王曉明　齊劍峰　吳鋒波

摘要：針對部分學(xué)生和工程技術(shù)人員對地質(zhì)工程數(shù)值方法存在一定程度的錯誤認知，作者從馬克思主義哲學(xué)的角度分析了地質(zhì)工程數(shù)值方法的本質(zhì)、優(yōu)缺點和發(fā)展情況，并得到一些對課堂教學(xué)有益的啟發(fā)。課堂教學(xué)應(yīng)重視數(shù)值方法本質(zhì)、基本原理、適用條件和優(yōu)缺點的講解，師生應(yīng)關(guān)注該領(lǐng)域的前沿進展，在教學(xué)過程中應(yīng)加強實例教學(xué)和案例分析。這些啟發(fā)將對授課教師正確地引導(dǎo)學(xué)生認識、掌握及運用地質(zhì)工程數(shù)值方法起到積極作用。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)工程；數(shù)值方法；馬克思主義哲學(xué)；教學(xué)啟發(fā)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）34-0213-02

地質(zhì)工程數(shù)值方法是地質(zhì)工程、巖土工程等專業(yè)高年級本科生或研究生的專業(yè)課程，對于學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、能力的培養(yǎng)起著重要的作用，更是開展地質(zhì)工程研究的重要技術(shù)手段。隨著計算機運算速度的提升和數(shù)值方法的迅速發(fā)展，地質(zhì)工程數(shù)值方法在日常教學(xué)、生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中的地位日益突出。該課程作為河北地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)研究生的專業(yè)必修課，主要講述分析工程地質(zhì)問題常用的數(shù)值方法，例如彈性有限元法、有限差分法和離散元法等。

一、什么是地質(zhì)工程數(shù)值方法？

地質(zhì)工程數(shù)值方法是應(yīng)用數(shù)值分析手段來解決與工程相關(guān)的地質(zhì)問題的一種方法。首先，應(yīng)對工程地質(zhì)體的巖性、結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境進行地質(zhì)信息分析，在此基礎(chǔ)上，調(diào)查巖土體結(jié)構(gòu)類型，將地質(zhì)信息抽象為地質(zhì)模型，然后考慮工程地質(zhì)體的變形破壞規(guī)律，構(gòu)建力學(xué)模型，再通過研究材料的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)性質(zhì)，將力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型[1]。從本質(zhì)上看，地質(zhì)工程數(shù)值方法是將工程地質(zhì)問題抽象轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，進而對數(shù)學(xué)模型進行求解。地質(zhì)工程數(shù)值分析需要解決兩個核心問題。其一是構(gòu)建工程地質(zhì)體的力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，這需要對工程地質(zhì)體進行高度的抽象化；其二是數(shù)學(xué)模型的求解，由于地質(zhì)體具有復(fù)雜的加卸載條件和邊界條件，通常無法用解析方法簡單地求解，而需要通過數(shù)值法求得近似解。因此，數(shù)值模型的建立和求解不可避免地運用了一些假設(shè)和簡化，得到的結(jié)果是一種近似解。例如，有限元法將工程巖土體視為連續(xù)介質(zhì)，通過離散化，建立近似函數(shù)把有界區(qū)域內(nèi)的無限問題簡化為有限問題，通過聯(lián)立方程求解，對工程問題進行應(yīng)力和變形分析。

二、用辯證的眼光看地質(zhì)工程數(shù)值方法

唯物辯證法是馬克思主義哲學(xué)的重要組成部分，是人們認識世界和改造世界的根本方法。在教學(xué)過程中，更應(yīng)該堅持從辯證的角度看待地質(zhì)工程數(shù)值方法。作為客觀存在，地質(zhì)工程數(shù)值方法具有兩面性，任何一種方法都有自己的優(yōu)勢，也不可避免地存在劣勢。例如塊體離散元法，將工程巖體視為完全離散的巖石塊體的集合體，通過求解運動方程建立力與位移的關(guān)系。其最基本的優(yōu)點是可以將結(jié)構(gòu)面直接、顯式地納入到分析模型中，而且?guī)r體內(nèi)部可以存在大位移、旋轉(zhuǎn)和滑動乃至塊體的分離，從而可以較真實地模擬裂隙巖體的非線性大變形特征[2-4]。該方法適用于求解非連續(xù)地質(zhì)體的大變形問題，在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，該方法也存在著一些缺陷，如塊體間的接觸力計算是通過引入塊體嵌入（或疊合）的概念來實現(xiàn)的，這是不符合實際情況的。此外，巖體中存在的非貫通節(jié)理無法將巖體切割成完全離散的塊體，這嚴重制約著離散元法的發(fā)展和應(yīng)用。

三、用發(fā)展的眼光看地質(zhì)工程數(shù)值方法

隨著計算機技術(shù)和數(shù)值方法的日益進步，地質(zhì)工程數(shù)值方法也在飛速發(fā)展。地質(zhì)工程數(shù)值方法的發(fā)展與進步體現(xiàn)在以下四個方面：（1）新方法的出現(xiàn)和應(yīng)用。以物質(zhì)點法（Material Point Method，MPM）為例，該方法是Sulsky和Chen等于1994年提出的一種數(shù)值方法，其本質(zhì)是一種無網(wǎng)格法，目前在邊坡穩(wěn)定性分析和滑坡研究中得到了應(yīng)用[5，6]。（2）數(shù)值方法的耦合計算與應(yīng)用。有限元法和離散元法的耦合計算（FDEM）是目前工程地質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點，Mahabadi等編制了Y-Geo軟件，用來模擬巖石的損傷和破壞過程，該軟件兼具有限元和離散元法的優(yōu)勢，能夠模擬巖石從連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)介質(zhì)的過程。（3）非確定性方法也取得了長足的進展。由于地質(zhì)體具有模糊性、隨機性和各種不確定性，計算參數(shù)的選取成為工程地質(zhì)問題數(shù)值分析的關(guān)鍵。隨機有限元法、隨機物質(zhì)點法等方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，為解決巖土體的不確定性問題提供了強有力的技術(shù)手段，使我們看到了可靠度分析理論在工程地質(zhì)問題上的應(yīng)用前景。（4）專業(yè)軟件及功能的多樣化。地質(zhì)體是在漫長地質(zhì)歷史時期形成的復(fù)雜體系，具有復(fù)雜的工程力學(xué)性質(zhì)。隨著對地質(zhì)體本構(gòu)關(guān)系研究的不斷深入，專業(yè)化的軟件越來越多，促進了數(shù)值軟件向?qū)I(yè)化方向發(fā)展，并且具備了更多的功能模塊，如錨桿支護、隧道襯砌等模塊。地質(zhì)工程數(shù)值方法的快速發(fā)展為我們的教學(xué)工作提出更高的要求，這需要授課教師時刻關(guān)注本領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，及時掌握前沿進展，將最新的理論和應(yīng)用進展納入到授課內(nèi)容。

四、理論聯(lián)系實踐

地質(zhì)工程專業(yè)具有很強的實踐性，數(shù)值方法的學(xué)習(xí)也不例外。該門課程的主要目的是讓學(xué)生具備運用現(xiàn)有軟件解決實際的工程地質(zhì)問題，因此課程教學(xué)必須結(jié)合實例教學(xué)和上機操作。實例教學(xué)一方面提高了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也加深了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解[9]。只有通過實際操作和勤奮練習(xí)，學(xué)生才能熟練掌握數(shù)值軟件的分析流程，并通過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，真正具備運用數(shù)值軟件解決工程地質(zhì)問題的能力。

五、結(jié)語

針對部分學(xué)生及工程技術(shù)人員對地質(zhì)工程數(shù)值方法的一些錯誤認知，作者從馬克思主義哲學(xué)的角度對該門課程進行了深刻的思考和交流，并得到一些啟發(fā)。授課教師應(yīng)重點講解地質(zhì)工程數(shù)值方法的本質(zhì)、基本原理、適用條件和優(yōu)缺點，使學(xué)生能夠科學(xué)地認識和使用該方法。教師和學(xué)生都應(yīng)該用發(fā)展的眼光看待該方法，時刻關(guān)注該領(lǐng)域的前沿進展。在教學(xué)過程中，要重視實踐的作用，加強實例教學(xué)和案例練習(xí)。真正讓學(xué)生掌握該方法，具備運用該方法解決工程地質(zhì)問題的能力。

參考文獻：

[1]何滿潮，黃潤秋，王金安，等.工程地質(zhì)數(shù)值法[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]王曉明，鄭銀河.裂隙巖體表征單元體及尺寸效應(yīng)研究進展[J].巖土力學(xué)，2015，36（12）：3456-3464.

[3]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]Itasca Consulting Group，Inc.3DEC user；s guide（Version 4.1）[M].Minnesota，2007.

[5]史卜濤，張云，張巍.邊坡穩(wěn)定性分析的物質(zhì)點強度折減法[J].巖土工程學(xué)報，2016，38（9）：1678-1684.

[6]孫玉進，宋二祥.大位移滑坡形態(tài)的物質(zhì)點法模擬[J].巖土工程學(xué)報，2015，37（7）：1218-1225.