數(shù)字巖芯仿真技術(shù)在巖石力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐和人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

宋睿 鄭立傅 田均

摘? 要：巖石力學(xué)是研究巖石在外界因素（如荷載）作用下的變形及破壞特性的學(xué)科，是土木、石油工程等專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)巖石力學(xué)課堂教學(xué)中，學(xué)生難以對(duì)巖石內(nèi)部變形-破壞過程，以及巖石內(nèi)部應(yīng)力分布等現(xiàn)象形成直觀的認(rèn)識(shí)。為了改善這一不足，文章提出了一種結(jié)合微尺度模型重建及數(shù)值仿真的新型課堂教學(xué)方法。以某砂巖CT圖像重建模型為例，文章詳細(xì)介紹了利用ANSYS軟件開展巖石變形仿真分析的課程應(yīng)用案例設(shè)計(jì)。該方法可以實(shí)現(xiàn)巖石內(nèi)部變形-破裂的可視化仿真，從而加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生興趣，有效提高巖石力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字巖芯;仿真分析;微觀變形;巖石力學(xué);課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：C961? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）06-0156-03

Abstract： Rock mechanics is a discipline that involves in the deformation and failure characteristics of rocks under external factors （such as loads）. It is a compulsory course for civil engineering and petroleum engineering， etc. In the traditional classroom teaching， it's difficult for the students to gain an insight on the deformation-crack process， and the distribution of the stress internal the rock. To improve these shortcomings， this paper proposes a new design of classroom teaching using micro-scale reconstructed model and numerical simulation. Taking the reconstructed model from micro- CT image of sandstone as an example， the application cases of rock deformation simulation analysis using ANSYS software are presented detailly. This method can realize the visualized simulation of the internal deformation-crack of rock， which will increase the students' interest in learning， and promote the teaching quality of the rock mechanics course as well.

Keywords： digital core; simulation analysis; microscopic deformation; rock mechanics; course design

巖石力學(xué)是一門綜合了工程力學(xué)、斷裂力學(xué)、地質(zhì)工程、以及環(huán)境工程等多學(xué)科交叉的工程學(xué)科。巖石力學(xué)類課程是泛土木工程類及能源礦產(chǎn)類專業(yè)的一門必修課程，主要目的在于讓學(xué)生了解巖石基本性質(zhì)（組成、應(yīng)力、強(qiáng)度及變形），掌握相關(guān)測(cè)試、計(jì)算及分析方法，具備初步解決巖石力學(xué)實(shí)際問題的能力。傳統(tǒng)的巖石力學(xué)課堂教學(xué)中，教師主要通過多媒體課件完成相關(guān)內(nèi)容的講授，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也以演示為主。然而教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生往往難以參與其中，導(dǎo)致學(xué)生課堂興趣不高，教學(xué)效果自然也不理想。因此，如何提高學(xué)生在巖石力學(xué)類課程教學(xué)中的參與度，從而提高課程教學(xué)效果對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)的巖石力學(xué)人才具有重要意義[1-2]。

然而，巖石力學(xué)相關(guān)課程的公式多且推導(dǎo)過程復(fù)雜，課堂計(jì)算練習(xí)局限于巖石簡(jiǎn)單受力分析及工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。對(duì)于巖石力學(xué)性質(zhì)的研究，主要通過傳統(tǒng)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂、拉伸等。受限于以上實(shí)驗(yàn)的安全性及可操作性，并不是每一位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)，同時(shí)巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布情況也無(wú)法直接觀測(cè);而視頻教學(xué)又無(wú)法控制巖石模型尺寸及力學(xué)參數(shù)，限制了高校巖石力學(xué)類課程的教學(xué)效果。

近年來(lái)，隨著微觀成像及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CT掃描技術(shù)逐漸應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域，研究者可以通過微CT成像獲得巖石微/納米級(jí)圖像，經(jīng)圖像處理后重構(gòu)三維數(shù)字巖芯模型，開展巖石微觀力學(xué)特性數(shù)值仿真研究[3]。本文以巖石微觀圖像處理、數(shù)字模型重構(gòu)、微尺度單軸數(shù)值仿真為例，緊密結(jié)合巖石力學(xué)類課堂教學(xué)，將巖石受力及其變形情況進(jìn)行三維可視化，加深學(xué)生對(duì)各個(gè)層面知識(shí)點(diǎn)的理解，以達(dá)到提升巖石力學(xué)類課程教學(xué)效果的目的。

一、數(shù)字巖芯及數(shù)值仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

（一）數(shù)字巖芯技術(shù)

數(shù)字巖芯技術(shù)是利用高分辨率的CT成像系統(tǒng)獲得巖芯的微/納米級(jí)圖像，通過圖像可以直觀地觀察巖石的微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙大小、孔隙連通性，礦物分布與膠結(jié)特征等。通過降噪、濾波及分割等一系列圖像處理，提取巖石的孔隙、骨架以及礦物，然后采用相關(guān)軟件建立可用于后續(xù)數(shù)值仿真計(jì)算的有限元模型。

（二）數(shù)值仿真技術(shù)

數(shù)值仿真技術(shù)主要是采用數(shù)值計(jì)算方法再現(xiàn)已知的巖石力學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)而結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的巖石力學(xué)行為進(jìn)行解釋[4]。巖石力學(xué)課堂教學(xué)中的巖石力學(xué)性質(zhì)正是對(duì)已有結(jié)論的講解與分析，學(xué)生卻缺乏對(duì)已知力學(xué)現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)，而數(shù)值仿真技術(shù)可以有效彌補(bǔ)這些不足。本文采用ANSYS軟件開展微尺度巖石單軸壓縮數(shù)值仿真計(jì)算，讓學(xué)生直觀地通過云圖觀察巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布與變形，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的探索興趣，提升教學(xué)效果。

二、數(shù)值仿真技術(shù)在巖石力學(xué)課程中的教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)結(jié)合教學(xué)實(shí)例詳細(xì)分析巖石微觀圖像處理及三維模型重構(gòu)和數(shù)字巖芯單軸壓縮數(shù)值仿真在巖石力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）巖石微觀圖像處理及三維模型重構(gòu)

利用CT成像技術(shù)獲取巖石微觀圖像，如圖1（a）所示（分辨率4.326μm/pixel，400×400×400像素）。采用Avizo軟件進(jìn)行圖像濾波及分割處理，根據(jù)骨架和孔隙的灰度值差異，分別提取巖石骨架與孔隙，如圖1（b）所示（黑色代表骨架，白色代表孔隙），該二值化圖像可以加深學(xué)生對(duì)巖石骨架和孔隙結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)。因?yàn)橥獠亢奢d作用于巖石骨架，所以在巖石變形中往往通過構(gòu)建巖石骨架的有限元網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值仿真。本節(jié)基于有限元網(wǎng)格與圖像像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的思想建立了巖石骨架的有限元網(wǎng)格模型，如圖1（c）所示?；谥亟ǖ哪Ｐ烷_展巖石變形分析教學(xué)，使學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)、軟件知識(shí)以及分析方法等綜合技術(shù)理解并掌握巖石微觀結(jié)構(gòu)特征，開拓學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）單軸壓縮數(shù)值仿真研究

1. 邊界條件

以模型S1為例，開展巖石單軸壓縮數(shù)值仿真分析，將重建的巖石骨架有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析。邊界條件設(shè)置（圖2）參照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用位移控制，下表面施加固定約束條件，上表面位移加載，通過數(shù)值仿真強(qiáng)化學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)加載方式的掌握。

2. 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖3所示為巖石應(yīng)力分布云圖，圖中可以看出巖石不同區(qū)域顏色不同，表明巖石應(yīng)力分布不均勻。由于上表面為位移加載，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著位移的增大，巖石受到的力也越來(lái)越大。傳統(tǒng)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)生難以了解巖石不同區(qū)域的應(yīng)力分布情況，而采用仿真技術(shù)學(xué)生可以直觀地觀察到巖石各區(qū)域受力大小及加載面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3. 位移場(chǎng)分析

圖4為不同時(shí)間步巖石位移變化云圖，從圖中可以看出在位移邊界條件下，根據(jù)位移的大小可以劃分為多個(gè)變形帶，巖石表現(xiàn)出整體平移的特征，并且在各變形帶之間出現(xiàn)了較小的拱形變形。位移控制下的單軸壓縮最終破壞模式在實(shí)驗(yàn)中可以觀測(cè)到，但是理論上的變形與破壞過程中的位移演化是傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)到的。然而，數(shù)值仿真技術(shù)可以通過三維可視化的數(shù)字巖芯模型展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際操作的反饋信息來(lái)形成對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生勇于探索的好奇心，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)及對(duì)未知現(xiàn)象的探索。

4. 塑性應(yīng)變場(chǎng)分析

圖5為塑性應(yīng)變場(chǎng)云圖，在該階段表明巖石已經(jīng)由彈性變形階段進(jìn)入到塑性變形破壞階段，隨著時(shí)間的增加，可以看出巖石內(nèi)部出現(xiàn)的塑性破壞區(qū)域越來(lái)越大，X形共軛塑性剪切帶逐漸形成（圖中圓圈所示），課堂教學(xué)中學(xué)生對(duì)于X形剪切帶概念及形成原因都已熟稔于心，卻難以直觀體會(huì)其演化過程，而數(shù)值仿真技術(shù)可以再現(xiàn)X形剪切帶演化過程，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足。采用數(shù)值仿真技術(shù)提高了教學(xué)的靈活性和生動(dòng)性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)意識(shí)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)值仿真內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文利用CT掃描及圖像處理技術(shù)重建了巖石骨架有限元網(wǎng)格模型，結(jié)合ANSYS軟件開展了微尺度巖石單軸壓縮數(shù)值仿真，論述了數(shù)值仿真技術(shù)在巖石力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，數(shù)字巖芯技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巖石微觀結(jié)構(gòu)的三維可視化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)，同時(shí)數(shù)值仿真技術(shù)使學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)中的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（應(yīng)力集中、X形共軛剪切帶）有了更深刻的記憶與了解，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)巖石力學(xué)課堂教學(xué)空洞說教的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

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