高 敏

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 安徽 淮南 232001）

由于中國經(jīng)濟發(fā)展和擴大內(nèi)需的需要，地鐵、公路與鐵路交通、市政、水利水電、油氣勘探開發(fā)等與巖土工程及地下工程相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，高等學(xué)校土木工程專業(yè)巖土工程方向人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。巖石力學(xué)是高等學(xué)校土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門緊密結(jié)合生產(chǎn)實際并促進相應(yīng)工程不斷發(fā)展的課程，課程培養(yǎng)方案的合理與否，直接影響到學(xué)生的實踐及應(yīng)用能力。一方面，巖石力學(xué)的理論性較強，常規(guī)教學(xué)主要以老師書面講解，多媒體、板書等相結(jié)合特點，學(xué)生難以對相關(guān)理論深刻理解；另一方面，限于室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實踐局限性，學(xué)生的視野與創(chuàng)新能力難以得到進一步的拓展和增強，因此，亟須增加和豐富相關(guān)的課堂教學(xué)資源。

近年來計算機數(shù)值仿真模擬技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用得到不斷發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)具有一系列的優(yōu)點，如較強的通用性、靈活性及可重復(fù)性等。由于許多重要信息在常規(guī)實驗室中難以觀測獲取，此時可以通過數(shù)值計算得到。王述紅[1]等利用計算機數(shù)值模擬方法實施巖石力學(xué)數(shù)值實驗，自主研發(fā)了巖石力學(xué)破壞過程分析系統(tǒng)，對巖石力學(xué)實驗進行輔助教學(xué)，并取得了較好的教學(xué)效果；戰(zhàn)玉寶[2]對巖石力學(xué)課程中的相關(guān)問題進行了數(shù)值模擬分析，驗證了數(shù)值模擬技術(shù)能夠豐富課堂教學(xué)內(nèi)容；張曉君[3]等將數(shù)值模擬技術(shù)演示于課程教學(xué)中，不僅提升了課堂教學(xué)效果，而且使學(xué)生了解和掌握到更多巖石力學(xué)領(lǐng)域的知識和信息；趙寶玉[4]等將數(shù)值仿真技術(shù)運用到巖石力學(xué)實驗教學(xué)中，介紹了在巖石力學(xué)實驗教學(xué)中運用數(shù)值仿真技術(shù)的步驟。

數(shù)值仿真技術(shù)不僅能夠重現(xiàn)巖石力學(xué)行為的室內(nèi)實驗現(xiàn)象，而且能夠模擬力學(xué)行為復(fù)雜的實際巖土工程[5]。通過理論聯(lián)系實際，結(jié)合具體工程，運用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)實際工程并應(yīng)用于巖石力學(xué)課程教學(xué)中，筆者探索了采用數(shù)值仿真技術(shù)輔助巖石力學(xué)課程教學(xué)的思路。

1 巖石力學(xué)課程教學(xué)中存在的相關(guān)問題

1.1 巖石力學(xué)課程具備的特點

巖石力學(xué)是研究在各種力場的作用下巖體變形與破壞規(guī)律的理論和科學(xué)，也是解決巖石工程技術(shù)問題的理論基礎(chǔ)，具有重要的工程應(yīng)用價值。巖石力學(xué)蘊含深奧的力學(xué)原理，主要運用力學(xué)原理和方法以及地質(zhì)學(xué)原理來研究巖體力學(xué)行為，課程對學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)要求較高。巖石力學(xué)研究內(nèi)容較為廣泛，其研究對象通常處在較為復(fù)雜的工程環(huán)境系統(tǒng)下。因此，巖石力學(xué)研究過程中無法對研究對象逐一孤立，像其他自然科學(xué)那樣得到普遍和精確的結(jié)果與規(guī)律。復(fù)雜環(huán)境下巖體的力學(xué)特性，需要涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域，如斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)、地球物理學(xué)以及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等，這對巖石力學(xué)課程教學(xué)提出了極大的難點和挑戰(zhàn)。

巖石力學(xué)理論是在解決具體巖體工程問題中凝練而成，其力學(xué)特性和規(guī)律也是基于大量試驗，通過歸納總結(jié)得出的。目前巖石力學(xué)相關(guān)工程主要以工程經(jīng)驗為主，輔助力學(xué)相關(guān)理論加以指導(dǎo)，且該學(xué)科目前仍處于不斷發(fā)展與完善之中。由此，在巖石力學(xué)課程的教學(xué)過程中可以根據(jù)課程特點，有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。當(dāng)前與巖石力學(xué)相關(guān)的工程建設(shè)廣泛興起，國家基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，為適應(yīng)巖石力學(xué)相關(guān)工程建設(shè)和發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)課程教學(xué)模式有必要進一步改進和完善，以理論教學(xué)為主導(dǎo)，不斷強化實驗教學(xué)和實際工程應(yīng)用。

1.2 巖石力學(xué)課程教學(xué)主要存在問題

1.2.1 教材陳舊，內(nèi)容落后缺乏生動性

目前，普通高校適用的巖石力學(xué)教材，內(nèi)容多滯后于當(dāng)今巖石力學(xué)與地下工程的實際發(fā)展水平。近年來，大量重大巖土工程的建設(shè)，如南水北調(diào)、青藏鐵路、西氣東輸、CO2咸水層封存、能源地下儲備、核廢料地下儲存等工程對巖石力學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，出現(xiàn)了越來越多的新問題，巖石力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的陳舊與落后更加明顯。當(dāng)前巖石力學(xué)教學(xué)多利用多媒體課件，輔助板書，并以少量的室內(nèi)試驗相配合，這種教學(xué)模式一直持續(xù)了十多年，教學(xué)模式陳舊，學(xué)習(xí)效率一般，難以對該課程有較深刻的認(rèn)識。

1.2.2 巖石力學(xué)實驗設(shè)備不足、設(shè)備陳舊

目前國內(nèi)大部分開設(shè)土木工程專業(yè)的高校還存在實驗設(shè)備不足、試驗場地缺乏等問題，特別是巖石力學(xué)課程實驗，對實驗設(shè)備的要求遠(yuǎn)高于土力學(xué)。另外，部分高校將巖石力學(xué)課程課時設(shè)置為選修課程，這將直接影響課程教學(xué)的安排以及學(xué)生對課程的重視程度。

1.2.3 教學(xué)內(nèi)容繁雜

巖石力學(xué)課程內(nèi)容繁雜、理論性強，涉及學(xué)科廣，易使學(xué)生產(chǎn)生畏難心理和厭學(xué)情緒，不利于教學(xué)的開展，學(xué)生也很難對課程內(nèi)容有一定程度的把握。另外，我國高等學(xué)校所屬領(lǐng)域和行業(yè)部門不同，致使各高等學(xué)校相關(guān)巖石力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容過于行業(yè)化，課程教學(xué)服務(wù)對象相對單一，課程內(nèi)容設(shè)置針對性較強，通常只介紹本行業(yè)的相關(guān)知識，而忽略邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的介紹，導(dǎo)致學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和層面相對較窄，為學(xué)生解決實際工程問題帶來困難，同時也不滿足國家提倡的復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。

1.2.4 與工程實踐脫節(jié)

隨著巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論不斷發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于隧道工程、采礦工程、石油工程、交通、海洋等工程，規(guī)模越來越大，對相關(guān)技術(shù)人才的專業(yè)素養(yǎng)要求越來越高。巖石力學(xué)的誕生和快速發(fā)展說明了該課程具有較強的實踐和應(yīng)用性質(zhì)，高校應(yīng)該制訂相應(yīng)的實踐教學(xué)計劃，讓學(xué)生將課堂理論知識用于實踐，發(fā)現(xiàn)和解決實踐工程中存在的問題，體會課題與實踐之間的區(qū)別與聯(lián)系。目前，大部分高等學(xué)校培養(yǎng)土木工程巖石力學(xué)相關(guān)方向?qū)I(yè)人才所采用的教材內(nèi)容、教學(xué)手段和方法與實際工程和現(xiàn)場應(yīng)用之間仍存在一定差距，不能滿足不斷變化的工程需要，這對專業(yè)老師的知識面提出了更高的要求，在教學(xué)中不斷吸收新理論、新方法并結(jié)合實踐，將學(xué)科所遇到的新技術(shù)、新方法、新裝備以及出現(xiàn)的各類新問題介紹給學(xué)生。

2 數(shù)值仿真技術(shù)輔助巖石力學(xué)教學(xué)改革探索

應(yīng)用于巖土與地下工程領(lǐng)域的數(shù)值仿真軟件有多種，如FLAC3D、ABAQUS、COMSOL等，不同的數(shù)值仿真軟件側(cè)重點不同，可根據(jù)使用范圍和學(xué)校自身條件選擇，也可以多種軟件結(jié)合使用。數(shù)值仿真技術(shù)是將相關(guān)的原理、方法和應(yīng)用與模擬軟件虛擬的實驗儀器、實驗環(huán)境等有機結(jié)合，有利于實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的有機統(tǒng)一。

2.1 數(shù)值仿真技術(shù)的優(yōu)點

在理論與工程實踐結(jié)合方面，數(shù)值仿真技術(shù)可將理論教學(xué)、實驗教學(xué)與工程應(yīng)用有機統(tǒng)一，在很大程度上改進了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)了學(xué)生利用專業(yè)數(shù)值軟件解決實際工程問題的能力，可有效提高高等院校人才培養(yǎng)的水平和層次。數(shù)值仿真軟件能夠較好地再現(xiàn)實驗教學(xué)過程，對常規(guī)試驗的試驗?zāi)康暮同F(xiàn)場進行預(yù)演，并與課堂理論教學(xué)相結(jié)合，采用理論知識解釋數(shù)值仿真結(jié)果，使學(xué)生對實驗教學(xué)過程有更好的把握與準(zhǔn)備，從而對巖石力學(xué)課程基礎(chǔ)理論有一個更深刻的理解。另外，數(shù)值仿真軟件也能在接近實際的程度下模擬巖石力學(xué)工程中的巖體受力、變形、破壞等問題，在一定程度上拉近了學(xué)生與實際工程的距離，通過各類云圖、曲線以及動畫演示工程活動全過程，讓學(xué)生親自面對問題，更好地促進知識的掌握與鞏固，激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣。

2.2 數(shù)值模擬實例分析

巖石力學(xué)課程理論內(nèi)容比較枯燥，學(xué)生聽課和學(xué)習(xí)的興趣普遍較低，積極性也較差。采用數(shù)值仿真技術(shù)輔助課堂理論教學(xué)，具有創(chuàng)新性、直觀性及綜合性等特點，讓學(xué)生對復(fù)雜的巖石力學(xué)理論知識建立感性的認(rèn)識。為了讓學(xué)生更好地理解巖石地下工程圍巖應(yīng)力求解以及圍巖應(yīng)力的演化機理，以某泥巖隧道施工過程中的圍巖應(yīng)力演化為例[6]，選用有限元軟件進行數(shù)值仿真，該軟件可以模擬巖石隧道開挖過程中的圍巖應(yīng)力重分布過程，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加直觀。

先建立均勻泥巖材料的隧洞開挖數(shù)值模型，隧道埋深220m，數(shù)值模型長度方向140m，深度方向120m，如圖1 所示，然后施加相應(yīng)的邊界條件和初始地應(yīng)力條件。數(shù)值仿真過程按如下過程進行：第一步為初始地應(yīng)力場計算；第二步為隧道開挖支護，添加襯砌和超開挖體材料，進行二次應(yīng)力重分布計算，由于施工過程相對較短，暫不考慮襯砌向洞內(nèi)的滲水能力。

圖1 隧洞開挖過程數(shù)值計算模型

圖2 為計算所得的圍巖孔隙水壓力分布圖。通過演示，直觀地呈現(xiàn)孔隙水壓力在隧道開挖前后的分布與變化情況。

圖2 圍巖孔隙水壓力分布圖（單位：Pa）

圖3 為開挖后圍巖二次應(yīng)力及擾動區(qū)分布圖，可以給學(xué)生呈現(xiàn)隧道圍巖應(yīng)力集中、二次分布、圍巖變形以及開挖擾動區(qū)形成機理等關(guān)鍵問題，這樣復(fù)雜的巖石力學(xué)工程是不可能在現(xiàn)場觀測得到的，因為地下工程是隱蔽工程，二次應(yīng)力的分布、擾動區(qū)的形態(tài)及范圍必須通過相關(guān)的現(xiàn)場監(jiān)測并進行反饋分析才能間接地獲得。

圖3 開挖后圍巖二次應(yīng)力及擾動區(qū)分布圖

通過在巖石力學(xué)課程中引入數(shù)值模擬技術(shù)，課堂理論教學(xué)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，交互式學(xué)習(xí)過程更加形象直觀，同時具有豐富的圖文并茂信息，使課堂理論教學(xué)尤為生動形象，可以讓學(xué)生更加直觀的感受數(shù)值模擬帶來的效果，激發(fā)了學(xué)生理論學(xué)習(xí)的主動性和好奇心，進而獲得更多巖石力學(xué)理論與工程實際現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系的知識。

2.3 巖石力學(xué)課程教學(xué)改革初探

本文針對上述巖石力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的相關(guān)問題，提出巖石力學(xué)課程教學(xué)改革的幾點思考。巖石力學(xué)教學(xué)要以教學(xué)內(nèi)容改革為核心，以數(shù)值仿真技術(shù)為輔助手段，對傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法進行改革，探索適應(yīng)新時代巖石力學(xué)發(fā)展和工程實際要求的教學(xué)方法。

2.3.1 課程內(nèi)容與數(shù)值模擬案例相結(jié)合

在巖石力學(xué)實驗教學(xué)中，采用專業(yè)數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)實驗過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)巖石力學(xué)課程的興趣和積極性。學(xué)生通過對數(shù)值仿真軟件模擬工程案例的認(rèn)識和了解，不僅學(xué)習(xí)了數(shù)值仿真軟件的基本步驟，還更加深刻地掌握了課程中的基本概念，如：地下工程施工過程中應(yīng)力重分布、圍巖穩(wěn)定性等問題。另外，在數(shù)值仿真試驗課上，通過老師與學(xué)生之間的相互交流，加深學(xué)生對巖石力學(xué)理論知識的理解，增強學(xué)生的科學(xué)探索和創(chuàng)新能力。

2.3.2 增補數(shù)值模擬教學(xué)課時

許多普通高校在本科階段沒有開設(shè)數(shù)值模擬相關(guān)課程，教師僅簡單地將數(shù)值仿真結(jié)果以圖片的形式展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生對數(shù)值模擬很難有一個直觀真實的認(rèn)識，理解范圍仍然局限在書本。通過增加巖石力學(xué)數(shù)值模擬教學(xué)課時，并根據(jù)實際效果合理調(diào)整課時，學(xué)生親自參與到巖石力學(xué)的實踐中來，通過反饋學(xué)習(xí)的方法來調(diào)整教學(xué)之間的差距，在這種教學(xué)過程中，教師學(xué)生均能取得進步。

2.3.3 教學(xué)與科研結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識

在巖石力學(xué)課程教學(xué)過程中，結(jié)合教師自身承擔(dān)的科研項目，積極主動讓學(xué)生參與科學(xué)研究，并分配適量的科研任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和科學(xué)探索的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。負(fù)責(zé)相關(guān)科研項目的教師，可將項目分成不同的部分，以分組的形式讓學(xué)生參與進來，可以加深學(xué)生對巖石力學(xué)理論知識的認(rèn)識和理解。

3 結(jié)語

巖石力學(xué)具有理論科學(xué)與工程科學(xué)的雙重屬性，高校作為人才培養(yǎng)的主要基地，常規(guī)教學(xué)模式顯然已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)現(xiàn)代化高端人才的需要。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)大量應(yīng)用到工程實際中，對輔助巖土工程建設(shè)活動的順利開展發(fā)揮了不可替代的作用。通過將數(shù)值仿真技術(shù)推廣到巖石力學(xué)課程教學(xué)中，有助于課程教學(xué)效果的提升，使學(xué)生了解到更多巖石力學(xué)領(lǐng)域的知識和信息；通過數(shù)值仿真軟件模擬相關(guān)巖石力學(xué)工程案例，培養(yǎng)學(xué)生解決和處理問題的綜合能力，極大地改善了授課中不豐富、不全面、不直觀等問題，提升了學(xué)生的知識應(yīng)用能力。