數(shù)值模擬在巖石力學(xué)案例教學(xué)中的應(yīng)用

1、數(shù)值模擬在巖石力學(xué)案例教學(xué)中的應(yīng)用摘 要: 本文介紹了數(shù)值模擬方法的優(yōu)點 , 通過一個實例介紹了數(shù) 值模擬方法在巖石力學(xué)案例教學(xué)中的應(yīng)用。分析表明 , 將數(shù)值模擬 技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)課程的教學(xué)中 ,能夠提高課程教學(xué)效果 , 培養(yǎng)學(xué)生 的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)造性。關(guān)鍵詞: 巖石力學(xué) 數(shù)值模擬 案例教學(xué)巖石力學(xué)是高等學(xué)校土木工程、水利工程、工程力學(xué)、采礦工程 等諸多專業(yè)的必修課 , 是一門與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的課程。課程培 養(yǎng)方案均要求學(xué)生深刻理解巖石力學(xué)理論 , 并能夠聯(lián)系實際解釋巖 石工程失穩(wěn)、破壞等相關(guān)問題。要培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才 , 還 有一個重要的環(huán)節(jié)就是工程案例教學(xué)。只有學(xué)生接觸了大量的工程 案

2、例, 才能逐漸培養(yǎng)其動手及設(shè)計能力。目前國內(nèi)大多數(shù)高等院校 的實驗教學(xué)都存在學(xué)生人數(shù)、課時和試驗室條件的約束 , 對于一些 和實際接觸緊密的工程案例 , 一般的實驗室內(nèi)的物理模型實驗是不 能滿足要求的 , 所以需要尋找先進的教學(xué)方法與手段來提高工程案 例教學(xué)的效果。1 數(shù)值模擬方法的優(yōu)點(1) 可以預(yù)演常規(guī)教學(xué)試驗。在進行教學(xué)試驗之前 , 安排適當(dāng)?shù)臄?shù) 值模擬試驗 , 可以對常規(guī)教學(xué)試驗的試驗?zāi)康摹F(xiàn)象進行一定程度 的預(yù)演, 使學(xué)生對常規(guī)試驗有更加全面的把握與準備。然后再到實 驗室進行試驗 , 可以達到很好的試驗教學(xué)效果。(2) 可以對教學(xué)重點、難點進行詳細的講解。對課程中的重點與難點(比如巖

3、石力學(xué)在地下硐室、邊坡及巖石地基中的應(yīng)用等 ), 通 過形象的圖形演示 ,使學(xué)生理解透徹 ,并且認識深刻 ,不易忘記。(3) 擴大學(xué)生專業(yè)知識面 , 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與創(chuàng)造力。通過數(shù)值 模擬試驗的實施 , 學(xué)生對有限元等數(shù)值模擬技術(shù)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興 趣, 并可以對有關(guān)知識所存在的疑點、難點加以驗證 , 從而更好的促 進知識的掌握與鞏固。(4) 能夠培養(yǎng)學(xué)生利用工具軟件解決現(xiàn)實問題的能力 , 提高應(yīng)用 型人才培養(yǎng)的水平和層次。同時為進入研究生階段學(xué)習(xí)的學(xué)生的進步深造打下堅實的基礎(chǔ)。2 工程案例教學(xué)實例分析在山東濱海某礦坑礦區(qū)采場坑口地勢較為平坦，標高為+ 3m,上口尺寸為1100X 390m,分

4、東西兩個采場。東部采場的最終坑底標高東坑為-170m,最終邊坡的最大高度為173m總體邊坡角47 ,基巖邊坡的總體邊坡角為50。西部采場的最終坑底標高為-119m,最終 邊坡高度為122m該礦坑深度和邊坡角度均較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 由于邊坡較陡 , 為防止上部第四系地層的滲水 , 在坑頂設(shè)置了截滲 墻。金礦在開采過程中 , 北幫邊坡即出現(xiàn)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害 , 局部已呈 現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。在礦坑停止采礦后 , 由于雨水浸泡 , 在近期仍不時發(fā)生 邊坡滑移。要判斷邊坡穩(wěn)定性 , 常用的經(jīng)典方法有瑞典條分法、畢肖普法及 非圓弧滑動而分析等 , 這些方法計算步驟復(fù)雜 , 計算量大 , 計算時間 長。為了學(xué)生能

5、夠更好地、 簡便地掌握這些知識點 , 可以利用 ansys軟件,在課堂上對邊坡穩(wěn)定性進行分析 , 這樣即提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興 趣,并能使學(xué)生更好地掌握知識點 , 激發(fā)學(xué)生鉆研的積極性。本次實例分析是在大型有限元軟件 ansys9.0 上進行的。用 d-p材料模擬,為了便于分析 ,將實際問題簡化為平面應(yīng)變問題。為了減少邊界條件的影響 , 計算模型豎直方向從坡底向下延伸 50 米, 水平 方向取300米。在模型兩側(cè)施加x方向的約束，在模型的底部施加y 向約束。部分斷面計算結(jié)果如圖 1所示,從圖中可以清晰的看到邊坡的位移方向與大小 ,還可以從塑性應(yīng)變圖上看出邊坡破壞面位置。同時通過 ansys 軟件中的

6、相關(guān)命令 , 可以在課堂上給學(xué)生演示邊坡變形 失穩(wěn)的全過程 ,可以根據(jù)需要 , 得到工程中想要分析的相關(guān)問題的 結(jié)果。結(jié)合多媒體的演示 , 可以讓學(xué)生對和邊坡有關(guān)的相關(guān)問題有 一個全面的了解 , 同時可以增加學(xué)生對該軟件的好奇感 , 提高學(xué)生 的學(xué)習(xí)興趣。3 結(jié)語毋庸諱言, 物理模型試驗的弱點非常的明顯 , 如改變方案、調(diào)整參 數(shù)困難, 試驗研究難度大、費用高 , 有尺寸效應(yīng)等等。數(shù)值模擬方法 當(dāng)前應(yīng)用很廣 ,與試驗方法相比有明顯的優(yōu)點 : 成本低、時間短、重 復(fù)性高、靈活性強。我們可以充分利用數(shù)值模擬的優(yōu)點 , 在巖石力 學(xué)教學(xué)過程中引入該方法提高教學(xué)效果。數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了常規(guī) 實驗無法實現(xiàn)的復(fù)雜工程的分析 ,因此, 數(shù)值模擬試驗將是巖石力 學(xué)實驗教學(xué)及工程案例教學(xué)的一條新路。