琚曉冬 馮文娟 鄒正盛

河南理工大學 河南焦作 454000

數(shù)值模擬試驗在巖土工程實驗及工程案例教學中的應用*

琚曉冬 馮文娟 鄒正盛

河南理工大學 河南焦作 454000

本文分析常規(guī)實驗方法的特點及存在的問題，提出將數(shù)值模擬試驗應用到教學試驗中。數(shù)值模擬可以模擬常規(guī)實驗，獲得常規(guī)實驗無法得到的實驗數(shù)據(jù)。也可以模擬大型復雜的工程，這也是常規(guī)實驗無法做到的。數(shù)值模擬試驗應用到在巖土工程實驗及工程案例教學中教學效果非常好。

數(shù)值模擬；巖土工程；工程案例

培養(yǎng)實踐能力及綜合素質(zhì)強的巖土工程專業(yè)的學生，不但要讓學生系統(tǒng)地學習理論知識，而且要讓學生親自動手做一些實驗的操作。實驗教學能夠幫助學生更好地理解理論知識。如巖石力學常規(guī)實驗有抗壓、抗拉、抗剪試驗，學生通過實驗操作，很直觀地觀察到巖石破壞的形式、規(guī)律，這樣更容易地理解和學習巖石強度準則這一個比較抽象復雜的問題。如果不通過實驗加強知識點的理解，就激發(fā)不起學生學習的積極性，學習的效果也會大打折扣。要培養(yǎng)巖土工程專業(yè)的學生，還有一個重要的環(huán)節(jié)就是工程案例教學。只有學生接觸了大量的工程案例，才能逐漸培養(yǎng)其動手及設計能力。

所以實驗教學方法是培養(yǎng)重要的方法和手段，通過實驗操作提高學生實踐動手能力，進而提高學生的創(chuàng)造能力和想象力。

目前國內(nèi)大多數(shù)高等院校的實驗教學都存在學生人數(shù)、課時和試驗室條件的約束，造成實驗太少、教學實驗類型單一、時間安排緊，每個學生不一定都有實際操作動手的機會。而對于一些和實際接觸緊密的工程案例，一般的實驗室內(nèi)的物理實驗是不能滿足要求的，所以采用先進的教學手段、教學方法來提高實驗教學及工程案例教學的質(zhì)量。

一、傳統(tǒng)實驗及工程案例教學與數(shù)值模擬試驗的比較

在巖土工程知識體系中巖石、混凝土的抗拉、抗壓、抗剪等基本實驗及巖石的破裂與失穩(wěn)過程是一個重要的基本教學內(nèi)容。目前在國內(nèi)大多數(shù)高等院校的相應課程的實驗教學中，主要依賴實驗室的物理實驗。

物理實驗優(yōu)點：比較直觀。

物理實驗局限性：(1)由于受到實驗設備、實驗室觀測手段、經(jīng)費等條件的限制，通常只會教師演示一些常規(guī)的抗拉、抗壓、抗剪基本實驗。甚至是基本實驗也不是每個同學都能操作一遍。很難通過大量的物理實驗向?qū)W生直觀演示各種巖石的變形、破壞的復雜現(xiàn)象。(2)由于巖石介質(zhì)的復雜性，傳統(tǒng)的測試方法很難全面反映巖石在變形損傷演化和宏觀破壞過程中的應力場、變形場等重要信息。(3)一些大型的工程項目，實驗室小型試樣的加載實驗很難描述。如邊坡失穩(wěn)、隧道的開挖加固模擬；對于巖體的蠕變，在短期內(nèi)無法完成對巖體的應力、應變、變形等觀測；對于特殊的工程災害更難以通過實驗室進行系統(tǒng)地觀察研究。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的發(fā)展，各種商業(yè)通用程序在土木工程專業(yè)課程教學實驗及課程中有關(guān)內(nèi)容(重點及難點)進行數(shù)值模擬和仿真分析。

利用現(xiàn)代計算力學原理和計算機可視化技術(shù)，對巖石、混凝土的變形與破裂過程進行數(shù)值試驗，不僅可以達到巖石、混凝土力學實驗輔助教學的目的，而且具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，可以完全克服實驗室物理實驗的不足，突破傳統(tǒng)力學實驗觀測難、分析難、重復難等多種弊端。而且，還可以通過數(shù)值試驗得到許多在常規(guī)實驗室實驗中難以觀測到的重要信息，如巖石或巖體結(jié)構(gòu)在破壞過程中的應力場、變形場，有利于并加深學生對力學現(xiàn)象本質(zhì)的理解，提高學生學習與專業(yè)研究的興趣。因此，數(shù)值模擬試驗將是巖土工程實驗教學及大型工程案例教學的一條新路。

二、數(shù)值模擬試驗在巖土工程實驗教學中的應用

在教學中關(guān)于巖石、混凝土的抗拉、抗壓、抗剪等基本實驗可以采用傳統(tǒng)和數(shù)值模擬試驗相結(jié)合的方法。即使學生進行了實際動手能力的鍛煉，也通過數(shù)值模擬試驗掌握了巖石在變形損傷演化和宏觀破壞過程中的應力場、變形場等重要信息。

數(shù)值模擬試驗采用東北大學巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)的一套巖石破裂與失穩(wěn)分析系統(tǒng)(Rock Failure Process Analysis ，簡稱RFPA軟件)。通過軟件教授學生如何建模、加約束、施加荷載及教學結(jié)果分析學生普遍反映能掌握和理解相關(guān)內(nèi)容,教學效果相對傳統(tǒng)實驗教學要好得多。開拓了學生的視野。

三、數(shù)值模擬試驗在工程案例教學中的應用

一些大型的工程項目，實驗室小型試樣的加載實驗很難描述，傳統(tǒng)教學只是理論上教授學生如何設計計算，對于沒有多少現(xiàn)場經(jīng)驗的學生來說這種方式非常抽象，不好掌握，既使會計算，記憶也不深刻。這樣也可以結(jié)合數(shù)值模擬試驗建立一些工程項目和理論知識結(jié)合使學生學的有興趣容易理解掌握。下面舉例說明。

例1：邊坡穩(wěn)定性分析。要判定邊坡穩(wěn)定性，首先求安全系數(shù)。理論上求安全系數(shù)的方法有瑞典條分法、穩(wěn)定系數(shù)法、畢肖普法及非圓弧滑動面分析等。這些方法計算步驟復雜，計算量大，計算時間長。為了學生更好地掌握這些知識點，可以輔助的學習G-SLOPE邊坡穩(wěn)定分析軟件。這樣即提高學生學習的興趣，又直觀好理解，并使學生更好地掌握知識點，激發(fā)學生鉆研的積極性。圖3為G-SLOPE數(shù)值軟件建立的邊坡模型并可以求出安全系數(shù)。

例2：對于巖土工程，學生還要掌握隧道開挖方式，根據(jù)地質(zhì)情況不同，大體可以分為全斷面開挖、臺階開挖、單側(cè)導坑開挖及雙側(cè)導坑開挖。這樣只是抽象地介紹這些名詞，學生肯定不理解。可以結(jié)合數(shù)值模擬試驗模擬開挖過程，這樣學生很容易就理解掌握了。圖4為某隧道雙側(cè)導坑開挖順序：a圖為隧道及周圍巖層，b圖為隧道左右兩側(cè)導坑開挖，c圖為隧道上半段開挖，d圖為隧道下半段開挖。

四、結(jié)束語

第一,數(shù)值模擬試驗具有方便快捷、節(jié)省材料、通用性以及常規(guī)實驗室實驗無法得到的數(shù)據(jù)規(guī)律等優(yōu)點。合理的將數(shù)值模擬試驗與常規(guī)實驗室實驗結(jié)合起來揚長避短，來提高巖土工程專業(yè)的教學質(zhì)量。

第二,數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了常規(guī)實驗無法實現(xiàn)的復雜工程的分析。因此，數(shù)值模擬試驗將是巖土工程實驗教學及大型工程案例教學的一條新路。

第三,數(shù)值模擬方法結(jié)合多媒體及其他先進的手段應用在教學中，在學生工程經(jīng)驗缺乏的情況下，最大限度的提高學生學習的興趣，使學生掌握更多的知識點，開拓學生的思維，激發(fā)學生的創(chuàng)造力。

[1]韓茂慧.高等學校試驗教學改革與研究[J].職業(yè)圈，2007，2

[2]王述紅，唐春安，朱萬成，等.數(shù)值試驗在巖石力學試驗教學中的應用[J].實驗技術(shù)與管理,2003，6

[3]楊勇,郭子雄.數(shù)值模擬試驗在土木工程專業(yè)課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2005，14（3）

Abstract: Analysis of routine experimental method’s characteristic and shorting, numecical simulation experiment is applicated in teaching text. Numecical simulation experiment can simulate routine experiment and get experimental data which can’t obtained by normal text. Numecical simulation experiment can simulate large-scale project and obtain very good taeching results.

Key words: numecical simulation; geotechnical engineer; engineering case

Application of numerical simulation experiment in text and project case of geotechnical engineer

Ju Xiaodong, Feng Wenjuan, Zou Zhengsheng
Henan polytechnic university，Jiaozuo，454000,China

2009-09-24

琚曉冬，碩士，講師 。

*本文系河南理工大學2007年教育教學改革研究項目(2007JG020)。