《巖體力學(xué)》課程中巖石強(qiáng)度理論的教學(xué)方法探討

朱術(shù)云 孫強(qiáng) 賀虎

摘要：針對《巖體力學(xué)》課程中巖石強(qiáng)度理論這一重要教學(xué)內(nèi)容中3個主要強(qiáng)度條件及其公式容易混淆選擇使用的問題，筆者在授課過程中通過列表對比這些強(qiáng)度理論的基本定義及內(nèi)涵、強(qiáng)度條件、破壞判據(jù)和適用條件，并通過具體巖石工程實(shí)例的運(yùn)用進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生在解決具體實(shí)例中學(xué)會如何選擇使用這些強(qiáng)度理論，如何綜合判斷某巖石最終有沒有發(fā)生破壞。教學(xué)結(jié)果表明，列表和實(shí)例教學(xué)法的綜合應(yīng)用明顯加強(qiáng)了學(xué)生對巖石3個主要強(qiáng)度理論的理解和使用，提高了教學(xué)效果，這在一定程度上也證明了該綜合教學(xué)方法的應(yīng)用可行性。

關(guān)鍵詞：巖石強(qiáng)度理論；列表法；實(shí)例法；教學(xué)探討

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0165-02

《巖體力學(xué)》這門課程是我國高校土木、地質(zhì)和采礦工程等專業(yè)極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，是工程地質(zhì)學(xué)、土木工程學(xué)、采礦學(xué)和力學(xué)相互交融而形成的一門應(yīng)用性基礎(chǔ)學(xué)科，與人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展關(guān)系密切，眾多學(xué)者對該課程如何教學(xué)進(jìn)行了較深入探討[1-3]。

一、巖石強(qiáng)度理論概述

《巖體力學(xué)》課程是我校地質(zhì)工程專業(yè)巖土工程勘察方向本科生在大學(xué)三年級開設(shè)的一門專業(yè)選修課，課程總學(xué)時為40，其中，36學(xué)時為課堂理論教學(xué)，4學(xué)時為巖石力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.拉張性破壞強(qiáng)度理論。拉張性破壞強(qiáng)度理論也稱最大正應(yīng)變理論，該理論是基于廣義胡克定律基礎(chǔ)上，采用最大正（線）應(yīng)變理論來描述巖石拉張破壞強(qiáng)度和破壞準(zhǔn)則的理論，該理論表述了應(yīng)變控制下的拉張破壞是側(cè)向應(yīng)變超過了極限應(yīng)變所致，認(rèn)為控制巖石破壞的主導(dǎo)因素是抗拉強(qiáng)度，當(dāng)巖石受力所產(chǎn)生的拉張應(yīng)變εd超過其極限應(yīng)變ε時，巖石即發(fā)生破壞。由于最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論是基于廣義虎克定律提出的，巖石在彈性條件下拉張破壞才適用該強(qiáng)度準(zhǔn)則。因此，最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論適于進(jìn)行無圍壓或低圍壓狀態(tài)脆性破壞的堅硬巖的強(qiáng)度條件或破壞判別。

2.最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度理論。最大剪切應(yīng)力理論描述巖石剪切破壞的強(qiáng)度條件和破壞準(zhǔn)則。其理論表述為當(dāng)巖石中某一平面上的剪切應(yīng)力超過該面的極限抗剪強(qiáng)度時，巖石即發(fā)生破壞。該面的極限抗剪強(qiáng)度是該面法向應(yīng)力的函數(shù)：τ=f（σ）。主要包括庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則、庫侖—納維爾強(qiáng)度準(zhǔn)則和庫侖—莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則（即莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則）這三個準(zhǔn)則，教學(xué)要求弄清楚這三個準(zhǔn)則的關(guān)聯(lián)性和區(qū)別。

3.剪張強(qiáng)度理論。該理論主要是指格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則，表述為對于巖石內(nèi)部發(fā)育有裂紋情況下受復(fù)雜應(yīng)力作用，裂紋端部會形成應(yīng)力集中，當(dāng)這些裂紋端部所受拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度值時，原有裂紋就會繼續(xù)擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向主要受最大主應(yīng)力方向控制，導(dǎo)致巖石發(fā)生脆性拉伸破壞。其基本假設(shè)條件為巖石內(nèi)部原存裂紋為軸比很小的扁平狀橢圓形張裂隙，忽略裂紋面的摩擦作用，橢圓形裂紋可作為半無限介質(zhì)中的單個孔處理，相鄰裂紋之間互不影響，作平面應(yīng)力問題進(jìn)行分析。

二、列表法教學(xué)

在講授強(qiáng)度理論過程中發(fā)現(xiàn)不少同學(xué)在應(yīng)用這3個準(zhǔn)則進(jìn)行解決巖石力學(xué)破壞問題時不會選擇公式，對準(zhǔn)則使用混淆。為此，筆者利用近一個學(xué)時時間先要求學(xué)生對這3個巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則按基本定義及內(nèi)涵、強(qiáng)度條件、破壞判據(jù)和適應(yīng)條件進(jìn)行列表對比分析，然后再檢查和修正不妥和容易混淆的內(nèi)容，形成了如表1所示的綜合對比一覽表，充分發(fā)揮列表法在教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)。通過表1的直觀綜合對比，一方面有助于筆者清楚詳細(xì)地講授這部分內(nèi)容，另一方面更有利于學(xué)生理解、掌握和記憶。

三、實(shí)例法教學(xué)

為鞏固和加強(qiáng)學(xué)生對列表法的學(xué)習(xí)和掌握效果如何，結(jié)合實(shí)例教學(xué)法，給出了實(shí)際巖石強(qiáng)度理論的實(shí)例，讓同學(xué)們選擇用這3個強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)用。所用實(shí)例結(jié)合我校本科生專業(yè)特點(diǎn)，以服務(wù)礦山工程和礦山生產(chǎn)為主而區(qū)別于一般巖體力學(xué)教學(xué)，故在實(shí)例法教學(xué)當(dāng)中筆者選擇了礦山巷道揭露的巖石力學(xué)問題進(jìn)行探討。所用實(shí)例如下：一巷道揭露巨厚砂巖層位，取樣試驗(yàn)獲得該巖層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為：σ=5.7MPa；c=3.0MPa；φ=42°；μ=0.25。巷道深度位置的主應(yīng)力狀態(tài)為：σ=45MPa，近于垂直；σ=23MPa；σ=8MPa。

題目要求根據(jù)最大正應(yīng)變、莫爾和格里菲斯3個強(qiáng)度破壞判據(jù)，對巷道沿著σ2和σ3兩個主應(yīng)力方向分別布置進(jìn)行穩(wěn)定性分析討論，最終分析比較更合理的巷道施工方向的布置。同學(xué)們通過計算，考慮斷面與主應(yīng)力關(guān)系，不同方向最小主應(yīng)力是不同的，比如巷道沿著σ3主應(yīng)力方向，對于莫爾和格里菲斯準(zhǔn)則進(jìn)行判斷時考慮平面應(yīng)力問題，則斷面受最小主應(yīng)力應(yīng)為23MPa，而不是8MPa。具體解題過程考慮兩種條件：（1）如巷道沿σ3方向布置，考慮平面應(yīng)力條件，則斷面受力為：σ=45MPa，σ=23MPa；（2）如巷道沿σ2方向布置，考慮平面應(yīng)力條件，則斷面受力為σ=45MPa，σ=8MPa。

代入表1中相關(guān)公式進(jìn)行分別計算，綜合比較后分析得出巷道沿兩個方向的最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論判據(jù)結(jié)果是一樣的，莫爾判據(jù)和格里菲斯判據(jù)結(jié)果兩個方向雖都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但沿σ方向計算的莫爾判據(jù)和格里菲斯判據(jù)結(jié)果比沿σ方向的和臨界值相比均差別較大。故巷道沿著σ方向布置的穩(wěn)定安全系數(shù)將更高，建議巷道盡量沿著該方向施工。

四、結(jié)語

在巖石強(qiáng)度理論基本概念分析基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了列表法教學(xué)，通過3個強(qiáng)度理論列表綜合對比分析，使同學(xué)們比較容易掌握各個強(qiáng)度理論的基本定義及內(nèi)涵、強(qiáng)度條件、破壞判據(jù)和適用條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈明榮.巖體力學(xué)課程教學(xué)方法探討[J].高等建筑教育，2013，（6）：64-66.

[2]田紅，高金川.巖體力學(xué)本科教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2015，（47）：88-89.

[3]趙延林，萬文，唐勁舟.面向采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)改革[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2016，8（3）：61-63.

Abstract：Aiming at the three main strength conditions and their formulas in rock strength theory，which is an important part of rock mechanics course，it is easy to confuse the choice and use of rock strength theory.In the course of teaching，the author compares the basic definition and connotation of these strength theories，the strength condition，the failure criterion and the applicable condition，and carries on the teaching through the concrete rock engineering example application.Let students learn how to choose to use these strength theories in solving concrete examples，and how to synthetically judge whether a rock is destroyed or not.The comprehensive application of list and case teaching method has obviously strengthened the students' three main strength theories of rock.It also proves the feasibility of the comprehensive teaching method to some extent.

Key words：rock strength theory；list method；case study；teaching discussion