1、 数值模拟在岩石力学案例教学中的应用摘 要:本文介绍了数值模拟方法的优点,通过一个实例介绍了数值模拟方法在岩石力学案例教学中的应用。分析表明,将数值模拟技术应用到相关课程的教学中,能够提高课程教学效果,培养学生的学习兴趣与创造性。关键词:岩石力学 数值模拟 案例教学岩石力学是高等学校土木工程、水利工程、工程力学、采矿工程等诸多专业的必修课,是一门与生产实际紧密结合的课程。课程培养方案均要求学生深刻理解岩石力学理论,并能够联系实际解释岩石工程失稳、破坏等相关问题。要培养高素质的工程技术人才,还有一个重要的环节就是工程案例教学。只有学生接触了大量的工程案例,才能逐渐培养其动手及设计能力。目前国内大
2、多数高等院校的实验教学都存在学生人数、课时和试验室条件的约束,对于一些和实际接触紧密的工程案例,一般的实验室内的物理模型实验是不能满足要求的,所以需要寻找先进的教学方法与手段来提高工程案例教学的效果。1 数值模拟方法的优点(1)可以预演常规教学试验。在进行教学试验之前,安排适当的数值模拟试验,可以对常规教学试验的试验目的、现象进行一定程度的预演,使学生对常规试验有更加全面的把握与准备。然后再到实验室进行试验,可以达到很好的试验教学效果。(2)可以对教学重点、难点进行详细的讲解。对课程中的重点与难点(比如岩石力学在地下硐室、边坡及岩石地基中的应用等),通过形象的图形演示,使学生理解透彻,并且认识
3、深刻,不易忘记。(3)扩大学生专业知识面,激发学生学习热情与创造力。通过数值模拟试验的实施,学生对有限元等数值模拟技术产生浓厚的学习兴趣,并可以对有关知识所存在的疑点、难点加以验证,从而更好的促进知识的掌握与巩固。(4)能够培养学生利用工具软件解决现实问题的能力,提高应用型人才培养的水平和层次。同时为进入研究生阶段学习的学生的进一步深造打下坚实的基础。2 工程案例教学实例分析在山东滨海某矿坑矿区采场坑口地势较为平坦,标高为3m,上口尺寸为 1100390m,分东西两个采场。东部采场的最终坑底标高东坑为-170m,最终边坡的最大高度为 173m,总体边坡角 47,基岩边坡的总体边坡角为 50。西
4、部采场的最终坑底标高为-119m,最终边坡高度为 122m。该矿坑深度和边坡角度均较大,地质构造复杂,由于边坡较陡,为防止上部第四系地层的渗水,在坑顶设置了截渗墙。金矿在开采过程中,北帮边坡即出现了滑坡地质灾害,局部已呈现失稳状态。在矿坑停止采矿后,由于雨水浸泡,在近期仍不时发生边坡滑移。要判断边坡稳定性,常用的经典方法有瑞典条分法、毕肖普法及非圆弧滑动而分析等,这些方法计算步骤复杂,计算量大,计算时间长。为了学生能够更好地、简便地掌握这些知识点,可以利用ansys 软件,在课堂上对边坡稳定性进行分析,这样即提高学生学习的兴趣,并能使学生更好地掌握知识点,激发学生钻研的积极性。本次实例分析是在
5、大型有限元软件 ansys9.0 上进行的。用 d-p材料模拟,为了便于分析,将实际问题简化为平面应变问题。为了减少边界条件的影响,计算模型竖直方向从坡底向下延伸 50 米,水平方向取 300 米。在模型两侧施加 x 方向的约束,在模型的底部施加 y 向约束。部分断面计算结果如图 1 所示,从图中可以清晰的看到边坡的位移方向与大小,还可以从塑性应变图上看出边坡破坏面位置。同时,通过 ansys 软件中的相关命令,可以在课堂上给学生演示边坡变形失稳的全过程,可以根据需要,得到工程中想要分析的相关问题的结果。结合多媒体的演示,可以让学生对和边坡有关的相关问题有一个全面的了解,同时可以增加学生对该软
6、件的好奇感,提高学生的学习兴趣。3 结语毋庸讳言,物理模型试验的弱点非常的明显,如改变方案、调整参数困难,试验研究难度大、费用高,有尺寸效应等等。数值模拟方法当前应用很广,与试验方法相比有明显的优点:成本低、时间短、重复性高、灵活性强。我们可以充分利用数值模拟的优点,在岩石力学教学过程中引入该方法提高教学效果。数值模拟方法实现了常规实验无法实现的复杂工程的分析,因此,数值模拟试验将是岩石力学实验教学及工程案例教学的一条新路。同时,数值模拟方法结合多媒体及其他先进的手段应用在教学中,在学生工程经验缺乏的情况下,最大限度的提高学生学习的兴趣,使学生掌握更多的知识点,开拓学生的思维,激发学生的创造力。
