基于數(shù)值試驗的巖石力學(xué)教學(xué)模式改革

鄔忠虎 婁義黎

摘? 要：隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值試驗已成為第三種科學(xué)研究方法，探究如何將數(shù)值試驗技術(shù)引入高校學(xué)科教學(xué)顯得尤為重要。文章通過巖土工程領(lǐng)域的常用軟件RFPA對頁巖進(jìn)行了力學(xué)特性和破裂損傷過程分析，充分證實了RFPA可以極大地促進(jìn)學(xué)生對巖土工程課程理論的理解，且其操作簡單方便，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣。因此，將其引入到高校學(xué)科教學(xué)中符合高校教學(xué)研究要求，并將推動高?？蒲薪ㄔO(shè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：RFPA;巖土工程;數(shù)值模擬技術(shù);教學(xué)改革中

圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）21-0118-04

Abstract： With the development of numerical simulation technology， numerical experiment has become the third scientific research method. It is particularly important to explore how to introduce numerical experiment technology into university subject teaching. In this paper， the mechanical properties and fracture damage process of shale are analyzed by RFPA， a commonly used software in geotechnical engineering field. It is fully proved that RFPA can greatly promote students' understanding of geotechnical engineering course theory， and its operation is simple and convenient， so it is widely used in geotechnical engineering field. Therefore， it meets the requirements of teaching and research and will promote the development of scientific research construction in colleges and universities.

Keywords： RFPA; geotechnical engineering; numerical simulation technology; teaching reform

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已發(fā)展成為第三種科學(xué)研究方法。數(shù)值模擬的出現(xiàn)填補了理論研究和物理實驗在科學(xué)研究中的不足，這使得近年來數(shù)值模擬技術(shù)得以快速發(fā)展，并成為許多高校教學(xué)必修學(xué)科。

自1953年數(shù)值模擬技術(shù)誕生以來，經(jīng)過60余年的發(fā)展，已發(fā)展了許多數(shù)值模擬軟件，例如PHREEQC、GEM、ANSYS、ABAQUS、MATLAB、RFPA、DDA、FLAC3D等數(shù)值模擬軟件，其中ANSYS、ABAQUS、RFPA、FLAC3D等軟件常用于巖土工程領(lǐng)域^[1-5]。RFPA全稱是Realistic Failure Process Analysis，即真實破裂過程分析方法，RFPA是由唐春安教授最先研發(fā)并使用的，它考慮了天然巖體的非連續(xù)、非均質(zhì)、非彈性、各向異性，這使得它在巖土工程領(lǐng)域被大量應(yīng)用^[6-8]。

物理實驗雖然是巖土工程中的重要方法，但其苛刻的實驗條件使得很多高校無法做到讓每名學(xué)生都能做到不同的物理實驗。而數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)可以很好地彌補這一點，學(xué)生只需有一臺筆記本電腦就能輕松完成各種數(shù)值模擬，促進(jìn)完善學(xué)生對巖土工程知識的學(xué)習(xí)。本文以頁巖力學(xué)特性和破裂損傷過程分析為例，通過RFPA2D-DIP對頁巖進(jìn)行了直接拉伸模擬，探究了RFPA在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用及重要性。

一、RFPA原理介紹

RFPA2D-DIP是大連力軟科技有限公司研發(fā)的巖石破裂軟件，該軟件可進(jìn)行單軸拉伸、單軸壓縮以及三軸壓縮等數(shù)值模擬。在建立數(shù)值模型時基于以下假設(shè)條件進(jìn)行^[9-10]。

1. 將材料的非質(zhì)性參數(shù)引入到計算單元，宏觀破壞是單元破壞的積累過程。

2. 認(rèn)為單元性質(zhì)是線彈-脆性或脆-塑性的，單元的彈模和強度等其他參數(shù)服從某種分布，如正態(tài)分布、韋伯分布、均勻分布等。

3. 認(rèn)為當(dāng)單元應(yīng)力達(dá)到破壞的準(zhǔn)則發(fā)生破壞，并對破壞單元進(jìn)行剛度退化處理，故可以以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法處理物理非連續(xù)介質(zhì)問題。

4. 認(rèn)為巖石的損傷量、聲發(fā)射同破壞單元數(shù)成正比。

RFPA-DIP中采用了損傷本構(gòu)模型，外力作用下單元破裂損傷后的本構(gòu)關(guān)系可以如下表示^[11-12]。

E=（1-D）E₀，? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，E為單元損傷后的彈性模量;E₀為單元的初始彈性模量;D為單元的損傷變量。

單軸拉伸作用下的損傷本構(gòu)關(guān)系如圖1所示，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過單元的單軸拉伸強度時，單元將發(fā)生拉伸破壞，在拉伸應(yīng)力作用下單元損傷演化方程可以表示為：

式（2）中，ε_t0為單元彈性極限對應(yīng)的拉伸應(yīng)變;ε_tu為單元的極限應(yīng)變。