[摘要]试验教学是土力学课程教学中的重要内容，但由于教学条件和试验课时数的限制，许多重要试验学生很难按规程要求在实验室完成，而且常规的土工试验难以准确测定含有较大颗粒岩土体的物理力学特性，影响了土力学试验教学效果。基于离散元颗粒流程序，建立了计算机模拟试验辅助教学系统，作为土力学试验教学的补充，帮助学生直观、快速理解土力学试验的主要方法和原理，有助于学生观察到试验过程中土体颗粒排列及孔隙等细观特征的变化情况，增强学生对土体性质的认识和理解。
[关键词]计算机模拟；土力学；试验教学
[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]10054634（2016）05010404
0引言
土力学是地质工程、土木工程与水利工程等专业的一门专业基础必修课。本课程的教学，使学生掌握了土的基本特性、土力学的基本原理、土体变形及稳定的主要分析方法，并能运用土力学理论分析实际工程问题。土力学具有很强的实践性，注重培养学生工程实践能力。试验教学是土力学课程教学中的一个重要内容[1]，土力学试验教学有助于加深学生对土力学基本概念与基本理论的理解，并有利于培养学生创新意识和动手能力。土力学课程教学中实践环节主要体现为室内土工试验[2]，但目前我国高校土力学试验课时数明显偏少，如本校地质工程专业，土力学试验只有8学时，学生只能进行几个基本的试验，如颗粒分析试验、重度试验、含水量试验、固结试验和直接剪切试验。由于每次试验时间较短，教师只能在试验前准备好仪器设备及土样，而且有的试验由于所需时间较长，学生很难在试验课上按规程要求完成整个试验，严重影响了试验教学效果。有些重要试验甚至仅仅给学生演示都缺乏时间保障，导致学生对本课程的试验方法和手段缺乏较为全面的掌握和了解，也使得很多本专业毕业生参加工作后不能正确有效地运用一些较为先进的试验手段，与本专业正在进行的卓越工程师培养计划严重不符。
另外，学生在室内课程教学过程中，主要学习的是常规土工试验，要求土体试样中的最大颗粒直径必须较小，才能进行试验。但是许多实际工程中，土体中含有较高比例的大颗粒，如填石路堤和堆石坝工程中的填筑材料，以及堆积层滑坡中的土石混合体等。常规的土工试验难以弄清这些含有较大颗粒的填料和岩土体的物理力学特性，一般需要进行大型土工试验或者现场试验测定，显然学生在有限的试验教学时间内不可能实际学习和掌握这些大型试验设备。如何在有限的试验教学学时内，提高试验教学效果是一个急需探讨的问题。一些力学学科已开始探索建立虚拟试验系统[3]，本文将引入离散元颗粒流程序，研究建立基于计算机模拟试验的土力学辅助试验教学系统，作为土力学试验教学的重要补充，使学生在短时间内快速理解土力学试验的主要方法和原理，特别是了解难以通过常规室内试验完成的大型试验，提高试验教学质量。
1计算机模拟试验设计程序
土体是具有高度非连续、非均匀和非线性的散粒体，基于连续介质理论的数值计算程序难以准确描述土体这种散粒体介质的物理力学特性，特别是不能直观反映其微细观变形和破坏过程。因此，引入基于离散介质理论的离散单元法。离散单元法是一种模拟非连续介质的计算方法，自Cundall[4]上世纪70年代提出以来，在岩石力学、土力学、结构分析等领域的模拟分析和计算中得到了广泛应用。颗粒流（particle follow code，以下简称为PFC）数值模拟方法是基于离散元的一种新技术，用于颗粒材料力学性态分析，如颗粒团粒体的稳定、变形及本构关系，专门用于模拟固体力学大变形问题。颗粒流方法通过圆形离散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用，通过平面内的平动和转动运动方程来确定每一时刻颗粒的位置和速度。作为研究颗粒介质特性的一种工具，采用有代表性的众多颗粒单元，通过数值模拟试验可以得到颗粒介质本构模型。PFC可解决静态问题也可解决动态问题，可用于参数预测，也可用于在原始资料详细情况下的实际模拟。鉴于目前土力学试验教学中存在的问题，研究建立PFC 模拟试验代替部分室内常规试验，并补充开发室内试验教学课程中难以完成的大型土工试验模拟试验系统，通过模拟试验教学，使学生在短时间内快速理解土力学试验的主要方法和原理。
2模拟试验教学研究
学生室内课程教学主要学习常规土工试验，这些试验对土体试样中的最大颗粒直径限制较大，需要对超粒径颗粒采用剔除法、等量替代法、相似级配法或者混合法处理后才能进行试验。但是在许多实际工程中，土体中都含有较高比例的大颗粒。比如，随着公路等级的提高，填石路堤已成为一种常见的结构形式，路堤填筑材料中含有很多大颗粒。近几十年来堆石坝在世界范围内得到飞速的发展，坝高从几十米发展到上百米，这些堆石坝的填筑材料也含有很多大颗粒；国内存在大量的粗粒土堆积层滑坡（如三峡库区），滑坡体一般由土、石混合物组成。在这些含有大颗粒土体的工程中，按照规范提供的方法去除大颗粒后，进行常规试验得到的物理力学指标显然不能正确反映这些含有较大颗粒岩土体的物理力学特性。目前，重要的大型工程中一般需要通过现场实验或者室内大型土工试验来提供计算指标。学校虽然拥有大型压缩仪、大型直剪仪和大型动静三轴仪等大型室内土工设备，但学生通过有限的室内教学时间不可能掌握和操作这些大型土工试验设备。基于离散元方法的计算机模拟试验除了可以节省试验教学时间外，还具有一些独特的优势。如当土体中含有较多大颗粒难以进行室内常规试验时，不用进行颗粒替换和剔除，可以很方便地采用离散元颗粒流方法进行数值模拟试验，而且学生还可以直观地观察到试验过程中土体颗粒排列情况的变化。因此，有必要建立模拟试验系统，提高试验教学质量，下面以两个模拟试验来详细分析其优势和应用。
2.1土体中含不同粒径大颗粒时的三轴试验模拟教学三轴试验是一种常用的测定土体抗剪强度指标的室内土工试验。颗粒流程序可以方便地建立土体试样，采用圆柱面墙围成空间作为边界约束条件，模拟压力室，墙可以一定的匀速运动来模拟位移加载，并且在匀速运动的过程中可以监控作用在墙上的不平衡力的大小，可以较好地模拟三轴试验。
常规的三轴压缩试验虽然能得到土的宏观力学表现，却无法探明土在颗粒层面上的细观力学本质。土体颗粒的大小、级配、形状、颗粒表面的粗糙程度等细观因素对土体宏观力学性能有很大影响。室内常规土工试验中超过一定粒径的大颗粒必须予以剔除，而离散元颗粒流数值模拟试验可以通过在数值模型中加入不同粒径的大颗粒直观观察其对土体力学性质的影响规律，如图1所示。图2显示了含不同大颗粒试样试验时的偏应力σa-σc与轴向应变εa的关系曲线（d为颗粒粒径），各试样的峰值强度差异很大，可以直观地向学生展示颗粒级配对土体强度参数的影响。不但可以形象地向学生展示试验过程，还能增强学生对土力学抗剪强度性质的理解。
2.2土体中含水量不同时的压缩试验模拟教学
对土体分别进行干燥状态和饱和状态的模拟对比压缩试验，让学生认识到含水量对土体压缩过程的影响情况。饱和土的压缩基于PFC中的流固耦合原理建立，颗粒流流固耦合分析是在比土体颗粒尺度大一点的计算域上对流体进行模拟，每个域包含一定数目的颗粒，但相对于整个分析模型来说又很小。用流体域的平均流速代替域内各点的流速，流体作用于单个颗粒的力与每个域的平均流速以及孔隙率有关。对于固相颗粒，通过求解运动方程模拟颗粒运动，对于土中水，通过求解NavierStokes方程模拟流体的运动。采用这种方法可以分析流体速度、流线、压力、颗粒的运动和应力分布[5]。
首先，在重力作用下沉积直至稳定状态，得到干土样。重复上述步骤得到另一个干土样，当其在重力作用下稳定后，用一个点墙取代试样下边墙，并且在试样中生成流体网格。侧边和上边为光滑墙边界，边界上的流体平行边界流动，然后在底部施加一个小的孔隙水压力，对试样进行饱和，如图3所示，黑线表示土颗粒间的作用力，黑线的粗细反应作用力的大小。
在干土样和饱和土样顶部用一排圆形颗粒连接生成一个竖向加载装置，并在土样顶部施加50 kPa竖直向下的压力，压缩量通过计算变形稳定后顶部颗粒的平均竖向位移获得。然后继续施加后续各级压力100 kPa、200 kPa，400 kPa、800 kPa和1 600 kPa，并计算每级压力作用下变形稳定后的压缩量。图4为两土样的elgp曲线。还可以让学生改变试样颗粒级配、孔隙比等，观察压缩曲线的相应变化，增强学生对土体压缩性指标测试原理的认识和理解。进行室内大型压缩试验，特别是进行不同含水量的对比试验是一件耗时耗力的事情，但是通过模拟试验却能高效的向学生展示试验原理和过程，特别是土体压缩过程中的细观变化。
2.3模拟试验教学效果
作为专业基础课，学生在学习本课程之前，对相关知识了解较少，因此，理论讲解是土力学课程试验教学的重要前提。模拟试验教学系统不受试验场所和时间的限制，可以贯穿于课堂理论教学整个过程中。在课堂教学中涉及试验的部分，可以结合模拟试验系统，形象、直观、系统地向学生介绍土力学试验的基本原理、基本方法，把土的应力、变形、强度、渗流等方面的知识贯穿起来，使学生对土力学理论体系和试验体系有一个完整的掌握。土力学课程理论性较强，传统的教学模式一般主要是通过课堂讲授、习题解答和室内土工试验等相结合的方式进行，但由于土力学课程涉及理论知识较多，课时数又较少，导致课堂教学时间内只能勉强完成基本理论知识的讲授。通过传统教学方式完成教学后，部分学习认真的学生也许能够在课程考试中取得较好的成绩，由于大多数学生对土力学理论和试验的认识并不深刻，在较短的时间内就可能忘记多数知识点，更谈不上在后续的学习或者今后的工作中能应用到解决实际工程问题。因此，在课堂教学中就直接加强试验教学。根据课程进度引入一些典型的模拟试验，引导学生将土力学的基础知识、理论和试验方法正确的应用到案例分析中，加深学生对土力学理论知识的理解和试验方法的掌握，增强运用基本理论和试验手段解决实际工程问题的能力。课堂教学要特别注意结合实际科研项目和典型工程项目，鼓励讨论，开拓思路。教学中强调基本原理和工程应用，培养学生应用基本理论和试验方法解决实际工程技术问题的能力。深入浅出，结合模拟试验系统、工程实例分析等增强学生的学习兴趣。通过具体教学实践，模拟试验可以明显提高学生的学习兴趣和学习效果。
3结束语
土力学试验教学是土力学课程教学的重要内容，针对目前土力学试验教学中存在的不足，提出了建立土力学计算机模拟试验辅助教学的思路，并完成了主要室内土工试验系统模拟试验的设计和开发。本模拟试验在模拟试验仪器操作和试验过程的基础上，强调对土体试验过程中土体颗粒排列和孔隙变化等的观察，特别是土样颗粒级配、密度、孔隙比等变化对试验过程和结果的影响。通过在学生中的初步应用，取得了良好的效果。改变了学生消极被动试验的状态，使学生对试验产生了浓厚兴趣，培养了学生的创新思维，增强了学生的动手能力，使学生在短时间内快速理解土力学试验的主要方法和原理，不但提高了试验教学质量，也增强了学生对于土体基本物理力学特性的认识。
参考文献
[1] 陈仲颐.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.
[2] 李广信，吕禾，张建红.土力学课程中的实践教学[J].实验室技术与管理，2006，23（12）：1314，23.
[3] 马少鹏，水小平，马沁巍，等.力学虚拟试验系统及其在实验力学教学中的作用[J].力学与实践， 2012， 34（3）： 6567.
[4] Cundall P A， Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies [J]. Geotechnique，1979，29（1）：4765.
[5] 刘洋，周健，付建新.饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用[J].水利学报，2009，40（2）：250256.
Application of computer simulation in
experimental teaching of Soil Mechanics
Xiang Xianchao
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan， Hubei 430074，China）
AbstractExperimental teaching is an important part of the class teaching of soil mechanics. But as the limitation of teaching conditions and experimental time， it is very difficult for students to complete experiments according to the standardized documents in the laboratory. And it is not easy to accurately determine the physical and mechanical properties of the rock and soil mixture by common geotechnical tests when the large particles are included. Then the effect of experimental teaching of soil mechanics is not very efficient now. Based on the discrete element program particle flow code （PFC）， a computer simulation experiment assistant teaching system is established， which is used as a supplementary teaching system and can help students to understand the main methods and principles of soil mechanics experiments， and help students to observe the changes on soil particle distribution and porosity in the experiment process.The system can make students to understand soil properties properly.
Key wordscomputer simulation；soil mechanics；experimental teaching