“工程地质数值法”课程的哲学思考及教学启发

　　摘要：针对部分学生和工程技术人员对地质工程数值方法存在一定程度的错误认知, 作者从马克思主义哲学的角度分析了地质工程数值方法的本质、优缺点和发展情况, 并得到一些对课堂教学有益的启发。课堂教学应重视数值方法本质、基本原理、适用条件和优缺点的讲解, 师生应关注该领域的前沿进展, 在教学过程中应加强实例教学和案例分析。这些启发将对授课教师正确地引导学生认识、掌握及运用地质工程数值方法起到积极作用。

　　关键词：地质工程; 数值方法; 马克思主义哲学; 教学启发;

　　Philosophical Thinking and Teaching Inspiration of the Course of “Engineering Geology Numerical Method”

　　Abstract：Based on the part of students and engineers has a certain degree of numerical methods in engineering geology of the cognitive errors, the author analyses the essence of the numerical method of geological engineering Marx from the philosophical point of view, the advantages and disadvantages and development situation, and draw some inspiration for classroom teaching is beneficial.The basic principle of classroom teaching should attach importance to the numerical method of essence.And explain the advantages and disadvantages of applicable conditions, teachers and students should pay attention to the forefront in the field, in the teaching process should strengthen the case analysis and case teaching.These will inspire teachers to correctly guide students to understand, master and use the numerical method of geological engineering has played a positive role.

　　Keyword：Geological Engineering; numerical methods; Marx philosophy; teaching inspiration;

　　地质工程数值方法是地质工程、岩土工程等专业高年级本科生或研究生的专业课程, 对于学生专业素质、能力的培养起着重要的作用, 更是开展地质工程研究的重要技术手段。随着计算机运算速度的提升和数值方法的迅速发展, 地质工程数值方法在日常教学、生产实践和科学研究中的地位日益突出。该课程作为河北地质大学地质工程专业研究生的专业必修课, 主要讲述分析工程地质问题常用的数值方法, 例如弹性有限元法、有限差分法和离散元法等。

　　一、什么是地质工程数值方法?

　　地质工程数值方法是应用数值分析手段来解决与工程相关的地质问题的一种方法。首先, 应对工程地质体的岩性、结构和赋存环境进行地质信息分析, 在此基础上, 调查岩土体结构类型, 将地质信息抽象为地质模型, 然后考虑工程地质体的变形破坏规律, 构建力学模型, 再通过研究材料的本构关系和力学性质, 将力学模型转化为数学模型[1]。从本质上看, 地质工程数值方法是将工程地质问题抽象转化为数学模型, 进而对数学模型进行求解。地质工程数值分析需要解决两个核心问题。其一是构建工程地质体的力学和数学模型, 这需要对工程地质体进行高度的抽象化;其二是数学模型的求解, 由于地质体具有复杂的加卸载条件和边界条件, 通常无法用解析方法简单地求解, 而需要通过数值法求得近似解。因此, 数值模型的建立和求解不可避免地运用了一些假设和简化, 得到的结果是一种近似解。例如, 有限元法将工程岩土体视为连续介质, 通过离散化, 建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题, 通过联立方程求解, 对工程问题进行应力和变形分析。

　　二、用辩证的眼光看地质工程数值方法

　　唯物辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分, 是人们认识世界和改造世界的根本方法。在教学过程中, 更应该坚持从辩证的角度看待地质工程数值方法。作为客观存在, 地质工程数值方法具有两面性, 任何一种方法都有自己的优势, 也不可避免地存在劣势。例如块体离散元法, 将工程岩体视为完全离散的岩石块体的集合体, 通过求解运动方程建立力与位移的关系。其最基本的优点是可以将结构面直接、显式地纳入到分析模型中, 而且岩体内部可以存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离, 从而可以较真实地模拟裂隙岩体的非线性大变形特征[2-4]。该方法适用于求解非连续地质体的大变形问题, 在岩石力学领域得到了广泛应用。然而, 该方法也存在着一些缺陷, 如块体间的接触力计算是通过引入块体嵌入 (或叠合) 的概念来实现的, 这是不符合实际情况的。此外, 岩体中存在的非贯通节理无法将岩体切割成完全离散的块体, 这严重制约着离散元法的发展和应用。

　　三、用发展的眼光看地质工程数值方法

　　随着计算机技术和数值方法的日益进步, 地质工程数值方法也在飞速发展。地质工程数值方法的发展与进步体现在以下四个方面: (1) 新方法的出现和应用。以物质点法 (Material Point Method, MPM) 为例, 该方法是Sulsky和Chen等于1994年提出的一种数值方法, 其本质是一种无网格法, 目前在边坡稳定性分析和滑坡研究中得到了应用[5,6]。 (2) 数值方法的耦合计算与应用。有限元法和离散元法的耦合计算 (FDEM) 是目前工程地质领域研究的热点, Mahabadi等编制了Y-Geo软件, 用来模拟岩石的损伤和破坏过程, 该软件兼具有限元和离散元法的优势, 能够模拟岩石从连续介质转变为不连续介质的过程。 (3) 非确定性方法也取得了长足的进展。由于地质体具有模糊性、随机性和各种不确定性, 计算参数的选取成为工程地质问题数值分析的关键。随机有限元法、随机物质点法等方法的出现和应用, 为解决岩土体的不确定性问题提供了强有力的技术手段, 使我们看到了可靠度分析理论在工程地质问题上的应用前景。 (4) 专业软件及功能的多样化。地质体是在漫长地质历史时期形成的复杂体系, 具有复杂的工程力学性质。随着对地质体本构关系研究的不断深入, 专业化的软件越来越多, 促进了数值软件向专业化方向发展, 并且具备了更多的功能模块, 如锚杆支护、隧道衬砌等模块。地质工程数值方法的快速发展为我们的教学工作提出更高的要求, 这需要授课教师时刻关注本领域的发展动态, 及时掌握前沿进展, 将最新的理论和应用进展纳入到授课内容。

　　四、理论联系实践

　　地质工程专业具有很强的实践性, 数值方法的学习也不例外。该门课程的主要目的是让学生具备运用现有软件解决实际的工程地质问题, 因此课程教学必须结合实例教学和上机操作。实例教学一方面提高了学生对课程学习的兴趣, 另一方面也加深了学生对教学内容的理解[9]。只有通过实际操作和勤奋练习, 学生才能熟练掌握数值软件的分析流程, 并通过发现问题、解决问题, 真正具备运用数值软件解决工程地质问题的能力。

　　五、结语

　　针对部分学生及工程技术人员对地质工程数值方法的一些错误认知, 作者从马克思主义哲学的角度对该门课程进行了深刻的思考和交流, 并得到一些启发。授课教师应重点讲解地质工程数值方法的本质、基本原理、适用条件和优缺点, 使学生能够科学地认识和使用该方法。教师和学生都应该用发展的眼光看待该方法, 时刻关注该领域的前沿进展。在教学过程中, 要重视实践的作用, 加强实例教学和案例练习。真正让学生掌握该方法, 具备运用该方法解决工程地质问题的能力。

　　参考文献
　　[1]何满潮, 黄润秋, 王金安, 等.工程地质数值法[M].北京:科学出版社, 2006.
　　[2]王晓明, 郑银河.裂隙岩体表征单元体及尺寸效应研究进展[J].岩土力学, 2015, 36 (12) :3456-3464.
　　[3]蔡美峰, 何满潮, 刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社, 2013.
　　[4]Itasca Consulting Group, Inc.3DEC user;s guide (Version 4.1) [M].Minnesota, 2007.
　　[5]史卜涛, 张云, 张巍.边坡稳定性分析的物质点强度折减法[J].岩土工程学报, 2016, 38 (9) :1678-1684.
　　[6]孙玉进, 宋二祥.大位移滑坡形态的物质点法模拟[J].岩土工程学报, 2015, 37 (7) :1218-1225.