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
中图分类号:G64文献标识码:A文章编号:1673-9795(2012)03(a)-0099-01
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1100×390m,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。
