談ANSYS 在開放教育工程地質(zhì)課程教學(xué)中的應(yīng)用

王正一

(河南廣播電視大學(xué)，河南鄭州 450003)

1 工程地質(zhì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

《工程地質(zhì)》是中央廣播電視大學(xué)“開放教育試點(diǎn)”工學(xué)科土建類土木工程專業(yè)建筑管理課群組的一門統(tǒng)設(shè)必修課。本課程3學(xué)分，課內(nèi)學(xué)時54，開設(shè)一學(xué)期。本課程是一門與工程實(shí)踐密切相關(guān)的專業(yè)課。學(xué)生通常在學(xué)習(xí)完建筑材料和建筑力學(xué)等課程后學(xué)習(xí)這門課，工程地質(zhì)主要內(nèi)容包括巖石、地下水等基本概念和基本理論，常見地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、泥石流、地下隧道巖爆等復(fù)雜工程地質(zhì)問題。使學(xué)生為后續(xù)課程如橋梁工程、地下工程等的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，也為學(xué)生在工作中如工民建、道橋、隧道等實(shí)際工程施工中提供理論參考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

開放教育的學(xué)生主要通過觀看網(wǎng)上視頻課件、閱讀文字資源、BBS論壇提問等方式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，學(xué)生上面授課的機(jī)會很少。對于工程地質(zhì)等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程本身就很難理解，特別是在地下工程中，如塌頂、巖爆等復(fù)雜工程地質(zhì)現(xiàn)象在講解時，利用傳統(tǒng)的純理論講解方法很難給學(xué)生講清楚。不但會影響本課程的教學(xué)效果，而且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也難以理解和掌握。因此有必要進(jìn)行改革，使這門課程的教學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合，使開放教育教學(xué)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)深度融合。在工程地質(zhì)教學(xué)過程中利用傳統(tǒng)教學(xué)媒體的同時與ANSYS(有限元分析軟件)數(shù)值仿真技術(shù)緊密結(jié)合，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)遠(yuǎn)程教學(xué)的優(yōu)勢，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時和工程實(shí)踐相聯(lián)系，有助于學(xué)生學(xué)好這門課，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。本文以巖爆的形成過程為例進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬教學(xué)［1］。

2 巖爆的形成過程理論分析

“巖爆”就是洞室在開挖中，圍巖偶爾會以爆炸的形式為表象，彈出透鏡體碎片和巖塊等，同時發(fā)出類似射擊的僻啪響聲。一般情況下，輕微的巖爆只有剝落巖片并沒有彈射，但是嚴(yán)重的巖爆可測到較高的震級，同時伴有巨大的聲響。巖爆具體發(fā)生的時間并不確定，有時會瞬間發(fā)生，有時也會持續(xù)幾天乃至好幾個月。

巖爆多發(fā)生在深度大于200 m，250 m的洞室中;有時深度不大，甚至在采石場或露天開挖中也可發(fā)生巖爆。巖爆本質(zhì)上是在一定地質(zhì)條件下，圍巖彈性應(yīng)變能的高度而迅速集中、而又突然劇烈釋放有關(guān)的過程。

通常在開挖洞室過程中，堅(jiān)硬且沒有明顯微裂紋或微裂紋沒有貫通的彈脆性巖體，圍巖的變形并不明顯，而且完成此變形的時間也較短;當(dāng)應(yīng)力解除時，巖體的體積會迅速增大;圍巖表面上的裂縫和空洞會突然縮小。因此巖爆對地下工程常造成的危害是非常大的，輕者會造成支護(hù)破壞巷道倒塌，嚴(yán)重情況下，會造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

引起工程巖體破壞的影響因素有很多，如巖體本身的特性、工程加荷與卸荷、天然應(yīng)力狀態(tài)、圍限壓力及溫度效應(yīng)、地下水作用和時間等因素的綜合作用造成了巖體的最終破壞;巖體一般有剪切破壞和拉斷破壞兩種形式。在高地應(yīng)力作用下，埋深較大的巖石隧道，巖爆主要受自重應(yīng)力控制，因此發(fā)生的巖爆較強(qiáng)烈，有研究表明巖爆的形狀常為“V”形三角坑，且呈小階梯狀［2］，與洞口邊界成一定的夾角，如圖1所示。

圖1 巖爆“V”形三角坑示意圖

3 巖爆破壞過程數(shù)值模擬

巖爆破壞過程數(shù)值模擬模型采用巖石彈脆性細(xì)觀斑圖損傷模型，數(shù)據(jù)參照實(shí)際工程選取。參數(shù)如表1所示，模型如圖2所示。

表1 巖爆數(shù)值模擬選取參數(shù)

圖2 巖爆數(shù)值模擬模型

通過ANSYS參數(shù)化程序，模擬了“V”形巖爆的孕育過程，直觀的展現(xiàn)出了巖爆的破壞過程，黑色斑點(diǎn)表示破壞單元，如圖3所示。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可以形象直觀的看出:小自重應(yīng)力作用下，破壞不明顯，幾乎沒有微單元破壞，如圖3，N10所示;當(dāng)深度增加時，自重應(yīng)力也會逐漸增大，因此達(dá)到破壞的微單元就會逐漸增多，如圖3，N50所示;當(dāng)隨著多個破壞點(diǎn)的不斷出現(xiàn)，最終由點(diǎn)變成線就會貫通巖石形成破壞面，如圖3，N72所示;隨著破壞面的形成，不同角度的破壞面和巖石界面相交，最后形成“V”形三角坑，如圖3，N151所示。

圖3 “V”形巖爆形成過程

此時，當(dāng)巖石破碎所消耗的能量小于巷道圍巖儲存的彈性應(yīng)變能時，巖石碎片和顆粒就會從巖壁突然飛崩出來形成巖爆［4］。

4 巖爆的數(shù)值模擬教學(xué)效果

通過將彈脆性巖石的細(xì)觀損傷演化模型結(jié)合工程實(shí)踐，形象直觀的模擬了三角形巖爆的演變發(fā)生過程和其基本特征，同時與開放教育專業(yè)課工程地質(zhì)的課堂教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生對巖爆的形成過程有了更加直觀、形象和深刻的認(rèn)識，對于學(xué)生在實(shí)際工作中遇到類似問題進(jìn)行現(xiàn)場分析和處理提供了一定的參考，提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

將工程地質(zhì)的課堂教學(xué)與工程實(shí)際和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用ANSYS的強(qiáng)大數(shù)值模擬功能，把復(fù)雜難懂的地質(zhì)問題通過圖片清晰明了的展現(xiàn)出來，讓教學(xué)手段現(xiàn)代化，把抽象問題具體化，使學(xué)習(xí)難點(diǎn)簡易化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時對工程實(shí)踐也有所了解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，達(dá)到了較好的教學(xué)效果［5］。

［1］王正一.脆性材料強(qiáng)度理論的數(shù)值教學(xué)［J］.山西建筑，2013，39(26):250-251.

［2］徐林生.川藏公路二郎山隧道高地應(yīng)力與巖爆問題研究［D］.成都:成都理工學(xué)院博士學(xué)位論文，1999:51-60.

［3］王 利，闞永明，高 謙，等.巖爆孕育和發(fā)生全過程數(shù)值研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(5):55-57.

［4］王正一.彈脆性巖石損傷演化的細(xì)觀數(shù)值研究及工程應(yīng)用［D］.鄭州:河南理工大學(xué)，2009:53-58.

［5］王正一.淺談ANSYS在開放教育混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.河南廣播電視大學(xué)學(xué)報，2013(2):59-60.