岩土项目有限元教学策略

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随着有限元仿真技术的发展，数值模拟仿真技术的应用越来越广泛，特别是在物理模型试验研究条件不允许或较为困难的各类行业中。因此，在岩土工程专业相关教学中数值计算方法占据重要地位。但由于其所涉及的数学力学知识往往使初学者望而生畏。通过课程的学习可以让学生学习和了解现代岩土工程研究领域实际工程中数值计算方法的应用，提高学生对数值计算的兴趣，同时使学生综合掌握相关的数学、力学、岩土力学等相关专业知识。为提高学生的实际应用能力，本文采用工程实例的教学方法，通过巷道开挖的计算来说明岩土工程数值计算方法的教学方法，深入简出，使学生容易理解。

1巷道开挖计算分析的简要教学过程

1．1模型建立简要向学生介绍有限元模型单元的划分、单元类型的选择、开挖方法的设置、边界条件等知识，根据学生的兴趣进行相关知识的详细介绍。所建立的数值模型如图1所示。首先介绍计算模型，为在地层中开挖中部和两侧共三个巷道，计算分析由于巷道开挖对围岩应力、变形的影响。根据实际情况，在模型垂直方向所加的垂直荷载为O．32MPa，水平方向不加荷载。之所以没有水平应力，是因为试验时模型为上下表面加载，模拟平面应力状态下的模型受力破坏过程，为防止模型在四面加压时向厚度方向产生较大变形而过早破坏，所以仅在模型上下表面加压，而在左右两面进行位移约束。其次介绍模型建立的具体步骤。步骤一：设置分析标题(SoftRockTunne1)及工作文件名(HD1)：步骤二：定义单元类型：S0L—ID65：步骤三：定义材料性质：在IsotropicMateria『Properties中定义杨氏模量56．5MPa，对泊松比0．2，密度1600：步骤四：定义材料非线性计算模型：步骤五：通过布尔运算创建基本模型；步骤六：设定分析模块(Structura1)：步骤七：设置网格单元形状，尺寸且对模型划分网格：对未开洞模型，采用映射划分网格模式，对开洞模型，因为模型规律性不强，特采用扫掠划分网格模式：步骤八：进入求解器和定义分析类型和选项；步骤九：设置输出控制(verysubstep)：步骤十：设置荷载选项并加载；步骤十一：进行计算。

1．2计算结果分析在计算结果的教学中，重点向学生介绍由于巷道的开挖而造成的围岩应力变化，将数值计算结果的直观性体现出，激发学生的学习兴趣同时向学生介绍详细的计算结果，如图2所示。自然条件下应力在岩体中沿着铅垂方向和水平方向传递，使岩体中任一单元体都处于三向应力平衡状态。但在岩体中开挖巷道后，巷道周围岩体原有的应力平衡随即遭到破环，巷道周边岩体便由原来的三向应力变为二向应力，同时，由于巷道顶板岩体失去支撑，巷道顶部岩体的重力转移到巷道的两帮，使巷道两帮岩体中的铅垂应力增大，而原来由巷道内岩体传递的水平应力，由于巷道空间的形成，水平应力只能通过顶底板互相传递，因而，也使巷道顶底板岩体的水平应力发生变化。

2小结

通过对计算模型应力和位移的分析，得知此半圆拱形巷道围岩应力及塑性区的分布规律和位移分布的规律，计算结果与相关模型实验结果比较吻合。由此在教师指导下，在学生掌握岩土工程有限元的基本理论知识和基本操作技能的基础上，激发学生的学习热情，通过学生自己操作，培养学生分析问题和解决问题的实际能力。通过激发学生学习兴趣，在辅以教师的实时指导，可在有限元的教学过程中达到较好的教学效果。