时间：2022-04-17 06:05:10
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摘要：
本文针对采矿工程专业本科生专业基础课《岩体力学》教学现状存在的不足，提出了理论实践并重、优化教学内容、革新教学方法、培养学生兴趣、拓宽学生知识结构等为一体的优化改革方案，教学实践表明，效果良好。
关键词：
采矿工程；岩体力学；教学改革
一、《岩体力学》教学现状
《岩体力学》作为采矿工程专业的一门重要的专业基础课，其目的在于培养学生掌握岩石工程（井工开采、隧道、地下空间工程等）中一些力学现象的分析能力，使学生接受矿山开采和岩层控制基本理论和试验技能的初步训练，为学生学习专业课程及从事理论研究打下良好的基础。《岩体力学》一般在先修课程（高等数学、弹性力学、材料力学、理论力学等）完成后开设，在学生学习本课程时，不仅可对先修课程进行系统回顾，又可有效运用前期基础课程相关分析与计算方法分析宏观工程问题；同时，该课程的学习可为《采矿学》、《矿山压力与岩层控制》等主干专业课程的学习夯实理论基础。但是，随着科技水平的提高及分析方法的多元化，岩体力学所涉及研究范围及方法日趋复杂，这也要求高校教师对岩体力学知识掌握更加全面，推陈出新，与时俱进。传统教学过程中，有关《岩体力学》的教学多以课堂原理的讲授，已不再适用于本科生的教育及行业人才培养的发展需求。因此，结合现有条件对该课程进行教学改革，适应工科专业发展方向，培养学生实践与应用能力势在必行。
二、《岩体力学》教学中存在的问题
对于采矿工程专业的学生，力学基础相对较弱，即使之前已对相关基础课程进行了学习，但由于前期多为应试型学习，且理论性较强，导致学生对于基础知识的掌握多为“碎片式”，无法有效形成知识网络，导致学生学习《岩体力学》时非常吃力。此时，若依然按照传统教育模式采用灌输式讲授方法，则事倍功半。总结传统教学方法下存在的主要问题如下：
1.学生基础知识薄弱，易形成被动接受方式。《岩体力学》是对前期相关力学课程的延伸学习，若前期基础力学知识及运算方法掌握不牢，将导致学生学习过程形成停顿感，由于课程逻辑性较强，一个知识点产生卡顿，学生对于后续知识的学习将产生被动接受的局面，学习效率低下。
2.教师课堂讲授方法单一，不易于接受。资料显示，目前非力学专业教师采用的《岩体力学》课件大同小异，均是对课本一些原理及方法的罗列，讲授过程中多采用灌输式，导致课堂教学环节枯燥乏味，缺乏与专业特点的联系，学生不易参与其中，知识点也难以接受。
3.教学方法机械性较强，难以融会贯通。《岩体力学》主要采用的教学方法包括课堂讲授与岩石力学实验，对于实验部分，一般由实验老师授课，学生容易将理论知识的学习与实验独立开来，因此，实验作为揭示岩体力学现象的一种有效手段，无法让学生理解其独特含义。
4.传统理论讲授过多，新型技术所占比例少。随着科技发展，行业内涌现了大批岩体力学分析软件，这些软件借助于力学原理，在分析工程问题中得到了普遍推广应用。高校教师分析岩体力学问题时，可充分利用新型技术，将问题分析方法多元化，辅助学生学习力学，又可拓宽学生知识面。
三、课程教学改革方法初探
近年来，随着国家经济的发展，我国逐渐跻身世界岩土工程大国，存在较大的发展空间。因此，对于工程类学生，掌握岩体力学分析方法及相关理论，为以后从事相关工作及科学研究铺垫良好的基石至关重要。针对采矿工程专业《岩体力学》课程教学中存在的一些问题，初步提出了课程教学改革，具体包括以下几个方面：
1.注重课堂效果，激发学生兴趣。由于《岩体力学》内容相对枯燥，学生容易失去兴趣，因此，教师在讲授时应注重方法，提高课堂效果。讲授内容时应充分结合本专业工程实例，循序渐进，让学生理解所讲知识的来龙去脉。如讲授平面应变问题下巷道弹塑性分析时，可以具体教学实例进行切入，首先对弹性力学中平面问题进行回顾，进而对问题进行假设简化，最后引入弹塑性力学知识对问题进行分析，不仅对前期所学知识进行了复习，同时应用于解决现场工程问题中去，事半功倍。
2.注重基础，构建知识框架。采矿专业学生由于力学基础相对薄弱，甚至对一些专业术语掌握都不够准确，给课程后期学习带来了极大的困难。因此，教师需注重基础理论、基础知识和基本技能的讲授，讲岩体力学中复杂的理论知识及工程实践成果浓缩在有限的课时内。同时，注重课本知识的统筹规划，强调基础的同时，合理规划授课内容，突出重点，构建知识框架，促使学生对知识内容形成一个宏观的认识，利于融会贯通。
3.理论结合实践，加强学习感知。《岩体力学》具有理论复杂和实践性强的特点，理论复杂体现在不确定性上，实践性强则因与工程实践密不可分。岩石力学实验则是连接理论知识与工程应用的桥梁，因此，在教学环节应注重对实验的教学，同时，实验应在授课教师与实验教师共同参与下由学生独立完成，提高学生的分析问题能力，调动学生独立思考的积极性，培养学生应用创新能力。
4.做好通识教育，触类旁通。岩体物理力学特性受外界条件及自身结构影响极大，不同行业接触的岩体也存在较大的差异性，不同专业分析问题的角度不尽相同。因此，应结合专业特点，对讲授内容突出侧重点，例如，边坡工程、地基工程及地下工程所涉及岩体力学问题求解方法存在较大差异，因此，非专业知识课简单讲授原理，专业知识则重点讲授，做到触类旁通。
5.创新教学方法，未雨绸缪。在《岩体力学》教学过程，可适当引入一些新型分析软件和方法，如有限元、离散元及有限差分等软件，做到与时俱进，同时辅助学生理解一些复杂的原理，学生对于一些数值分析软件的理解可为工作及深造后岩体力学问题的分析提供新的解决路径，做到分析问题针对性强、操作应用快，理解容易，易于自身能力的提升。结合工科采矿类本科学生的实际特点，加强《岩体力学》课堂讲授与工程应用的联系，优化教学内容，革新教学方法，培养学生学习兴趣，拓宽学生知识结构面，让采矿专业学生掌握岩体力学问题中涉及相关理论及分析方法，综合运用所学知识，在实际工程问题中找到突破口，提高授课效果，培养学生独立发现问题及解决问题的能力，为学生后期工作及学习打下良好的基础。以上具体方案，经过教学实践，授课效果得到良好改善。
作者：王猛 单位：河南理工大学能源科学与工程学院
1一般方法
1．1岩石力学试验法
(1)室内试验。
通过钻孔岩芯取样，利用室内岩块的单轴压缩试验确定岩石单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。通过岩体的三轴压缩试验确定岩体的抗剪强度－凝聚力和摩擦角。通过岩体卸围压试验研究岩体卸荷过程中的变形和能量变化特点，确定卸载时岩体的参数，如弹模、泊松比、凝聚力、摩擦角。
(2)现场试验。
现场抗剪试验获得岩体、软弱夹层、混凝土与岩石接触面抗剪(断)强度;现场变形试验(刚性承压板法、狭缝法)获得岩体变形模量、弹性模量及泊松比。还有现场声波测试评价岩体完整性等。现场试验是确定岩体强度参数最准确的方法，但由于通常不具备施作原位试验的条件，而且试验周期长、费用高，所以这种方法应用较少。试验法是一种直接又可靠的方法，可以较好反映岩石特性。室内试验得到的是完整岩块的特性参数，但存在“尺寸效应”。现场试验受条件限制，试件制备难免受到扰动，试验结果分散，不能直接采用。
1．2工程岩体分级法
工程岩体分级法主要有:国标《工程岩体分级标准》、水利水电工程勘察规范的坝基和围岩工程地质分类法、巴顿的Q系统分类法及比尼威斯基的RMR分类法。这些分类方法往往是定性描述与定量评价相结合，采用多参数综合指标分级法给岩体进行评分和划分岩体级别，根据岩体级别并结合经验公式，给出岩体参数的范围值。国标《工程岩体分级标准》选取岩石坚硬程度和岩体完整程度这两个因素确定岩体基本质量，将影响岩体工程特性的因素如地下水、初始应力、结构面走向与工程轴线方位等作为修正因素，实现工程岩体的分级，并提供了各级别岩体物理力学参数表和结构面抗剪断峰值强度表。《水利水电工程地质勘察规范》的附录V提供了坝基岩体工程地质分类表，主要分类因素也是岩石坚硬程度和岩体完整程度，此外还有岩体纵波速度和钻孔RQD值，并在附录E中提供了坝基岩体抗剪断(抗剪)强度参数及变形参数经验值表和结构面抗剪断(抗剪)强度参数经验值表，用于规划和可研阶段。应注意该表的注明是参数仅限于硬质岩，软质岩应根据软化系数进行折减。
1．3工程地质类比法
工程地质类比法是利用大量已建工程的成功经验确定拟建工程的设计参数，是工程地质研究的传统方法之一。类比法是应用相似原理，要求主要的工程地质条件基本相同或相似，这其中最主要的是岩性和地层时代(或层位)，其余还有地质构造(岩体完整性)、风化状态、应力条件、地下水等等。实际应用时应结合具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上提出合理参数。同时，在施工过程中，根据工程实际进展情况和出现的问题，特别是根据现场观测结果，对设计进行必要的调整和修改。类比的资料可以参考《岩石力学参数手册》、《岩基抗剪强度参数》、《工程地质手册》、《水利水电工程地质手册》，以及地区工程经验(资料库、数据库)等等。类比法完全依靠地质师所掌握的工程实例资料和他对工程岩体的经验判断，人为因素比较大，有时仅仅通过少量个别因素相比较而得到的参数，其结果可靠性较差。然而该方法简单、方便、快捷，在中、小型水利水电工程中应用较多。
1．4反演分析法
反演分析法是利用现场所测得的位移等数值反求岩体力学参数，包括位移反分析、应力反分析、混合反分析等。其中位移反分析方法是根据现场实测的位移值，采用解析法、有限元等方法以及弹性、弹塑性等本构模型进行求解。位移反分析的方法主要分为两类:直接逼近法和逆过程法。由于围岩本构关系的复杂性，目前的逆过程方法的位移反分析研究计算大都采用了线弹性等假设，设岩体为均值各向同性，而天然岩体地质条件复杂，这样与工程实际情况相去甚远。反分析方法在边坡稳定分析中应用较多。反分析时稳定系数取值为:蠕动挤压阶段宜采用1．00～1．05，初滑阶段宜采用0．95～1．00。滑带土抗剪强度(c，φ)参数反演分析的方法分为单参数反演和双参数反演两种。前者假定一个参数已知的前提下，反算另外一个参数，通常选择对滑坡稳定性影响较敏感的作为未知参数。后者在反演中有两个未知的参数，通常选择两个距主滑动面等距的剖面建立极限平衡方程求解，此外，还可以做参数的敏感性分析。
1．5人工神经网络法及模糊数学预测法
人工神经网络法是通过完成输入与输出问题的映射，自动建立复杂现象(系统)的模型并指出其控制规律。该方法考虑了影响岩石力学参数的各种定性因素，应用人工神经网络进行训练，随着数据的积累不断地对样本集进行补充和完善，使参数取值结果不断趋于合理。缺点是学习样本的选取具有很大的主观性。模糊数学预测法是考虑到影响岩体变形强度参数的相关因素模糊不确定性，根据经验确定权重集及隶属度，在此基础上进行岩体力学参数预测。该方法实质就是把岩石与岩体力学指标之间的比例系数当作模糊子集，依据经验进行模糊综合评判确定一个最佳模糊折减系数的问题，从定量上考虑影响力学参数的各种模糊因素，但在运用上不是很成熟，仍借助于经验。
1．6其他方法
除上述方法外，还有一些其他方法可以用来确定岩体强度参数，如:计算机模拟、声波测试技术、岩体分形分维理论、断裂损伤力学、统计数学等方法。
2岩体力学参数综合取值
岩体力学参数取值方法有很多，由于岩体的不连续性、各向异性和非均匀性等特有属性以及岩体结构的复杂性，使各种取值方法存在局限性，至今还没有一种令人满意的取值方法。实际工作中应该综合应用这些方法，互相验证，取长补短。笔者基于上述岩体力学参数的取值方法，并结合工程的规模和地质条件的复杂程度，在满足规程规范的前提下提出了岩体力学参数综合取值方法。该方法针对地质条件简单的小型工程、地质条件复杂的中型以上工程、重要的大型工程和参数敏感的工程分为以下3个层次。
(1)第一层次。
对于地质条件简单的小型工程，或项目规划、可研阶段，可采用野外地质调查和钻孔取样室内抗压试验→进行岩体分级、查表→获得抗剪强度和变形模量范围值，通过相似工程类比，调整、修正取得地质建议值;或者采用RMR分类和Hoek－Brown经验强度准则公式计算，参考类似工程修正后得到地质建议值。
(2)第二层次。
对于地质条件复杂的中型以上工程，如重力坝、拱坝，结构面影响坝基、坝肩稳定，初步设计阶段应布置原位抗剪和变形试验，参考类似工程，结合现场地质条件进行调整，必要时由地质、试验和设计三方共同研究确定设计采用值。
(3)第三层次。
对于重要的大型工程和参数敏感的工程，应做专门研究，除运用上述方法外，还应开展计算机模拟试验、人工神经网络法、模糊数学预测法等，慎重确定地质建议值。在施工阶段可以利用监测资料进行反演分析，复核岩体稳定性，及时修改设计和施工方法，确保工程安全。总之，地质调查和岩石力学试验是基础，是岩体分级、经验估算及数值模拟的前提，因此应重视野外第一手资料的收集，并注意取样、试验成果代表性问题，使地质建议值符合现场实际。
3应注意的问题
反思多年来我们所做的中小型水利水电工程勘察设计，在岩石力学参数取值方面应注意以下问题:
(1)在前期勘察时对设计意图不甚了解
设计方案不十分明确，加之勘察周期短，对地质条件的调查和分析不够深入，对试验只是要求做常规的内容，以室内试验为主，取样数量不足，成果代表性差，使得方案比选时难以取舍。按照有关规范，“小型水电工程岩土参数(取值)可在现场简易测试和必要的室内试验的基础上以类比为主。”“中型水电工程岩土测试以室内试验为主，必要时可采用大型野外原位试验。”对于拱坝和重力坝要特别注意，对影响坝基、坝肩稳定的岩土体及软弱结构面可视需要开展原位试验工作。尤其是软岩和完整性差的岩石，软弱结构面发育，且结构面对岩体稳定性不利，岩体稳定性的判别对工程影响很关键，这需要慎重研究，应在地质调查的基础上，布置适当的原位试验，并采取多种方法合理确定岩体力学参数。
(2)勘察报告中抗剪强度和变形参数仅仅根据室内岩石试验查规范，与现场地质调查结合不紧密。
抗剪强度和变形参数是混凝土坝稳定计算最重要的参数，对工程安全和造价影响很大。然而规范给出的值范围较大，勘察报告仅仅依据规范提供的参数表取值是远远不够的。中等规模以上和地质条件复杂的工程应进一步开展分析论证工作，结合现场地质条件调查，在岩体分级基础上，运用有关理论和经验公式，例如霍克－布朗(Hoek－Brown)经验强度准则公式等，并参考已建工程经验取值，必要时与地质、试验和设计专业共同会商，合理确定参数。
(3)在软岩地区建混凝土坝要特别注意
如页岩、千枚岩及白垩－第三系泥岩等，由于岩性软弱，构造发育，岩体强度较低，工程安全裕度小，岩体力学参数取值对工程安全和经济性影响大，甚至影响方案的成立。软岩地区一般不适合建中、高混凝土坝，万一要建，就应该投入一定的勘探和试验工作量，慎重研究和分析论证，并留有一定安全裕度。
(4)应考虑定值计算与可靠度问题。
实际勘察设计工作中，是由地质专业提供参数，设计人员进行计算。地质部门依据试验成果，结合地质条件和个人经验判断，提出地质建议值。设计一般直接采用地质建议值进行计算。问题是设计计算方法与地质模型是否一致，地质参数的可靠性或安全阈值是多少，即有多少安全储备。近十几年来国内外广泛开展了重力坝可靠度研究。结构可靠性分析是以概率理论为基础，采用极限状态设计方法，以可靠指标度量结构或工程的可靠性，比定值法不考虑参数的偏差有明显的优越之处。可靠度计算需要提供与大坝有关的各类荷载、材料和地基强度的统计特征值(均值、标准差、变异系数等)及分布类型，对地质参数的离散性进行评价。
(5)试验是基础。
如何看待试验成果，地质专业人员常常抱怨试验参数不准，造成的原因有几个方面，一是取样的代表性问题，或者原位试验选点问题，要考虑岩性、风化程度、构造等影响，对试验点做专门设计和布置;又譬如有的砂岩与页岩互层，页岩岩芯破碎取样困难，取样只能做砂岩的抗压强度试验，成果偏大;倾斜岩层抗压首先沿层面剪切破坏，成果偏小。二是试验中的误差，应采用数理统计法整理试验成果，在充分论证的基础上舍去不合理的离散值。对于原位抗剪试验，要了解试验点的岩性、构造、风化及地下水等因素对成果的影响。另外，试件制备时难免受到扰动，一般要求安排2组以上试验，以便对比和分析。
(6)确定参数时要处理好主观判断与客观评价的关系。
前述的岩体分级法、工程类比法及经验判据法(强度准则公式)都属于经验法，其取值时的人为因素和个人经验对结果影响很大，实际操作中应尽量避免人为因素干扰，从地质条件的客观出发，分别按不同因素对参数进行修正，减少取值的随意性。
(7)加强施工监测，利用监测资料进行“动态设计、信息化施工”。
由于工程地质条件的复杂性和不确定性，地质勘探、试验、计算分析方法的局限性，我们对工程岩体性状变化的认识有一定程度的不确定性。在施工中要加强岩体性状的监测，及时分析和判断，调整、修改设计和施工方法，以保证施工安全和工程安全。尤其是隧洞施工支护，要根据发现的新情况及时修改设计，即采取“动态设计、信息化施工”，既要确保工程安全，又不能造成浪费。
(8)利用已建工程进行类比确定岩体力学参数是我们常用的方法。
但是没有一个工程的地质条件是完全相同的，而我们个人掌握的资料有限，每个人的经验千差万别，往往仅通过少量个别因素相比较而获得参数，人为因素的干扰较大，其结果可靠性较差。应多参考类似工程，并不断积累工程经验。多年来笔者所在单位在湖北省水利水电工程勘测设计中做了大量的岩体物理力学室内外试验和原位测试，积累了丰富的实践经验。
4结论
(1)岩体力学参数的合理确定是水利水电工程中的一项基础工作
直接关系到坝基、边坡、地下洞室工程的安全性和经济性。由于岩体具有不均匀性、不连续性和随时间变化的特性，准确确定岩体力学参数是非常困难的。在研究了有关规程规范和各种取值方法特点的基础上，针对工程的重要性程度和地质条件的复杂程度提出了岩体力学参数的综合取值方法，分为地质条件简单的小型工程、地质条件复杂的中型以上工程、重要的大型工程三个层次。针对具体的工程应当选择合理的方法来确定岩体力学参数。水利水电工程岩体力学经验参数综合取值研究对水利水电工程坝基、边坡、地下结构稳定性研究和计算具有重要理论意义和现实意义。
(2)中小型水利水电工程具有规模小、设计周期短、勘察试验工作量有限的特点
在详细地质调查和少量室内试验的基础上进行岩体分级，参考已建工程的成功经验类比确定岩体力学参数是一种简单、快捷而有效的方法。结合工程经验指出了水利水电工程岩体力学参数取值时应该注意的问题，可以供相关的工程技术人员参考。
作者：陈汉宝 黄定强 彭义峰 熊友平 江妤 单位：湖北省水利水电规划勘测设计院 中国地质大学武汉工程学院
一、课程内容及教学安排
1.教材选择。
目前国内岩体力学教材比较多，侧重点也有所不同，通过对国内其他兄弟院校授课教材调研发现，基本上都是采用本校权威教授所编的教材或者是国家规划教材。结合我校地质学专业特色及课程教学团队经验，采用我校刘佑荣教授所编的，由中国地质大学出版社出版的《岩体力学》教材；2009年又再次对教材进行了重新编审，由北京化工出版社出版了修订版的《岩体力学》教材，对部分章节进行了合并，并增加了目前国内外研究方面的成果，例如结构面网络模拟等内容。近2年授课则是以这本修编教材为主，但在部分章节的授课中也兼顾了蔡美峰主编的《岩石力学与工程》教材，供学生课后学习，以满足本专业学生对岩体力学知识的需求。
2.课程内容优化。
结合教材的内容编排，主要从以下几方面的内容来进行重点讲解，包括岩体的地质特征，岩体的物理、地下洞室围岩应力重分布，边坡岩体稳定性分析等内容。在具体内容编排中也适当地增加了部分内容，如在岩体的地质特征章节，补充安排了工程岩体分类等内容；在岩体强度与变形性质方面，增加了地下工程岩体分级标准及体系的相关介绍；在内容编排上突出地下建筑方向的专业特点及需求。
3.教学学时安排。
本课程的课时安排在第三学年的第五学期，总学时为40个学时，2.5个学分，其中课堂教学34个学时，实验课6个学时。本门课程是在系统学习完理论力学、材料力学等力学基础课后进行开设的。
二、课程教学方法改革
1.围绕专业工程实例展开授课。《岩体力学》课本身就是实践性特别强的一门课，在进行每一章节的授课时，可以多以工程实例来展开，尤其是国内外比较知名的工程实例，多多采用照片、录像等生动形象的方式，来增加学生的感性认识，使学生投入其中，增强学生学习的兴趣及热情。例如，在讲第五章地应力的时候，可以结合水利水电工程中，如锦屏电站的高地应力问题来说明地应力研究的重要性；在讲边坡工程，可以选用大量边坡地质灾害的图片。由问题入手，来追根溯源找到解决问题的源头。
2.结合专业方向特色来授课。岩体力学作为土木工程、地质工程、采矿工程等诸多工程的主干专业课，面对的专业层次不尽相同，在授课的时候尽量能结合专业背景展开。针对地下建筑工程方向的学生，要从学生的专业方向特色及专业需求来阐述。作为土木工程地下建筑方向的本科生，《岩体力学》这门学科的发展都与地下工程的发展是密不可分的。从本质来讲，纵观岩体力学发展的几个重要阶段，从19世纪末～20世纪初的初始阶段诞生的静水压力理论、侧压系数，到20世纪初～20世纪30年代的经验理论阶段出现的普氏理论、太沙基理论，然后在20世纪30年代～20世纪60年代产生的围岩和支护共同作用理论及地质结构理论，这些重大理论及思想的诞生过程就是对地下工程认识实践不断深入的过程，并促进了岩体力学学科向前发展。在授课时，可以将这一发展脉络讲述给学生，并贯穿到后续的课程教学中，不仅大大地培养了学生对自己专业的自豪感，也加深了对自己专业的认识。
3.结合教师科研工作来授课。讲授这门课的老师，不仅有科研经历丰富的教授博导，也有刚走出校园的博士年轻教师，他们在长期的工作和求学中，完成和参与了大量的科研项目，也取得了一定科研沉淀。在授课时，可以将这些科研成果进行整理，在每章结束时，抽出专门的时间，做个与授课内容相关的小型专题讲座，丰富学生的专业眼界的同时，也可将岩体力学最新的研究方法、手段和技术介绍给学生。例如，在讲地应力一章，就曾经将参与过的地应力测试及地应力反演分析的课题成果向学生进行介绍；讲地下洞室稳定性时，就将参与的软岩隧道科研项目成果进行介绍；上课时的反响很热烈，大大激发了学生科研的热情，建立了专业教师和学生之间一座良好的沟通桥梁。尤其是对那些希望继续攻读研究生的学生，也为他们开启了一扇科研的窗户；此外，也让学生了解授课老师及其团队的专业方向及特长，为后续研究生报考提供了便利条件。
4.结合学生实践课来展开。我校《岩体力学》课程是安排在大三上学期，上这门课的学生仅仅经历的与此相关的实践环节就是大二结束时的地质学专业教学实习。虽然是地质实习，但也是与这门课的研究对象———各类岩体在打交道，例如各种岩石、结构面。在上课时，不妨将课程中提到的各种岩块、结构面等内容与实习中能看到的种类联系起来，使学生的认识更为深刻。例如，在谈岩块、结构面和岩体的地质特征时，便可列举实习线路中各类成因、不同类型、不同特征的结构面及岩石；在讲结构面的强度及变形性质时，可以将实习中遇到的各种断层、软弱结构面等现象作为实例来分析其性质上的差异。这些实例学生在实习中都亲自参与过，已经有了部分感性上的认识，重新回到课堂上学习其相关的知识，认识和教学效果也会更好。
《岩体力学》课程内容丰富，更要求我们在教学时进行一定的教学改革，要结合所教学生专业方向的特点以及未来需求，多采用先进的教学手段和方法，注重加强理论基础联系工程实际的教学模式，提高学生认识问题深度和广度，培养学生良好的工程专业素养和专业精神，为学生后续的发展奠定良好的基础。
作者：左昌群 孙金山 罗学东 单位：中国地质大学
摘要 通过对传统的《岩体力学》课程建设的分析，根据教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的要求，深刻认识到传统教学中课程建设的不足，从人才培养目标的定位、理论与实践的比例及对接关系、“双师型”教师队伍建设、教材学材的合理科学选用四个方面提出了适合高职高专的《岩体力学》课程建设的探索性方案。
关键词 1岩体力学； 2顶岗实习； 3工学结合
1、高职高专人才培养目标对课程教学的要求
根据《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》〔1〕，本着“工学结合、工学交替”，教学做合一的教学模式，人才培养要以就业为导向，突出实践技能和职业技能的培养。课程安排本着知识由浅入深。循序渐进，先基础后专业，在技能培养方面，将理论学习结合生产实践，实行“做中学、做中教”，力争实现实践教学与岗位工作零距离对接。
《岩体力学》是水文与工程地质专业的理论基础课，是力学的一个分支。主要研究不同受力条件（例如荷载、水流、温度变化）下岩体应力、应变、破坏、稳定及加固规律的一门应用性学科，其研究目的是解决岩土、地质、环境、水工、能源、土木、水利、冶金、交通、矿业工程等建设中遇到的相关问题〔2〕。《岩体力学》已经广泛应用于工程实践中，带来了巨大的社会经济效益和工程实用价值。
2 、《岩体力学》传统教学存在的问题
（1）从高职高专人才培养目标的定位上，很多教育工作者都很盲目，定位不准确甚至错位；这样的认识导致教师备课、讲课、学生听课等等环节都停留在对基础知识的认知层面，即专业、专业课程内容、教学过程、学历证书阶段，没有更加进一步的把职业、职业标准、生产过程、职业证书对接起来。
（2）理论内容偏重轻视了实践环节，本门课程是具有悠久历史的课程，在多年的教学中形成了比较完整科学合理的体系，但是这种教学方法比较适合教学研究型的教学，对于我们高职高专，已经显得理论的比例过于繁重，实践明显不足，教师和学生都注重理论知识的学习，轻视动手能力的培养，大批出现的高分低能学生，课堂和生产严重脱节。所以在传统的研究型的培养目标基础上应做比较彻底的改革。
（3）教材适应性较差，传统的研究型教学使一批又一批的教材偏于理论，轻于实践，学生学习难度大，乏味，因而也没有主动学习的积极性，对于高职高专的学生需要一套理论难度适中、够用，实践比例偏大的教材、学材和与之配套的影像资料等。
（4）教学经费的严重不足，由于在传统的教学领域，一个教师、一根粉笔、一本书就可以完成一门课程，形成了填鸭式教学的模式，导致学生学习积极性极低。
（5）生产实践教师的缺乏，切实加强教师队伍建设。
现有的教师队伍绝大部分从校门又走入校门，从理论中来又到理论中去了，更有甚者教材中的部分验，教师根本就没有接触过，照本宣科，讲起来乏味，听起来不知所以然，严重影响了学生的学习积极性和学习效率。
（6）教学方法比较单一
3、《岩体力学》课程建设的重点、难点和解决方案
岩体力学课程涉及多个相关学科领域，其课程综合性强、知识点多而杂、试验项目与工程实际联系紧密等特点，导致许多学生认为课程较难。所以采取有效的科学的教学方法引导学生尽快适应教学特点，并更好地掌握课程要求的知识技能是十分必要的。
课程建设的重点是对岩体的基本力学性质理清概念、明确试验原理及数理统计方法；难点是利用这些基本理论、原理能够分析不同工程岩体在不同的力学条件下的稳定性。
解决方案如下
（1）培养目标上遵循教高[2000]2号《教育部关于加强高职高专教育人才培养工作的意见》精神，明确指出：高职高专教育是我国高等教育的重要组成部分，高职高专教育人才培养模式的基本特征是：以培养高等技术应用性专门人才为根本任务；以适应社会需要为目标、以培养技术应用能力为主线设计学生的知识、能力、素质结构和培养方案，毕业生应具有基础理论知识适度、技术应用能力强、知识面较宽、素质高等特点。；以"应用"为主旨和特征构建课程和教学内容体系；实践教学的主要目的是培养学生的技术应用能力，并在教学计划中占有较大比重；"双师型"教师队伍建设是提高高职高专教育教学质量的关键；学校与社会用人部门结合、师生与实际劳动者结合、理论与实践结合是人才培养的基本途径。
（2）教学方法：课堂教学采用灵活多样的教学手段和方法：岩体力学的特点是概念多理论上较难理，但与生产实际紧密相连，所以在教学过程中解精讲重点、恰当复习、图文并茂、穿插一些案例结合理论，利用学生求知、求趣、求新的心理引导学生在轻松环境中掌握理论知识。
《岩体力学》本身的特点和传统的粉笔+黑板书写速度慢，单一，呆板，信息量小的缺点，课堂教学适当结合多媒体手段，充分利用多媒体课件授课内容多、图文并茂表现力丰富的优点，提高授课效率，调节学生听课情绪，调动学生积极性。这样就要求教师制作多媒体课件时 要投入大量的工作，准备多样的大量的图片、影像素材，特别是有代表性的工程案例、近期的工程现场视频以及新工艺、新设备、新技术等资料，从而使学生关注本专业领域的新动态，培养学生独立思考问题的能力，扩展学生的知识面。课堂上大量运用启发式：岩体力学课程中很多都是有大量的统计得出来的，亦多为经验公式，均有使用条件，在教学中强调经验公式地方性、条件限制性致使我们在实践中使用时，不能照抄照搬一定结合生产实际，再结合实例让同学们去修改完善经验公式，学生积极性会大大增强。多媒体教学是现代教学不可缺少的方式，充分利用好多媒体，让多媒体真正多起来，ppt、录像、动画、网络视频等等。
（3）《岩体力学》课程建设改革中教材的使用与建设
学院教学改革以来，大力加强教材的建设，提倡教师根据现有学生的接受能力和基础知识的掌握程度，编写一些实用性强，灵活方便的学材，教学效果比较好。由于教材的编写需要周期比较长，所以大多数落后于新的科技发展。为了让学生能够及时准确地接受新科技新技术，投入大量的人力进行学材的编写，这样使学生学习的内容和形式灵活多样，能够与新的科技成果，新的技术进步同步，效果显著。
（4）切实加强“双师型”教师队伍建设
国务院印发了《关于加强教师队伍建设的意见》，教育部配套制定了《职业学校兼职教师管理办法》，为加强“双师型”教师队伍建设提供了制度保障。我们将进一步加强教师培养培训工作，完善“双师型”教师队伍建设机制。希望学会在标准制定、基地建设、教师培训等方面发挥更大的作用，扭转“双师型”教师缺乏的局面，为技术技能人才培养提供的有力支撑。
教育部副部长鲁晰指出：中长期来看，产业加速转型和高技术的技术型的人才匮乏的矛盾也非常突出。技术技能型有三种人，第一类是工程师，第二类是高级技工，第三类是高素质劳动者。”鲁昕解释说，之前的职业教育只讲技能，随着信息技术的发展和产业升级，技能需以技术为基础。这就需要我们的教师队伍率先技能化。招聘教师要求参加过生产、或让现有的教师到生产单位参加实践，并把这个工作量化，即要求教师必须每年参加一定量的生产才可以授课。
（5）《岩体力学》课程建设改革中的实践教学建设
实践性教学环节
A、加强课堂讨论，提高学生学习兴趣，由一个案例入手，例如三峡水利枢纽是开发和治理L江的一项关键性骨干工程，三峡工程区内共有各类崩塌、滑坡体2490处。其中秭归县千将坪滑坡比较典型〔3〕，以此为契机，布置任务，同学们查阅资料，用岩体力学观点去分析滑坡的地质特征与成因机制。课堂可以展开讨论，最后教师总结边坡稳定分析的要素，内容充实、方法灵活，自然会有显著的效果的。
B、课堂实验环节要严格执行岩土试验的操作规程，《岩体力学》课程课内试验共有5―8个试验，学生在实验教师的指导下要求在规定的时间内完成教学标准中要求的每个试验的操作；并组织一年一度的岩土试验竞赛；组织力量强大教师团队编写配套的实验教材《岩体力学实验指导书》该指导书对于课程标准中规定的几个试验从原理、实验设备和操作步骤都有具体、详细的讲解，规定了规范的实验报告格式，为学生将来工作打下良好的基础。
C、现场参观和理论知识结合，促进学生从感性认识到理性认识的的飞跃。根据教学需要安排几个施工现场：边坡、洞室、岩体地基，让学生认识这几种工程岩体的地质、 地貌、应力等问题。参观后要求学生编写参观体会和简单的报告。
D、顶岗实习和毕业设计〔4〕，顶岗实习是坚持以就业为导向、创新“工学结合”人才培养模式，提高高素质技能型人才培养质量的重要环节。通过顶岗实习使学生能够尽快将所学专业知识、岗位技能与生产实际相结合，实现在学期间与企业与岗位零距离对接，使学生树立起职业理想，养成良好的职业道德，练就过硬的职业技能，从根本上提高人才培养质量，为确保顶岗实习各项任务的顺利完成，提高实习质量我们需进一步加强顶岗实习的组织管理，严格按照顶岗实习的课程标准要求学生。在顶岗实习基础上完成学习期间的毕业设计或毕业论文。使学生工作能力有进一步的提升。
结语：《岩体力学》课程是工程类专业的专业基础课，此次《岩体力学》课程建设的改革符合《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》要求的教学改革的发展趋势，教学手段、教学方法比较先进，实践教学能够与实际生产紧密结合，通过这样的改革能够达到高职教育的五个对接：专业与产业对接，课程内容与职业标准对接，教学过程与生产过程对接，学历证书与职业资格证书对接，职业教育与终身学习对接。使《岩体力学》课程的教学水平在高职高专教育中得到进一步的提升。
摘要:在岩体工程稳定性分析中,力学参数的选取会对计算结果产生重大影响。所以如何准确的反演青岛地铁上覆岩层岩体力学参数,进一步完善青岛地区岩体分级标准是本论文要解决的问题。
关键词:有限元强度折减法;安全系数;岩体力学参数
0引言
青岛坐落于大面积分布的燕山晚期花岗岩上,具有良好的地质条件,而且青岛市地铁一期工程,80%以上的线路处于花岗岩中,其余隧道处于第四系地层中。青岛市特有的花岗岩地质条件,对土建方面而言,将节约大量的投资,土建造价大大低于其他城市,所以对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数的研究就有其重要意义!所以本文研究任务是针对现有规范对青岛地下工程设计不尽适应的问题,利用青岛地铁水清沟试验段的观测资料,对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数进行验算和反演,为青岛地区岩体分类进一步研究打下基础。极限分析有限元法在边坡稳定分析中取得了成功[1-2],并逐渐在地基、基坑稳定分析中得到推广应用[3]。郑颖人、胡文清、张黎明等人[4-6]开始将有限元强度折减法应用于隧道,由此求得隧道的剪切安全系数。这就给我们提出了一个新的思路,通过安全系数反演岩体的力学参数,进一步修正岩体力学参数,最终得到适合青岛地铁上覆岩层的岩体力学参数。
1剪切安全系数的定义
安全系数是指剪切破坏面上实际岩土体的强度与破坏时的强度的比值。就是事先假定一滑动面,根据力(矩)的平衡来计算安全系数。将安全系数定义为沿滑面的抗剪强度与滑面上实际剪力的比值,如式(1)所示:
ω==(1)
式中,ω――传统的强度折减安全系数;s――滑动面上各点的抗剪强度;τ――滑动面上各点的实际剪应力。将式(1)两边同除以,则式(1)变为:
1==(2)
其中:c′=,φ′=arc()
可见,极限平衡法是将岩土体的抗剪强度指标c和tanφ减少为和,使得岩土工程达到极限稳定状态时的ω即为安全系数,实际上就是强度折减系数。
2工程概况
青岛地铁试验段工程选取了地质条件具有代表性的区间(水清沟~国棉五厂),由1200m的区间隧道和218m的青纺医院站组成。
青岛地铁试验段区间隧道为双洞单线,双洞之间的距离为9m,区间隧道埋深为10~20米,横断面型式为直墙三心圆拱,跨度为4.86m,直墙高3.54m,拱高1.82m。计算选取三个不同埋深的截面,分别为10m、14m和18m。
岩体主要为花岗岩,处于微~未风化带,结构、构造清晰,岩体以整体块状结构为主,完整性好,根据国际《工程岩体分级标准》GB50218-94,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。
在节理方面:产状走向以NE~NEE向为主体,其次以NW~NWW向,倾角70~80度为主,部分50度左右,节理裂隙存在一定程度的未贯通岩桥,裂隙连通率统计在24~75%,结构面紧闭,岩块坚硬。结构面以闭合~微张裂隙为主,平面光滑,犹如刀切。
3均质岩质隧道围岩稳定分析
计算按照平面应变问题来处理,准则采用DP4准则,边界范围取底部及左右两侧各5倍隧道跨度[2],地面超载按照国家规范标准20KN/m2,按照《工程岩体分级标准》,各级围岩的物理力学指标标准值如表1,下标上下表示围岩的上下限。
经过ANSYS有限元计算,逐步折减强度参数,分别得到各种工况的剪切破坏安全系数见表2,分析发现:①安全系数随埋深深度减少,明显出现两侧直墙先破坏;②通过破坏时等效塑性应变图可找出最大应变发生在拱角和墙角处,而且根据围岩等效塑性应变发生突变时各断面中等效塑性应变最大点的位置,可以发现围岩的潜在破裂面。
在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图1、图2所示。
4节理裂隙岩质隧道围岩稳定分析和岩体力学参数反演
选取埋深18米的断面,因为埋深18米的跨度最长,且通过地质勘探发现大部分为微~未风化花岗岩,且所处断面最上面基本没有覆土层,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。为了简化模型,考虑如下情况:只考虑一组起重要作用的结构面(产状走向为NE~NEE向),倾角75°,间距2.5米,贯通率为75%。各级围岩参数见表3。
经过有限元强度折减,最终分别得到各类围岩下的安全系数见表4。
在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图3、图4所示。
所以在埋深18m情况下,通过均质岩质中给出的安全系数与节理裂隙岩质的安全系数比较,进行反演,最终在表5中,对一、二、三类围岩岩体的强度参数提出了建议值。
对表5中给出的各级围岩岩体的强度参数建议值研究发现:对II类和III类围岩的,值较规范值增大,这说明青岛地铁上覆岩层主要是花岗岩,岩性好,所以岩体强度参数建议值要大于规范中的给定值。
最后通过《青岛地铁第一期工程 水清沟――青纺医院试验段 施工地质、变形量测、环境检测总结报告》中的位移检测,验证了反演的强度参数建议值的合理性。
最终通过分析发现:相对于青岛花岗岩地区,规范中给出的岩体分类的强度参数偏低,按照规范中的参数进行设计就会偏于保守,所以针对青岛地区花岗岩的岩性特征,笔者对规范中给出的岩体分类的强度参数做了修正,为进一步确定了青岛地铁上覆岩层岩体分类打下基础。
摘要:采用新奥法进行隧道工程施工时,设计单位只能根据监控单位和施工单位反馈的监控数据和隧道开挖揭露情况对设计的合理性进行宏观判断,隧道设计时应把力学计算和实际背景岩体力学参数相结合,才能更科学、经济的按照新奥法的理念完成隧道工程的设计、施工。
关键词:新奥法;岩体力学参数;单轴抗压强度
0 引言
在现时的公路建设中,为满足线型、车速、里程、生态环境等要求,隧道工程已被大量采用。建设环境的不可预知性是隧道工程最大的特点,在施工中,开挖的围岩与设计不符的情况屡见不鲜。
鉴于此,新奥法(NATM)被流行地应用于隧道工程工作中。而施工监控量测则是新奥法施工方法中的重要工序之一。
施工监控量测是将施工过程中的围岩稳定性、支护结构承载能力、初期补强及二次衬砌合理的施作时间、开挖揭露岩体的力学参数等情况反馈给设计与施工以达到优化设计参数、优化施工方案及施工工艺目的的工序。
1岩体力学参数的重要性及其在新奥法施工中的现状
监控量测的内容在相关技术规范中已做了相关规定,着重于对揭露围岩情况的观察以及开挖洞室的净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小量测等。由这些监控数据在指导施工中起到了很直观、重要的作用。但是对岩体的力学参数测试包括抗压强度、变形模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比、围岩完整性指数、应力强度比等没有引起足够的重视。只有在少数工程中对力学参数进行了监测。在进行隧道的围岩基本质量分级和力学建模计算分析时,这些参数是必不可少的。
对于工程岩体这样复杂多变的隧道工程,为了选择一条正确的设计途径,一方面要使经验方法科学化;另一方面还要使设计中所进行的力学计算具有实际背景。
为了做到这点,现场的监控测试就应该提供更多的依据,这样才能把力学计算和实际情况更好的结合。
现在的勘察设计单位都存在时间紧、任务重的问题,勘察单位不能对隧道的地质情况做详细细致的勘察工作,而设计单位也只能根据勘察单位提供的有限的勘察资料更多的采用工程类比法进行设计。
然而隧道的围岩揭露情况与勘察情况有很大一部分不相符。在出现不相符时,设计单位只能根据监控单位和施工单位提供的资料进行设计变更。
变更时分两种情况,第一种,设计偏弱,设计只能根据有限的资料进行一定的补强设计;第二种,设计偏强,实际工作中,此种情况一般未变更设计。
第一种情况,在实际工作中影响施工进度,有时还给工程留下隐患,甚至造成质量安全事故;第二种情况,使工程不能体现其经济性,甚至造成不必要的浪费。要想隧道工程设计更加科学合理,设计方就必须要有足够的资料作为设计的背景。在施工过程中,监控量测作为提供设计资料背景方,应该不仅要为设计方提供净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小等作为宏观判断设计合理性的依据,还应提供更细致的岩体的力学参数为隧道的力学计算提供直观依据,这样才能更为科学、经济的完成整个隧道的新奥法设计、施工。
2岩体力学参数测试和计算方法简介
2.1 抗压强度是指岩石单轴饱和抗压强度(RC),按照抗压强度试验的试件的尺寸、精度、含水率制作试件,以0.5~1MPa/s的速度加载直到破坏,记录试件破坏形态,逐级记录荷载及应变值,并绘制应力与纵向应变和横向应变曲线图,按照R=计算其单轴抗压强度,按照Eav=,μav=计算平均弹性模量、平均泊松比(σa,σb分别为曲线上直线段始点、终点应力值,εa-εb分别为σa,σb处纵向应变值,εda-εdb分别为σa,σb处横向应变值)。
2.2 黏聚力、内摩擦角可由原位试验得到。
2.3 围岩完整性指数可以由KV=求得,纵波、横波速度可以用岩石超声波参数测定仪、纵横波换能器测得。
2.4 应力强度比可由Sm=式计算得到,σmax为岩体的最大主应力。
3结论及改善建议
逐步的优化设计、施工参数,使隧道工程建设经济、科学、安全的完成,使新奥法施工广泛应用于隧道工程修建的主要原因,但此种施工方法只是更多的反馈于施工,在设计中其作用还未得到更好体现。
要想新奥法中的监控量测结果更好地反馈于设计,岩体的力学参数的监测在监控量测中的重要性就必须得到体现。
岩体的力学参数的监测在隧道施工监控量测中很少实施,原因是隧道工程实施的相关人员未意识到此项工作的重要性。为了新奥法能更好的应用到隧道设计、施工生产中去,相关人员应对此项工作的作用给予足够的重视,配备相应的人员和设备来完成此项工作。
摘要：为适应当前勘察、土木、地质、石油等行业对相关专业本科毕业生的高要求，本文基于岩体力学的特点，详细分析了当前我国岩体力学本科教学的现状以及进行改革的必要性。在此基础上，从教学内容、试验环节、教学方法等方面提出了初步的改革措施。以期通过这些措施，提高岩体力学本科教学质量，培养适应社会发展和时代要求的复合型人才。
关键词：岩体力学;教学内容;试验教学;数值仿真;教学方法
岩体力学是土木工程、石油工程、地下工程、水利水电工程、地质工程、采矿工程、勘查技术与工程等专业本科生的重要专业基础课之一，是研究岩体在外界因素（荷载、水、温度等）作用下的应力、变形、破坏、稳定性与加固的学科，理论基础广泛，涉及地质学、固体力学、流体力学、计算数学、地球物理学等学科知识[1，2]。通过这门课程的学习，学生能够建立起有关岩体力学的基本理论体系以及相应的工程概念（如强度理论、工程岩体分类、稳定性分析），为后面的相关专业课（如基础工程、钻探工艺学、计算岩土力学、矿山压力与岩层控制）提供必要的知识储备，也为毕业后从事建筑、勘探、采矿、采油等相关工作奠定必备的理论基础。随着我国社会经济的快速发展，大量的岩土工程广泛兴起，复杂的岩体力学问题不断涌现，从而对高校培养的相关专业人才的综合能力提出了更高的要求：不仅要具有扎实的专业基础知识，还要有一定的分析和解决现场实际问题的能力[3]。
作为人才培育的主要基地，高校在岩土工程人才培养过程中，在培养模式以及相关的各类软硬件条件等方面已经远远跟不上社会发展的步伐及社会对复合型人才的需求[4]。因此，针对当今社会的实际需求，如何安排好岩体力学教学，培养合格的本科生，成为摆在各大高校相关教师面前的重要问题。
一、岩体力学教学改革的必要性
岩体在形成与存在过程中，长期遭受着复杂的建造与改造地质作用，最终变成一种被大量不同类型与规模的断层、节理、层理、片理、裂隙等结构面切割包围而成的材料，具有非均质、非连续、各向异性的特点。同时，岩体还赋存于复杂的天然应力状态和地下水中。这些使工程岩体的力学行为极其复杂，通常呈高度非线性。岩体力学问题大多是病态的、不确定的、多尺度的，很难找到一种解析或数值算法进行精确地求解[5]。从而，依托于岩体上的各类工程（如地下空间与地下隧道工程、岩质边坡工程、岩石地基与坝基工程、采矿工程以及钻井工程）的设计计算分析极为复杂，目前实际工作中，仍通过以工程经验、现场试验与监测为主，理论指导为辅来完成。可以说，岩体力学还很年轻，知识体系还不够完善，许多理论尚不成熟，自身发展速度远远落后于工程实践的要求。
随着中国能源、交通、水利、国防、城市建设等事业的发展，岩体工程建设越来越多，规模也越来越大，这些给岩体力学带来了新的机遇与挑战，也对相关从业人员提出了更高的要求。然而，作为培养高级人才的摇篮，高校在岩体力学本科教学方面还存在很多问题，比如教材陈旧、内容落后、试验教学不足、理论与实际脱节严重、课堂教学方法落后、教学手段单一，在很大程度上影响了本科生在实际工作中解决复杂问题的能力和创新能力。因此，开展岩体力学本科教学改革是十分必要的。通过教学改革，旨在既提高相关从业人员的基本素质与实践能力，又为培养高层次复合型人才打下坚实的理论基础。
二、岩体力学本科教学改革的主要内容
笔者认为岩体力学本科教学改革应从多方面着手：与时俱进地优化教学内容，以实际工程为教学案例密切联系实际，增加室内试验与数值仿真等试验教学环节，改革教学方法，从而探索满足当今社会快速发展条件下的岩体工程建设需求的复合型人才培育的教学方法。
（一）优化教学内容
目前国内高校岩体力学本科课程无统一教材，教学内容由任课教师自己掌握。相关教材也比较多，如沈明荣与陈建峰主编的《岩体力学》（2006），刘佑荣与唐辉明主编的《岩体力学》（2009），陈海波等主编的《岩体力学》（第2版，2013）以及阳军生与阳生权主编的《岩体力学》（2008）。各教材在基础理论方面的表述基本上是一致的，只是在工程应用方面侧重点有所不同。笔者认为各任课教师应根据其校本专业特点，依据教学大纲与学时安排，以一本教材为主、多本教材为辅的方针授课，在讲授岩体力学基本原理与知识的基础上，以实际工程进行案例教学，并适当向学生介绍当前的新概念、新技术、新方法等发展动态与学科前沿，提升学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面。
本校地质工程专业（岩土钻掘方向）的岩体力学本科课程，根据国家学科组指定的教学大纲，编制授课计划，结合本专业的特色与发展需要，对大纲进行了适当调整与修改。教材以教育部地质工程教学指导分委会推荐的刘佑荣与唐辉明主编的《岩体力学》为主，以《Fundamentals of rock mechanics》、《岩石力学与工程》、《岩石力学与石油工程》、《钻井岩石力学》、《矿山岩石力学》等相关教材为辅，删除其他相关课程的重复性内容，同时补充隧道钻掘、地下工程支护、工民建勘察、大陆科学钻探以及石油钻井等方面的工程实例，根据本校本专业本科教学计划40学时左右的内容进行编辑，在满足本专业学生对岩体力学认知与掌握的需求的同时，实现专业基础知识扎实、知识面宽的复合型人才培养要求。
（二）增加试验教学环节
试验是岩体力学教学的重要环节，但是限于学时、设备、经费等原因，在本科教学过程中一般只能有选择地让学生动手做几种相关室内试验，难以很好地培养学生的动手能力，因此，增加试验教学环节势在必行。笔者认为可以从如下三个方面来解决这个问题：
1.通过与相关试验室相关人员协调，在课余时间借用试验，开展相关岩体力学试验，从而尽可能多地锻炼学生的实际动手能力;在不影响试验室正常运行的前提下，将学生划分多批次，参观有关科研项目的岩体力学试验过程，以实现尽可能多地感性认识岩体力学课堂上讲授的理论知识。
2.通过鼓励和指导本科生积极参与所在院系教师的相关科研项目、科技报告会项目、大学生创新基金项目等活动，在项目中实际运用岩体力学知识，进一步锻炼学生认识、分析与处理岩体力学问题的能力。
3.充分利用计算机仿真技术[6]，采用数值仿真手段弥补试验场地和设备的不足[7，8]，并初步培养学生运用数值模拟与理论相结合的方法，分析边坡稳定性、地下隧道与矿山开采围岩变形、地基岩体稳定性、井壁稳定性等实际工程问题。
通过以上措施实现室内试验与数值仿真试验教学环节的增加，使本科生在实践中体会所学知识，找到自己的不足，增强对岩体力学的理解与掌握，锻炼动手能力，提高分析问题、解决问题的能力与创新能力。
（三）改革教学方法
目前以多媒体电子课件为主、黑板板书为辅的教学方式已被广泛应用于高校教学中。岩体力学是一门理论性与实践性均很强的学科，教师应针对此特点开展教学活动。但是，限于学时、安全等原因，任课教师通常无法带学生到现场进行实地参观讲解。为了加强理论与实践的相接轨，就需要充分利用电子课件能够图文并茂、声像俱佳的优势，形象生动地向学生传递工程现场信息，从而弥补实践的不足。
对于理论方面，采用传统的板书教学方法补充多媒体教学，对重点、难点公式用板书一步步推导，便于学生理解与记忆。增加课上与学生互动环节，如让学生回忆上堂课内容，多多就知识点提问，增加课堂作业环节，添加学生分组演讲报告环节。增加课下与学生互动，如建立QQ群、微信朋友圈，在上面经常行业最新动态的图片、新闻、视频，发表小课题引导学生讨论，以及邀请学生参加自己的科研项目。改革考核方式，总成绩既包括期末闭卷考试成绩，又包括平时表现、试验报告、文献综述报告等。
通过以上种种手段，更好地调动学生的学习积极性，更好地培养学生的学习能力与解决问题的能力，更加公平地评价学生的课业表现。
三、结语
岩体力学内容丰富、知识复杂，给本科教学带来了挑战与机遇。笔者针对目前岩体力学本科教学方面的不足，从教学内容、试验环节、教学方法等方面提出了初步的改革措施。以期通过这些改革，既能促进学生更好地掌握岩体力学的基础知识与技能，又能培养学生的创新能力与实践能力，为国家培养满足行业需求的复合型人才。
摘 要：节理岩体的力学参数是与岩体相关的地下工程设计的主要依据。区别于实验室完整岩块，现场原岩中结构面的存在显著弱化了岩体的强度，为地下工程设计带来了一定的不确定性。为解决此问题，本论文拟采用基于颗粒流的数值模拟方法，为节理岩体的力学参数量化提供一种新思路。
关键词：颗粒流;岩体力学;模型参数
1 概述
颗粒流是近年来兴起的主要应用于硬岩的数值模拟新方法。区别于现有的连续性数值模型，颗粒流以不可破坏圆形颗粒作为基本单元，通过颗粒之间的粘结来显式模拟完整岩块的脆性破坏。当颗粒之间的拉应力超过颗粒粘结的拉强度时，裂纹被标记为拉破坏，反之当颗粒之间的剪应力超过粘结的剪强度时，裂纹被标记为剪破坏。通过这种简单的接触关系，颗粒流方法可以精确再现岩块在压缩或者拉伸状态下的裂纹扩展模式。颗粒流方法通过颗粒之间的微观接触来控制模型的宏观破坏模式，模型的宏观力学参数是通过不断校对这些微观接触参数来实现的。
2 颗粒流模型
本论文采用的实验室完整岩块的力学参数来源于灰岩，包括峰值强度：122MPa，弹性模量：80.0GPa，泊松比：0.25。图1显示了不包含任何节理的颗粒流模型，用于初始的颗粒接触微观参数校对，其中三个测量圆用于监测模型在单轴压缩过程中的应力应变变化。然后建立三个包含结构面的节理岩体颗粒流模型;每个模型包含三组节理，其中主节理组1的倾向为0度，主节理组2的倾向为90度，两组主节理的产状设置为相同;次节理组3设置为与两组主节理同时垂直。为了描述方便，本论文以主节理的倾角作为标识：R-30、R-60、R-90分别表示模型中主节理的倾角为30、60、90度。各组节理的平均直径均设置为0.5m。
3 模型解译
本论文主要考虑节理岩体在单轴压缩状态下的力学参数，包括岩体的峰值单轴抗压强度和弹性模量。由于工程岩体的尺寸在大多数情况下不适合现场原位试验，目前这两个力学参数主要通过经验或者半经验方法估算，这样不可避免地会产生适应性不足的问题。本论文介绍的颗粒流方法从数值模型的角度提供了一种新思路。通过一系列针对图1中完整岩块模型的单轴压缩试验，最终校对的颗粒流模型微观参数如表1所示。完整岩块在单轴压缩过程中的应力应变曲线如图2所示，从中可以确认基于表1的微观参数所得结果符合第2节列出的灰岩力学参数。表1同时提供了结构面的力学参数。
图2 完整岩块单轴压缩应力应变曲线
图3显示了节理岩体数值模型的单轴压缩应力应变曲线，这些节理岩体的峰值强度和弹性模量也标注于该图中。数值模拟的结果显示节理岩体的峰值强度明显受到结构面产状的控制。岩体强度随主节理的倾角变化显示出典型的U型特点，即当节理倾角从15度增加到45度时，岩体强度从47.1MPa减小到24.5MPa，然后逐渐增大到52.0MPa（主节理倾角90度）。强度的U型变化可以从节理岩体的破坏模式来分析（完整岩块控制和结构面控制）。根据简单力学分析，当结构面的摩擦系数大于结构面的倾角时，沿结构面的完整岩块剪切破坏会被阻止。这种条件下节理岩体的破坏主要由节理间的完整岩块控制，考虑到岩块的强度远大于结构面的剪切强度，当节理岩体的破坏是结构面控制时，岩体峰值强度会偏小。
节理岩体的弹性模量呈现出与峰值强度类似的U型变化特征（图3）。当主节理倾角从15度增加到90度时，弹性模量首先从42.2GPa减小到29.9GPa和30.2GPa，然后增加到40.7GPa和52.5GPa。类似的，由于结构面的刚度小于完整岩块的刚度，当岩体的破坏是结构面控制型时，节理岩体的弹性模量偏小，反之，节理岩体的模量偏大。
4 结论
本论文展示了应用颗粒流量化节理岩体的力学参数的新型数值模拟方法。通过作用于完整岩块模型的单轴压缩试验，本论文首先校对了颗粒之间的微观参数，然后通过一系列不同结构面分布的节理岩体模型，本论文确认节理岩体的峰值单轴抗压强度呈现出典型的U型变化，即当岩体所含节理有利于岩块的剪切滑移时，节理岩体的强度显著减小;而当节理不利于岩块的剪切错动时，节理岩体的强度更多地受到岩体中完整岩块控制，强度显著上升。节理岩体的弹性模量呈现出与强度相同的变化规律。本论文为量化节理岩体的力学参数提供了额外的途径，论文结论可以作为地下岩体工程设计的参考。
摘要：本文阐述岩土力学发展历史和概貌，岩体力学的基本研究内容和研究方法，以及当今岩土力学发展存在的问题，对岩石力学研究提出的更高一个层次的要求，使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战，急需解决和提高岩石力学理论和方法的研究水平，以适应工程实践的需要。
关键词：岩土力学，发展，新技术，展望
引言岩体力学是近展起来的一门新兴学科和边缘学科，应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地下工程等众多的与岩石工程相关的工程领域，一方面它是上述工程领域的理论基础，另一方面正是上述领域实践促使了岩体力学的诞生与发展，作为地球科学的一个重要组成部分面临一系列新的机遇和挑战。
一、岩体力学的发展历史和概貌
（1）初始阶段（19世纪末～20世纪初）
这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。海姆提出了静水压力的理论认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等；朗金和金尼克也提出了相似的理论。
（2）经验理论阶段（20世纪初～20世纪30年代）
该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题，最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论，该理论认为，围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。太沙基提出相同的理论， 只是他认为塌落拱形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的，进一步说围岩和支护之间并不安全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，维持岩石工程的稳定最根本的还是发挥围岩的作用，尽管如此，上述理论在一定的历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的。
（3）经典理论阶段（20世纪30年代～20世纪60年代）
岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论，岩体工程技术问题的解决，这些都说明岩石力学发展到该阶段已完成为一门独立的学科。在经典理论发展过程阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。早在20世纪30年代，萨文就用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题，20世纪50年代，鲁滨湟特运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作，同时，开始有人用弹塑性理论研究围岩的稳定问题，导出著名的芬纳-塔罗勃公式和卡斯特纳公式，塞拉塔用流变模型进行了隧峒围岩的粘弹性分析。
20世纪60年代，运用早期的有限差分和有限元等数值分析方法，出现了考虑实际开挖空间和岩体节理、裂隙的围岩和支护共同作用的弹性或弹塑性计算解，使运用围岩和支护共同作用原理进行实际岩石工程的计算分析和设计变得普通，促进了中国早期的地应力测量工作的开展。
地质力学理论注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系，由德国人克罗斯创立起来的，理论反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学的原理进行岩石力学特性的分析，强调重视对岩体节理、裂隙的研究和结岩石工程稳定性的影响和控制作用，1951年在第一届地质力学讨论会，形成“地质力学研究组”并广泛应用于岩石工程。
（4）现展阶段（20世纪60年代～现在）
此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段，其主要特点是用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入岩石力学，20世纪60年代和70年代，原位岩体与岩块的巨大工程差异被揭露出来，岩体的地质结构和赋存状况到重视。20世纪70年代开始出现用于岩石工程隐定性计算的数值计算方法，主要是有限元法，20世纪80年代数值计算方法发展很快，有限元、边界元及混合模型得到广泛应用，成为岩石力学材料分析计算的主要手段，20世纪90年代数值分析终于在岩石力学和工程学科中扎根，岩石力学专家和数学家合作创造成一系列计算原理和方法。20世纪80年代和90年代，岩石工程三维信息系统、人工智能、神经网络、专家系统、工程决策支持系统等迅速发展起来，并得到普遍的重视和应用。20世纪90年代现代数理科学的渗透是非线性科学在岩石力学中的重要应用。
智能岩石力学涉及人工智能、神经网络、遗传算法、模糊数学、非线性科学、系统科学、固体力学和岩石工程等许多领域。
二、岩体力学的基本研究内容和研究方法
岩石力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性，对任何岩石工程领域来讲，下列基本内容是首要进行研究的。
（1）工程岩体的稳定性包括：1）各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力、位移分布特征；2）各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征；3）各类工程岩体的稳定性分析与评价等。
（2）岩石的基本力学性质包括：1)岩块在各种力学作用下的变形和强度特征以及力学指标参数；2）影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等；3）岩石的变形破坏机理及其破坏判据。
（3）岩石的物理、水理与热力学性质。
（4）结构面力学性质内容包括：1）结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形参数及其确定；2）结构面剪切强度特征及其测试技术和方法。
（5）岩体力学性质包括：1）岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法，2）岩体力学参数的弱化处理与经验估计；3）影响岩体力学性质的主要因素；4）岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。
（6）地应力分布规律及岩体规律及其测量理论与方法
（7）岩石、岩体的地质特征，内容包括：1）岩石的物质组成和结构特征；2）结构面特征及其对岩体力学性质的影响；3）岩体结构及其力学特征；4）岩体工程分类。
（8）岩石工程稳定性维护技术包括岩体性质的改善与加固技术等。
（9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。
（10）工程岩体的模型、模拟试验以及原位监测技术，模型试验包括数值模型模拟、物理模拟等。
根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同，岩石力学的研究方法可大概归纳以下四种：
（1）工程地质研究方法；（2）科学实验方法；（3）数学力学分析方法；（4）整体综合分析方法。
三、岩体力学研究的主要问题
主要研究的问题有以下几种：
（1）水利水电工程；（2）采矿工程；（3）铁道和公路建设工程；（4）土木建筑工程；（5）海洋勘探与开发工程。以上只是一些主要方面，随着岩石工程建设的发展，还会有新问题的不断提出。
四、岩体力学与工程发展趋势和前景展望
国际上岩石力学与岩石工程研究的最新趋势：
(l)岩石工程对环境的影响越来越受到重视，这是同全球的环境保护意识增强离不开的。
(2)对岩石或岩体的力学和水力学特性与温度场、应力场等相关场的耦合问题的研究越来越多，不再是对简单环境下单一岩石力学性质的研究。
(3)对岩石力学特性及岩石工程的数值方法和数据模拟的研究一直是长盛不衰的。
(4)岩石或岩体特有的节理裂隙对其力学性质的影响的研究越来越深入和细致。
(5)原位测试及勘探。水压致裂及三维裂纹勘探受到重视，声发射致裂研究裂缝扩展及强度的破坏。
(6)越来越重视岩石力学的研究成果在实际工程中的应用。
(7)高科技在岩石力学与岩石工程中的应用开始崭露头角。
以下五个方面的问题应成为我们的主攻方向。
（1）岩体力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。
（2）岩体力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。
（3）岩体力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。
（4）岩体力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。
（5）从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护，以及人地关系的协调。
这些问题都是对岩石力学提出的更高的要求，使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战，急需发展和提高岩石力学理论和方法的研究水平，以适应工程实践的需要。
摘 要：在深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点，“三高一扰动”的复杂环境，是深部开采面临的挑战性、高难度课题。虽然目前对于深部开采工程的研究已经取得了部分成果，但对深层次、注重个案、侧重技术的基础研究重视仍然不够。今后主要研究方向应集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制以及深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。
关键词：深部开采；岩石力学；三高一扰动
深部开采岩石力学，主要是指在进行深部资源开采过程中引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。目前，对能源的需求逐步增加，开采强度也不断加大，这些都造成了浅部资源的日益减少，因而国内外的矿山都相继进入深部资源开采状态。而开采深度的不断增加，工程灾害也随之增多，这对深部资源安全高效的开采造成了巨大威胁。
1 深部开采岩体的力学特点
1.1 开采环境
深部开采和浅部开采最明显的区别在于深部岩石所处的特殊环境，也就是“三高一扰动”的复杂力学环境。“三高”主要是指高地温、高地应力和高岩溶水压。“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。当进入深部开采后，岩体呈现塑性状态，即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，并且对岩石造成破坏。
1.2 力学行为特性
深部岩石的“三高一扰动”复杂环境，对深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应产生根本性的影响。主要表现在深部岩体动力响应的突变性，深部岩体应力场的复杂性，深部岩体的大变形和强流变性，深部岩体的脆性一延性转化，深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性等五个方面。
2 深部开采工程中的岩石力学问题
目前对于深部开采工程的研究已经取得了一系列成果，但是对于侧重技术、注重个案的深层次基础研究始终没有得到足够的重视。深部开采“三高一扰动”的复杂力学环境，使深部岩石力学行为及其深部灾害的特征与浅部开采明显不同，因而在浅部开采基础上建立的传统理论不能适应现在的研究环境。
2.1 强度确定
深部开采时地应力水平比较高，因而工程开挖后的工程岩体在高围压作用下，一个或两个方向上应力状态的改变所表现出的强度变化并不是简单的表现在受拉或受压，而是复杂的拉压复合状态，即径向产生卸载，同时切向产生加载。所以深部开采时工程岩体的强度不能单纯用岩块强度来确定，必须建立符合深部开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。
2.2 设计理论
深部开采时，由于工程围岩所表现出的非线性力学特性，在稳定性控制设计时不能采用简单的一次线性设计，因而必须建立采用二次以至多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。
2.3 稳定性控制理论
在深部开采环境下，工程开挖后工程围岩就会有不同程度的破坏，必须采用二次支护甚至多次支护才能够实现工程稳定性。因此，原有的稳定性控制理论不能适合新的环境，必须建立适合深部开采工程的二次（支护）稳定性控制理论。
3 今后研究重点
随着我国国民经济的提高和科学技术的发展，在复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建，有了许多深部开采事故的预防应用，并由此发展了先进的科学技术和理论。我们认为对岩石力学问题，今后主要研究方向应集中在对深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制和深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。
3.1 “深部”的概念及其分类体系
目前国内外对深部工程中所引发的岩石力学问题研究十分重视，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差异较大，这些对该领域理论与技术研究的发展及交流有一定影响。因而，对“深部”的概念、分类体系以及评价指标进行科学的定义，是推动深部岩体力学的基础理论研究的当务之急。
3.2 深部岩石力学的基本特性研究
深部工程的“三高一扰动”复杂环境，使得深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应都发生了根本性的变化，同时也导致深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而，深部资源开采面临的核心科学问题正是采掘扰动表现出来的特殊力学行为。其中的深部高应力场成因以及多个应力场的耦合作用状态研究、深部复杂应力状态下岩体拉压复合强度确定方法及其灾变机理更是今后研究的重点。
3.3 深部开采工程的稳定性研究
深部开采工程的稳定性问题是研究围岩在开采破坏后与支护系统相互作用所达到的二次稳定问题。在深部条件下的工作面回采所形成的采动应力场与巷道掘进形成的开挖应力场相互耦合叠加，这些形成了复杂的三维应力场。同时，采动应力的分布与回采空间动态、多维的时空规律以及支承压力区的范围和峰值应力等也将产生很大变化。因此，应该结合深部岩体的非线性力学特性研究，在对深部采场以及巷道围岩采动的应力时空分布规律的深入分析基础上，探讨深部开采采场及巷道一体化的稳定性非线性力学控制对策。
3.4 深部工程灾害的发生机理以及控制对策的研究
在深部条件下，“三高一扰动”环境使深部岩体的基本行为特征、组织结构和工程响应发生了根本性的变化，这同时导致了深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而，研究岩体在地下水、瓦斯、高地应力、温度等作用下的稳定与非稳定变形，破坏状态以及转化机理、条件和规律，探索深部多相介质、多场耦合的作用下工程灾害频度和强度等特征，这些对揭示深部工程灾害的诱发机理和成灾过程，并对相应的灾害提出预测方法及控制对策具有重要意义。
在“三高一扰动”特殊地质力学的环境下，传统的理论、方法和技术已经部分或全部失效。因此，对深部开采工程岩石力学基础理论研究的大力开展，能够对深部资源开发提供可靠的理论基础，并为我国经济的可持续发展和国家安全战略的实施提供有效的能源和资源保证。
摘 要：由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据反映的只是某一方面或者几方面的规律，对顶板活动难以有一个全面了解。研究方法采用相似模拟只能在部分方面取得较好的成果，但是会消耗较高成本。实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。
关键词：煤岩体 力学 参数 模拟 分析
由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据只能反映某一些方面或某几方面的规律，难能对顶板活动有一个全面的了解。采用相似模拟的研究方法，虽然在某些方面能取得很好的效果，但是，模拟的成本高，实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。本次采用UDEC数值模拟方法，研究不同初撑力条件下，上覆岩层的稳定性。
1 煤岩体力学参数的选取
1.1 煤岩体力学参数的选取
关于岩体参数的参考值，其材料特性满足库仑—摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。
1.2 节理和角点圆弧化
可以将岩石块体之间的接触面认为是节理。根据不同的粗糙程度，个别的接触点构成接触面系，通常两个端点的接触可以代表，端点会在运动的时候发生相对的法向位移和切向位移。
块体不仅会有面接触还有点接触，不管是点还是面的接触，都会有数学上的奇异性，点接触会引起计算上的应力集中，但是实际情况是，尖角在力的作用下被折断钝化，因此还要将圆弧化处理加入到角点的计算中。
圆弧化处理角点之后，可以将圆弧的中心道边的垂线和边的交点作为边和角的接触点，节点的发现方向也就是垂线方向。两个焦点的接触点可以取两个圆弧中心的联机和圆弧交线的交叉点。经过圆弧化处理的角点增加了计算的时间，但是角点接触的奇异性被消除，这样的计算和实际接触点的物理图像更加符合。本次模拟时round取值0.2。
1.3 刚度系数
在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大，刚体块将连接成为一个整体，无相对运动可言；如果取得太小了，则刚体块将成为一盘散沙，相互间没有约束。作为一个经验的规则，刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍，即有：
式中：K为体积模量；
G为剪切模量；
Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。
如果取用太大的刚度系数，会将大幅增加计算时间，却不会改变物理图像。但是如果取用太小的刚度系数，时步会被增大，加快计算速度，但是节理“过软”，块体间“嵌入”太多，与实际情况不符。
刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10～100 MPa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理，则刚度系数甚至可以超过100 GPa/m。
UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数，它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大，以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性，在满足精度和稳定收敛要求的前提下，宜尽量减小块体刚度，刚度系数一般取1010～1011 n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。
2 UDEC数值模拟
2.1 低初撑力状态模拟
根据实测单体支柱平均支护力为13.8 kN，采用UDEC进行了数值模拟，按单体支柱平均支护力为90 kN，采用UDEC进行了数值模拟。
2.2 UDEC模拟结果分析
从模拟结果可以得出，低支护力状态下，顶板离层，平衡结构形成的层位相对较低，当地质条件发生变化时，遇断层或特殊地质结构岩体时，容易出现顶板事故。高支护力状态下，平衡结构的层位相对较高，对工作面的影响也较小，工作面变形量也较小，工作环境大大改善。
采场围岩运移是一个动态的过程，动态过程有两层内容，一是随着时间变化的动态过程；二是随支护力不同而变化的动态过程。如图1所示为低支护载荷条件下围岩运移状态，支护顶板距平衡结构8～12 m，平衡结构对采场的影响较大，由于支护力过小，顶板易发生离层，支护状态差。如图2为合理支护条件下围岩运移状态，平衡结构下方岩层厚度为15～19 m，距离支柱较远，支柱上方顶板发生离层的可能性较小，采场处于安全状态下。
2.3 FLAC数值模拟结果分析
从FLAC数值模拟可以看出，工作面的支护初撑力大小对工作面围岩应力分布有十分显著的影响。低载荷，应力峰值和高应力范围均显著增大，而导致顶板剪应力区显著扩大。而高载时，顶板剪应力仅在煤壁上方很小的范围出现峰值。
剪应力从煤壁附近向控顶区上方顶板的扩展是导致顶板破碎的主要原因，而顶板破碎范围与支架载荷有关。
随支护载荷的增加，煤壁前方的支撑压力明显减少。煤壁前方顶板应力减少。由于支架载荷较低，煤壁前方垂直应力增加，控顶区上方剪应力集中程度增加，范围增大。
控顶区上方的顶板铅垂应力随支架载荷的增加明显改善。支护载荷的增加，导致和围岩应力降低，从而改善围岩控制，避免顶板破碎。
随着支护载荷的加大，位移矢量也有所改变。位移矢量由低载垂直位移变为高载的水平位移。即控顶区围岩的稳定性有所增强。
在主应力图中低载时，应力矢量比较紊乱，很不规则。而高载时，主应力矢量在煤壁上方的顶板岩层，指向煤壁前方，显示了煤壁前方的应力集中效应和压力拱效应。
摘要：岩体力学课程理论性强、课程内容体系面广而复杂，在教学时一定要围绕学生专业方向特点及专业需求，将理论教学与工程实践教学相结合，有针对性地进行授课内容及授课模式的安排，加深学生对课程知识体系的理解。以我校土木工程专业地下建筑方向“岩体力学”课程教学为例，从教材选择与教学安排、教学方法改革等几个方面作了详细的阐述，为国内高校同类专业《岩体力学》教学提供有益的参考。
关键词：土木工程；地下建筑工程；岩体力学；教学改革
《岩体力学》是岩土工程、地质工程专业的专业基础课程之一，也是土木工程、水利工程等学科的主要专业课之一。岩体力学是近展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。岩体力学是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。岩体力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。因此，在岩体力学教学中必须加强教学内容改革和加强课程实践环节，体现岩体力学作为基础学科内容的完整性和土木工程专业基础的实践性，引导和推动学生积极地投身到该课程的学习中去。我校土木工程专业从成立时，一直将《岩体力学》课程作为主要专业基础课程，并已形成了良好的教学传统，教材及实验条件都十分充足；且该课程一直作为我岩土工程、地质工程硕士、博士入学考试的科目之一，经过多年的教学实践获得了较好的课程教学经验。但在我校也存在多个专业不同方向都沿用一套教材、一套大纲、一套讲义的教学现状问题，并未结合专业方向特色进行有针对性的改革；故此结合近几年对我校土木工程专业地下建筑专业方向本科生授课经验及感受，介绍面向地建专业方向的岩体力学课程安排和教学方法改革的相关措施及效果。
一、课程内容及教学安排
1.教材选择。目前国内岩体力学教材比较多，侧重点也有所不同，通过对国内其他兄弟院校授课教材调研发现，基本上都是采用本校权威教授所编的教材或者是国家规划教材。结合我校地质学专业特色及课程教学团队经验，采用我校刘佑荣教授所编的，由中国地质大学出版社出版的《岩体力学》教材；2009年又再次对教材进行了重新编审，由北京化工出版社出版了修订版的《岩体力学》教材，对部分章节进行了合并，并增加了目前国内外研究方面的成果，例如结构面网络模拟等内容。近2年授课则是以这本修编教材为主，但在部分章节的授课中也兼顾了蔡美峰主编的《岩石力学与工程》教材，供学生课后学习，以满足本专业学生对岩体力学知识的需求。
2.课程内容优化。结合教材的内容编排，主要从以下几方面的内容来进行重点讲解，包括岩体的地质特征，岩体的物理、地下洞室围岩应力重分布，边坡岩体稳定性分析等内容。在具体内容编排中也适当地增加了部分内容，如在岩体的地质特征章节，补充安排了工程岩体分类等内容；在岩体强度与变形性质方面，增加了地下工程岩体分级标准及体系的相关介绍；在内容编排上突出地下建筑方向的专业特点及需求。
3.教学学时安排。本课程的课时安排在第三学年的第五学期，总学时为40个学时，2.5个学分，其中课堂教学34个学时，实验课6个学时。本门课程是在系统学习完理论力学、材料力学等力学基础课后进行开设的。
二、课程教学方法改革
1.围绕专业工程实例展开授课。《岩体力学》课本身就是实践性特别强的一门课，在进行每一章节的授课时，可以多以工程实例来展开，尤其是国内外比较知名的工程实例，多多采用照片、录像等生动形象的方式，来增加学生的感性认识，使学生投入其中，增强学生学习的兴趣及热情。例如，在讲第五章地应力的时候，可以结合水利水电工程中，如锦屏电站的高地应力问题来说明地应力研究的重要性；在讲边坡工程，可以选用大量边坡地质灾害的图片。由问题入手，来追根溯源找到解决问题的源头。
2.结合专业方向特色来授课。岩体力学作为土木工程、地质工程、采矿工程等诸多工程的主干专业课，面对的专业层次不尽相同，在授课的时候尽量能结合专业背景展开。针对地下建筑工程方向的学生，要从学生的专业方向特色及专业需求来阐述。作为土木工程地下建筑方向的本科生，《岩体力学》这门学科的发展都与地下工程的发展是密不可分的。从本质来讲，纵观岩体力学发展的几个重要阶段，从19世纪末～20世纪初的初始阶段诞生的静水压力理论、侧压系数，到20世纪初～20世纪30年代的经验理论阶段出现的普氏理论、太沙基理论，然后在20世纪30年代～20世纪60年代产生的围岩和支护共同作用理论及地质结构理论，这些重大理论及思想的诞生过程就是对地下工程认识实践不断深入的过程，并促进了岩体力学学科向前发展。在授课时，可以将这一发展脉络讲述给学生，并贯穿到后续的课程教学中，不仅大大地培养了学生对自己专业的自豪感，也加深了对自己专业的认识。
3.结合教师科研工作来授课。讲授这门课的老师，不仅有科研经历丰富的教授博导，也有刚走出校园的博士年轻教师，他们在长期的工作和求学中，完成和参与了大量的科研项目，也取得了一定科研沉淀。在授课时，可以将这些科研成果进行整理，在每章结束时，抽出专门的时间，做个与授课内容相关的小型专题讲座，丰富学生的专业眼界的同时，也可将岩体力学最新的研究方法、手段和技术介绍给学生。例如，在讲地应力一章，就曾经将参与过的地应力测试及地应力反演分析的课题成果向学生进行介绍；讲地下洞室稳定性时，就将参与的软岩隧道科研项目成果进行介绍；上课时的反响很热烈，大大激发了学生科研的热情，建立了专业教师和学生之间一座良好的沟通桥梁。尤其是对那些希望继续攻读研究生的学生，也为他们开启了一扇科研的窗户；此外，也让学生了解授课老师及其团队的专业方向及特长，为后续研究生报考提供了便利条件。
4.结合学生实践课来展开。我校《岩体力学》课程是安排在大三上学期，上这门课的学生仅仅经历的与此相关的实践环节就是大二结束时的地质学专业教学实习。虽然是地质实习，但也是与这门课的研究对象——各类岩体在打交道，例如各种岩石、结构面。在上课时，不妨将课程中提到的各种岩块、结构面等内容与实习中能看到的种类联系起来，使学生的认识更为深刻。例如，在谈岩块、结构面和岩体的地质特征时，便可列举实习线路中各类成因、不同类型、不同特征的结构面及岩石；在讲结构面的强度及变形性质时，可以将实习中遇到的各种断层、软弱结构面等现象作为实例来分析其性质上的差异。这些实例学生在实习中都亲自参与过，已经有了部分感性上的认识，重新回到课堂上学习其相关的知识，认识和教学效果也会更好。
《岩体力学》课程内容丰富，更要求我们在教学时进行一定的教学改革，要结合所教学生专业方向的特点以及未来需求，多采用先进的教学手段和方法，注重加强理论基础联系工程实际的教学模式，提高学生认识问题深度和广度，培养学生良好的工程专业素养和专业精神，为学生后续的发展奠定良好的基础。
摘 要：为更好的服务生产，保证12081工作面回采顺利，并探索一套能够指导类似工作面的技术，我们在12081工作面进行工业性试验，对煤岩体力学特性与电镜进行分析并对底板特性进行测试。
关键词：煤岩体 力学特性 电镜分析 底板特性 测试
为更好的服务生产，保证12081工作面回采顺利，并探索一套能够指导类似工作面的技术，我们在12081工作面进行工业性试验，对煤岩体力学特性与电镜进行分析并对底板特性进行测试。
1 12081工作面煤体特性和电镜分析
12081工作面所采煤层为山西组二1 煤，煤种贫煤，煤质以低灰、发热量特高热值、特低硫、特低氯、低磷为主要特征，为一级含砷煤。煤灰属较高软化和较高流动温度灰。二1煤中无烟煤和贫煤可做为动力用煤和民用燃料。开采煤层煤质特征见表1。12081工作面煤体电镜分析见图1。
二1煤煤类有无烟煤和贫煤，以粉状为主，粒状、鳞片状次之，块状少许，易磨碎。二1煤为黑色-灰黑色，黑-灰黑色条痕，以粒状为主，次为块状，粉状，可见鳞片状。
块煤为金刚—— 玻璃光泽，贝壳状、参差状断口，内生裂隙发育，可见镜煤条带，莫氏硬度2～3度。粉、粒状煤污手、质软，煤芯疏松易碎。二1煤层相对真密度为1.49t/m3，相对视密度为1.45t/m3。
与底板特性测试的结果相吻合。说明煤体软而且酥，极易风化。工作面可见底板煤层浸水后，踩上去似泥窝一样把矿工靴陷进去。
2 12081工作面顶板和底板岩体力学性能与电镜分析
二1煤直接顶板多为砂质泥岩和泥岩，砂质泥岩为深灰色薄层及中厚层状，裂隙不发育。泥岩多为深灰色块状。也有砂岩为灰白色，一般致密坚硬，裂隙不发育。有伪顶，岩性为泥岩及炭质泥岩，厚度0.43～0.95m。
从电镜图可见，岩体破坏的界面与煤层截然不同，煤层的界面就像小米粒一样处于松散的状态；顶板岩体的界面就像坚硬的实木裂口一样，处于相互嵌合的状态。
综上所述，12081工作面即二1煤层直接顶板，为砂质泥岩和泥岩，岩石抗压强度较高，属易管理顶板。12081工作面即二1煤层底板，为泥岩和砂质泥岩为不易变形中硬度底板，亦易管理。
3 底板比压特性曲线图谱显示
12081工作面底板比压测点分布，如图3所示，在工作面每测区距煤壁1～4m之间建测点，共建16个测点。按照上述计算方法计算每个测点的对应数值，并绘出底板比压特性曲线图谱。
图3中编号：左起第一为数字是指，按照距离槽头的距离排序的序号；第二位数字是指，1代表用采用BPN型内注式静压比压仪测定底板实体煤层的比压，2采用DZD40-A底板比压仪测定底板表层煤层的比压。最后一位数字是与井下记录的联系，没有具体含义。空心曲线代表底板比压。当底板比压仪的底模尺寸大于的油缸内径时，因为折算后的值小，如空心曲线所示。
4 结论
为全面掌握12081工作面支柱与底板的相互作用现状，必须测量和研究12081工作面底板的煤层或岩层抗压入特性，确定容许的底板比压值，以选定单体支柱的底座面积与合理支护密度，增强支护系统的刚度。对指导和加强回采工作面底板管理工作，搞好安全生产有重要意义。
