄，为学生解决实际工程问题带来困难，同时也不满足国家提倡的复合型人才培养要求。

1.2.4 与工程实践脱节

随着岩石力学基础理论不断发展，被广泛应用于隧道工程、采矿工程、石油工程、交通、海洋等工程，规模越来越大，对相关技术人才的专业素养要求越来越高。岩石力学的诞生和快速发展说明了该课程具有较强的实践和应用性质，高校应该制订相应的实践教学计划，让学生将课堂理论知识用于实践，发现和解决实践工程中存在的问题，体会课题与实践之间的区别与联系。目前，大部分高等学校培养土木工程岩石力学相关方向专业人才所采用的教材内容、教学手段和方法与实际工程和现场应用之间仍存在一定差距，不能满足不断变化的工程需要，这对专业老师的知识面提出了更高的要求，在教学中不断吸收新理论、新方法并结合实践，将学科所遇到的新技术、新方法、新装备以及出现的各类新问题介绍给学生。

2 数值仿真技术辅助岩石力学教学改革探索

应用于岩土与地下工程领域的数值仿真软件有多种，如FLAC3D、ABAQUS、COMSOL等，不同的数值仿真软件侧重点不同，可根据使用范围和学校自身条件选择，也可以多种软件结合使用。数值仿真技术是将相关的原理、方法和应用与模拟软件虚拟的实验仪器、实验环境等有机结合，有利于实现理论教学与实验教学的有机统一。

2.1 数值仿真技术的优点

在理论与工程实践结合方面，数值仿真技术可将理论教学、实验教学与工程应用有机统一，在很大程度上改进了传统的教学模式，培养了学生利用专业数值软件解决实际工程问题的能力，可有效提高高等院校人才培养的水平和层次。数值仿真软件能够较好地再现实验教学过程，对常规试验的试验目的和现场进行预演，并与课堂理论教学相结合，采用理论知识解释数值仿真结果，使学生对实验教学过程有更好的把握与准备，从而对岩石力学课程基础理论有一个更深刻的理解。另外，数值仿真软件也能在接近实际的程度下模拟岩石力学工程中的岩体受力、变形、破坏等问题，在一定程度上拉近了学生与实际工程的距离，通过各类云图、曲线以及动画演示工程活动全过程，让学生亲自面对问题，更好地促进知识的掌握与巩固，激发学生解决问题的兴趣。

2.2 数值模拟实例分析

岩石力学课程理论内容比较枯燥，学生听课和学习的兴趣普遍较低，积极性也较差。采用数值仿真技术辅助课堂理论教学，具有创新性、直观性及综合性等特点，让学生对复杂的岩石力学理论知识建立感性的认识。为了让学生更好地理解岩石地下工程围岩应力求解以及围岩应力的演化机理，以某泥岩隧道施工过程中的围岩应力演化为例[6]，选用有限元软件进行数值仿真，该软件可以模拟岩石隧道开挖过程中的围岩应力重分布过程，使学生学习更加直观。

先建立均匀泥岩材料的隧洞开挖数值模型，隧道埋深220m，数值模型长度方向140m，深度方向120m，如图1 所示，然后施加相应的边界条件和初始地应力条件。数值仿真过程按如下过程进行：第一步为初始地应力场计算；第二步为隧道开挖支护，添加衬砌和超开挖体材料，进行二次应力重分布计算，由于施工过程相对较短，暂不考虑衬砌向洞内的渗水能力。

图1 隧洞开挖过程数值计算模型

图2 为计算所得的围岩孔隙水压力分布图。通过演示，直观地呈现孔隙水压力在隧道开挖前后的分布与变化情况。

图2 围岩孔隙水压力分布图（单位：Pa）

图3 为开挖后围岩二次应力及扰动区分布图，可以给学生呈现隧道围岩应力集中、二次分布、围岩变形以及开挖扰动区形成机理等关键问题，这样复杂的岩石力学工程是不可能在现场观测得到的，因为地下工程是隐蔽工程，二次应力的分布、扰动区的形态及范围必须通过相关的现场监测并进行反馈分析才能间接地获得。

图3 开挖后围岩二次应力及扰动区分布图

通过在岩石力学课程中引入数值模拟技术，课堂理论教学与数值模拟技术相结合，交互式学习过程更加形象直观，同时具有丰富的图文并茂信息，使课堂理论教学尤为生动形象，可以让学生更加直观的感受数值模拟带来的效果，激发了学生理论学习的主动性和好奇心，进而获得更多岩石力学理论与工程实际现象的内在联系的知识。

2.3 岩石力学课程教学改革初探

本文针对上述岩石力学课程教学过程中存在的相关问题，提出岩石力学课程教学改革的几点思考。岩石力学教学要以教学内容改革为核心，以数值仿真技术为辅助手段，对传统的教学模式和教学方法进行改革，探索适应新时代岩石力学发展和工程实际要求的教学方法。

2.3.1 课程内容与数值模拟案例相结合

在岩石力学实验教学中，采用专业数值模拟软件再现实验过程，激发学生学习岩石力学课程的兴趣和积极性。学生通过对数值仿真软件模拟工程案例的认识和了解，不仅学习了数值仿真软件的基本步骤，还更加深刻地掌握了课程中的基本概念，如：地下工程施工过程中应力重分布、围岩稳定性等问题。另外，在数值仿真试验课上，通过老师与学生之间的相互交流，加深学生对岩石力学理论知识的理解，增强学生的科学探索和创新能力。

2.3.2 增补数值模拟教学课时

许多普通高校在本科阶段没有开设数值模拟相关课程，教师仅简单地将数值仿真结果以图片的形式展现给学生，学生对数值模拟很难有一个直观真实的认识，理解范围仍然局限在书本。通过增加岩石力学数值模拟教学课时，并根据实际效果合理调整课时，学生亲自参与到岩石力学的实践中来，通过反馈学习的方法来调整教学之间的差距，在这种教学过程中，教师学生均能取得进步。

2.3.3 教学与科研结合，培养学生的实践能力和创新意识

在岩石力学课程教学过程中，结合教师自身承担的科研项目，积极主动让学生参与科学研究，并分配适量的科研任务，激发学生的主观能动性和科学探索的能力，培养学生的动手能力。负责相关科研项目的教师，可将项目分成不同的部分，以分组的形式让学生参与进来，可以加深学生对岩石力学理论知识的认识和理解。

3 结语

岩石力学具有理论科学与工程科学的双重属性，高校作为人才培养的主要基地，常规教学模式显然已经不能满足培养现代化高端人才的需要。伴随着计算机技术的发展，数值仿真技术大量应用到工程实际中，对辅助岩土工程建设活动的顺利开展发挥了不可替代的作用。通过将数值仿真技术推广到岩石力学课程教学中，有助于课程教学效果的提升，使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息；通过数值仿真软件模拟相关岩石力学工程案例，培养学生解决和处理问题的综合能力，极大地改善了授课中不丰富、不全面、不直观等问题，提升了学生的知识应用能力。