浅析数值仿真技术对《岩石力学》教学的促进

摘 要:通过数值仿真技术,对岩石力学课程中相关章节中的具体问题进行分析,将计算分析结论与教材中的内容相比较,分析二者之间的相同之处或产生差异的原因。通过近两个学期的实践证明,采用该技术能够丰富课堂教学内容,提高学生学习岩石力学课程的兴趣与积极性。

关键词:岩石力学 教学 数值仿真技术

中图分类号:G64文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0184-02

岩石力学是高等学校土木工程、水利工程、工程力学、采矿工程等诸多专业的必修课,是一门与生产实际紧密结合的课程。地下洞室是岩体工程中建造最多的地下构筑物,如公路和铁路隧道、地下厂房等。如何解决在建造地下洞室时所遇到的各种岩体力学问题,包括岩体的二次应力分布、围岩压力的计算等问题,将直接影响地下洞室的设计与施工工作[1]。

地下开挖之前,岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。洞室开挖后,洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑,破坏了原来的受力平衡状态,而向洞内空间胀松变形,其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系,引起应力、应变和能量的调整,以达到新的平衡,形成新的应力状态。我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用,称为围岩应力重分布作用或称为围岩二次应力状态。围岩的二次应力分布呈弹性与弹塑性两种分布形式,《岩石力学》按照由易到难的顺序对该问题进行了讲解。通过近几学期的教学情况看,此部分内容涉及大量的弹塑性力学知识及公式推导,大多学生感觉枯燥乏味,导致该部分内容教学效果欠佳。下面以“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”为例,分析数值仿真技术在《岩石力学》教学当中的应用。

1 数值仿真的实现

1.1 数值方法的选用[2]

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。尤其在分析小变形等弹性力学问题时具有其他软件无法具有的优势,针对“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”分析,采用ANSYS软件是合适的。

1.2 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数为λ=1时

计算模型的尺寸为14m×14m,中间开挖一半径为1m的洞室。边界条件:固定左侧水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移,同时在模型右侧与上端施加1MPa的压力。采用平面应变问题进行分析。

(图1、图2)分别给出了计算后洞壁周围围岩的二次应力分布情况,与《岩石力学》教材中圆形洞室的二次应力分布状态比较后发现,二者图形分布一致。切向应力随着r的增大而减小,径向应力却随之而增大。当距离洞壁四倍的半径左右位置时,径向应力与切向应力都趋向于围岩的初始应力1MPa,也就是说,洞室的开挖在此种工况下对围岩的影响范围在四倍的半径范围之内。这一些结论与《岩石力学》教材中的内容是完全一致的。由于划分网格等问题的影响使得洞壁周边的径向应力没有为零,同时洞壁边缘的切向应力也不像理论分析的那样为2MPa。但是比较数值模拟结果与理论分析结果会发现,二者的差别不大,能够满足工程计算的精度要求。

1.3 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数不等于1时

通过1.2节的分析可以发现,采用ANSYS软件对以上问题的分析是准确可靠的。所以,应用ANSYS可以分析当侧压力系数不等于1的情况。模型同1.2节,水平方向的荷载改为0.5MPa即侧压力系数为λ=0.5,计算结果如(图3、图4)。从洞壁径向与切向应力分布图可以看出,此情况下的应力分布比侧压力系数为1的情况要复杂的多。即便如此,教师可以比较清晰的对图中应力分布的特点进行分析与讲解。学生也可以从繁琐的计算公式中解放出来,对洞壁周边围岩的二次应力情况有比较深刻的感性认识。

2 结语

大多的《岩石力学》教材中还对椭圆孔以及其他不规则空洞问题的二次应力分布问题进行了讲解,与以上分析的两种情况相比更加复杂,计算公式更加的冗长。有了数值模拟方法,我们可以很容易的获得在不同工况下不同形状洞室的二次应力分布情况。在授课的过程中,还可以给学生讲解有关有限元分析的原理,以及ANSYS软件的具体操作,使得学生在学好《岩石力学》大纲规定相关内容的同时,开阔了他们的视野,提高了学习《岩石力学》课程的兴趣与积极性。同时,为以后学生进入更高层次阶段的学习打下良好的基础。

参考文献

[1]沈明荣,陈建峰.岩体力学[M].上海:同济大学出版社,1999.

[2]尚晓江,邱峰,赵海峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

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