數(shù)值模擬試驗在應(yīng)用型本科土力學(xué)中的應(yīng)用研究

鄭文 劉光秀 魏婧

摘要： 應(yīng)用型本科的教學(xué)定位是以“應(yīng)用”為主，在知識的“學(xué)以致用”上更側(cè)重于實踐教學(xué)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。土力學(xué)是土木工程及相關(guān)、相近專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程的實踐性和理論性較強，內(nèi)容相對多但知識點趨于分散，而傳統(tǒng)的教學(xué)手段及方法較為單一，導(dǎo)致學(xué)生理解接收知識的難度較大，積極性不高，無法達到應(yīng)用型本科的教育培養(yǎng)目標。在“互聯(lián)網(wǎng)+ ”社會的大背景下，基于計算機模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，將數(shù)值模擬操作引入土力學(xué)第二課堂，豐富土力學(xué)試驗實踐教學(xué)手段，對應(yīng)用型本科土力學(xué)實踐改革提供一些參考。

Abstract： The teaching orientation of application-oriented undergraduate courses is based on "application"， which focuses more on the cultivation of practical teaching and application ability in the "learning and application" of knowledge. Soil mechanics is a basic compulsory course for civil engineering， which has practical and applied nature， and its content is abstract. the traditional teaching means and methods is relatively single， which causes students to understand receive knowledge is difficult， enthusiasm is not high， so it can't be achieved the education training target of the applied undergraduate. In the context of "Internet+"，based on the continuous development of computer simulation technology， the numerical simulation should be introduced in the second classroom of the soil mechanics teaching， which can rich soil mechanics experiment teaching means and provide some references for practice teaching reform of soil mechanics teaching.

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬；應(yīng)用型本科；土力學(xué)

Key words： numerical simulation；applied undergraduate；soil mechanics teaching

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0295-03

0 引言

應(yīng)用型本科的教學(xué)定位是以“應(yīng)用”為主，在知識的“學(xué)以致用”上更側(cè)重于實踐教學(xué)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。土力學(xué)是土木、水利及相關(guān)相近專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是一門研究與土的工程問題有關(guān)的學(xué)科[1]，既是工程力學(xué)的一個分支，又是土木工程學(xué)科的一部分。該課程從土的基本物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，研究土的強度理論、滲透理論和變形理論等知識，為解決相關(guān)工程問題提供試驗方法和理論基礎(chǔ)。該課程的實踐性和理論性較強[2]，長期的教學(xué)實踐反饋來看，課程知識點多且較為分散，理論與試驗不能較好的銜接，以致學(xué)生理解接收知識的難度較大，學(xué)習(xí)積極性不高，無法滿足應(yīng)用型本科能力培養(yǎng)要求。因此，針對應(yīng)用型本科院校教學(xué)培養(yǎng)目標進行土力學(xué)教改十分迫切且必要。

針對土力學(xué)教改方面的研究主要從兩個方面出發(fā)，一方面是土力學(xué)理論教學(xué)中教學(xué)手段和考核方式的改革，這方面的研究與嘗試已有不少成果[3-5]；另一方面是針對土力學(xué)試驗教學(xué)中的一些問題現(xiàn)象提出改進措施[6-8]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的社會大背景下，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)等引入實踐教學(xué)中來，作為傳統(tǒng)實驗室的擴展和補充，對于緩解應(yīng)用型本科院校實驗教學(xué)資源相對緊張的客觀實際是一種值得嘗試的途徑，試驗教學(xué)不再受到人員、時間、空間和面對面教學(xué)等條件的限制，達到學(xué)生“時時能學(xué)、處處可學(xué)”，既可以靈活安排試驗時間，預(yù)演試驗內(nèi)容，又能提升學(xué)生的計算機應(yīng)用水平，具有很高的實用價值。這方面已經(jīng)有不少教師、學(xué)者進行了一些嘗試[9-11]。

1 數(shù)值模擬試驗教學(xué)研究

土是由不同成因的巖石在風(fēng)化作用（物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化）后經(jīng)重力、流水、冰川和風(fēng)力等營力搬運、沉積而成的自然歷史產(chǎn)物。因此，土體是具有高度非連續(xù)、非均勻和非線性的散粒體，土體在受力后的性狀非常復(fù)雜，在多數(shù)情況下不能獲得解析解。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬理論的不斷成熟，有限元法應(yīng)運而生并逐漸得到了工程界的廣泛認可和重視，但在本科教學(xué)中引入數(shù)值模擬教學(xué)還并不多見。適用于巖土工程的數(shù)值分析軟件非常多，常用的有：SAP、ANSYS、ADINA、FLAC3D、PFC等等，本文介紹利用ANSYS和PFC數(shù)值模擬方法進行土力學(xué)試驗教學(xué)模擬。

1.1 ANSYS模擬土體抗拉強度試驗

ANSYS 分析基本過程為：①設(shè)定單元類型；②定義材料特性；③創(chuàng)建有限員模型并劃分網(wǎng)格；④定義邊界條件施加荷載并求解；⑤查看分析計算結(jié)果。

單元類型選用SOLID65 單元，該單元具有受拉開裂和受壓壓碎的性能，可以合理描述土體拉裂破壞過程。Solid65 單元采用的 William -Warnke 5 參數(shù)強度模型，其中需要的材料參數(shù)有：單軸抗拉強度，單軸、雙軸抗壓強度，靜水壓力，在靜水壓力作用下的雙軸、單軸抗壓強度。試樣為分層擊實的圓柱土體，因此計算中假定材料為一均質(zhì)材料。材料特性為彈塑性材料，選擇 ANSYS 中混凝土材料模型。選取合適材料參數(shù)，然后進行網(wǎng)格劃分，劃分時通過控制線的單元數(shù)目來控制單元密度，由 ANSYS 自動劃分，如圖1所示。接著施加邊界條件及求解。 邊界條件在試樣的下底面的半徑為 3cm 的同心圓面上施加全約束，而上端半徑為 3cm 的同心圓面上施加橫向約束，豎向自由。位移條件 在試驗是在 CBR 承載比試驗儀上進行的，即對試樣施加的是位移荷載，即對試樣施加一定的位移，再求出對應(yīng)的力。為了與試驗相對應(yīng)，數(shù)值計算過程也采用給定位移求應(yīng)力的方法來進行計算，模擬結(jié)果如圖2所示。計算結(jié)果與試驗值見表1所示，可見計算的結(jié)果比較理想，對于本科模擬試驗操作而言，這種精度是完全可以滿足要求的。

1.2 PFC模擬側(cè)限壓縮試驗

PFC（particle follow code，顆粒流）數(shù)值模擬方法是基于離散元的一種模擬技術(shù)，專門用于模擬固體力學(xué)大變形問題。土力學(xué)側(cè)限壓縮試驗用于測定土的壓縮系數(shù)，側(cè)限壓縮模量等衡量土壓縮性大小的指標。運用顆粒流方法分別模擬干土和飽和土的壓縮試驗并進行對比分析，可幫助學(xué)生認識土體壓縮過程及性狀。PFC 中的流固耦合原理可用于模擬飽和土，在比土體顆粒尺度大一點的計算域上對流體進行模擬，每個域包含一定數(shù)目的顆粒，但相對于整個分析模型來說這個域又很小。用流體域的平均流速代替域內(nèi)各點的流速，流體作用于單個顆粒的力與每個域的平均流速以及孔隙率有關(guān)。對于固相顆粒，通過求解運動方程模擬顆粒運動，對于土中水，通過求解 Navier-Stokes 方程模擬流體的運動。采用這種方法可以分析流體速度、流線、壓力、顆粒的運動和應(yīng)力分布[12，13] 。

在重力作用下使土樣沉積穩(wěn)定，得到兩個干土樣，對其中一個干土樣進行飽和，飽和方法是首先生成流體網(wǎng)格，然后在底部施加一個小的孔隙水壓力，如圖3所示，其中黑線表示土顆粒間的作用力，黑線的粗細反應(yīng)作用力的大小。土樣頂部圓形顆粒的組合視為豎向加載裝置，并依次施加在干土樣和飽和土樣頂部用一排圓形顆粒連接生成一個豎向加載裝置，并在土樣頂部施加50、100、200、400、800和1600kPa的豎向壓力，通過計算變形穩(wěn)定后頂部顆粒的平均豎向位移可計算每一級荷載下的壓縮量。圖 4 為兩土樣的 e-lgp 曲線。同時，還可以讓學(xué)生改變試樣顆粒級配、孔隙比等，觀察壓縮曲線的相應(yīng)變化，增強學(xué)生對土體壓縮性指標測試原理的認識和理解。

2 模擬試驗教學(xué)效果

土力學(xué)作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課和很多考研方向的專業(yè)課，其重要性不言而喻。土力學(xué)學(xué)習(xí)學(xué)生需要具備一定的工程地質(zhì)學(xué)和材料力學(xué)知識，但又區(qū)別于這些課程，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)之前對相關(guān)知識的了解還甚少，很多停留在主觀定性理解上，盡管土力學(xué)試驗可以幫助學(xué)生更好的理解土力學(xué)理論知識，理論講解又是土力學(xué)試驗教學(xué)的前提，二者相輔相成，但試驗教學(xué)無法引入課堂，二者常常會有時間和空間安排上的沖突，這時候數(shù)值模擬技術(shù)就可以不受試驗場所和時間的限制，而貫穿于課堂理論教學(xué)整個過程中?？梢酝ㄟ^模擬技術(shù)驗系統(tǒng)，形象、直觀、系統(tǒng)地向?qū)W生介紹土力學(xué)試驗的基本原理、基本方法，把土的應(yīng)力、變形、強度、滲流等方面的知識貫穿起來，使學(xué)生對土力學(xué)理論體系和試驗體系有一個完整的掌握。并且對于具體的試驗動手操作有很好的指導(dǎo)作用，也可以幫助學(xué)生進行數(shù)據(jù)的整理和分析，加深學(xué)生對土力學(xué)理論知識的理解和試驗方法的掌握，增強運用基本理論和試驗手段解決實際工程問題的能力。

3 結(jié)束語

應(yīng)用型本科院校正在不斷增加實踐教學(xué)課時，以更好地培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標，但又區(qū)別于高職院校，學(xué)生必須掌握基本理論知識并可以“學(xué)以致用”。土力學(xué)課程的理論性和實踐性均較強，但由于課程本身的性質(zhì)，知識點多且分散，另外教學(xué)手段單一，試驗教學(xué)與理論教學(xué)不同步等客觀原因，使得土力學(xué)教學(xué)效果達不到教學(xué)要求。對此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，提出應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)模擬試驗教學(xué)并引入課堂，初步教學(xué)反饋良好，學(xué)生對于數(shù)值模擬興趣較大，該方法不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維同時增強了學(xué)生的動手能力，最主要是使學(xué)生在短時間內(nèi)快速理解土力學(xué)試驗的主要方法和原理，提高了土力學(xué)教學(xué)質(zhì)量，部分考研學(xué)生也對數(shù)值模擬技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣，為進一步深造打下基礎(chǔ)，值得推廣。

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