惠 存，邊亞?wèn)|

垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

惠 存1,2，邊亞?wèn)|1,2

（1. 中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2. 河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心，河南 鄭州 450007）

基于現(xiàn)代信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)了垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生刺激性有害氣體、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少的問(wèn)題。該系統(tǒng)可以在模擬淋溶、外部壓力、溫度變化3種工況下獲得垃圾土沉降速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，為垃圾填埋場(chǎng)工程、建筑垃圾回填基礎(chǔ)的沉降規(guī)律的研究提供參考。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握垃圾土室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)的原理和操作 過(guò)程。

垃圾土；室內(nèi)沉降；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教育信息化

“土力學(xué)”是土木工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，垃圾土室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)是“土力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程中一項(xiàng)重要的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1-5]。該實(shí)驗(yàn)用時(shí)過(guò)長(zhǎng)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)較少，不足以支持完成該項(xiàng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生裝樣/卸樣會(huì)接觸到垃圾土中的有害物質(zhì)，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中垃圾土降解產(chǎn)生的刺激性氣體有害身體健康。因此，有必要利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，采用虛擬仿真的方法，研發(fā)垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[6-7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法在規(guī)定課時(shí)內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使更多的學(xué)生在安全、無(wú)污染的環(huán)境中學(xué)習(xí)垃圾土的沉降規(guī)律[8-12]。

垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)模擬淋溶、外部壓力、溫度變化不同工況，研究垃圾土沉降速度隨時(shí)間變化的關(guān)系，得到垃圾土在不同工況下的沉降結(jié)果，為垃圾填埋場(chǎng)工程、建筑垃圾回填基礎(chǔ)的沉降規(guī)律研究提供參考。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可縮短學(xué)生完成垃圾土室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為順利完成土力學(xué)、基礎(chǔ)工程和畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)意義和優(yōu)勢(shì)

1.1 建設(shè)意義

在現(xiàn)代工程建設(shè)中，將不可避免地產(chǎn)生垃圾土。垃圾土是城市生活垃圾和工程棄渣等組成的雜填土，此類(lèi)土成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，具有很高的壓縮性，在生命周期內(nèi)沉降較大，且在填埋場(chǎng)施工完成后，沉降還將持續(xù)若干年。為了研究這一工程的實(shí)際問(wèn)題，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行沉降測(cè)試，確定垃圾土的沉降特性。由于室內(nèi)垃圾土沉降實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，垃圾土降解將產(chǎn)生刺激性氣味，影響室內(nèi)環(huán)境和學(xué)生身心健康。

垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依托河南省力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)中心、河南省力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心、鄭州市巖土與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，依據(jù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)的要求，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)。通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，如設(shè)備臺(tái)套數(shù)少、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)過(guò)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生危害氣體等，使學(xué)生可以不受時(shí)間和場(chǎng)地限制完成實(shí)驗(yàn)，而且保證了學(xué)生的身心健康。

我校力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)中心擁有2臺(tái)垃圾土室內(nèi)沉降測(cè)試設(shè)備（見(jiàn)圖1）。結(jié)合該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生短時(shí)間內(nèi)熟悉儀器的操作過(guò)程，為學(xué)生提供隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的條件。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的不足，提高實(shí)驗(yàn)效果和理論水平；通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，觀察垃圾土土樣自身化學(xué)降解過(guò)程，獲得其沉降量隨時(shí)間變化的規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生對(duì)垃圾土沉降相關(guān)知識(shí)的理解。

圖1 垃圾土室內(nèi)沉降測(cè)試設(shè)備

1.2 優(yōu)勢(shì)

垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)建模、過(guò)程控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，采用虛實(shí)結(jié)合的手段，能有效減少垃圾土實(shí)際室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)，能夠利用先進(jìn)的感知技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明工程實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)關(guān)聯(lián)性耦合多因素、大尺度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每位學(xué)生都能夠親自完成此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，貼近工程實(shí)際應(yīng)用，有助于解決有關(guān)垃圾土沉降工程實(shí)踐問(wèn)題。

此外，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以較快熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)是很好的補(bǔ)充，可以避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可預(yù)料的危害。

目前，我院已經(jīng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入土木工程專(zhuān)業(yè)和城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱中?；谝延械奶摂M仿真教學(xué)管理平臺(tái)，可有效、便捷地完成該實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。在此過(guò)程中，可以不斷收集學(xué)生和教師的反饋信息，為后續(xù)評(píng)價(jià)體系的修改和完善提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和實(shí)驗(yàn)原理

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由垃圾土裝載容器、無(wú)線淋溶系統(tǒng)、無(wú)線壓載系統(tǒng)、無(wú)線溫控系統(tǒng)、無(wú)線氣體流量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制終端軟件等組成，如圖2所示。

（1）垃圾土裝載容器用于放置垃圾土加載土樣，箱體為不銹鋼材質(zhì)，由保溫板、隔離板、密封圈、內(nèi)筒、外接排氣管、滲濾液收集器和液晶屏幕等部件 組成。

（2）無(wú)線淋溶系統(tǒng)用于模擬外部降雨、滲濾液回灌等因素對(duì)垃圾土土樣沉降的影響，由儲(chǔ)水器、流量傳感器、可控式淋溶器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

（3）無(wú)線壓載系統(tǒng)用于模擬外部壓力因素對(duì)垃圾土土樣沉降的影響，由壓力傳感器、沉降傳感器、承壓板、可控式加載裝置和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

（4）無(wú)線溫控系統(tǒng)用于模擬外部溫度因素對(duì)垃圾土土樣沉降的影響，由土樣層溫度傳感器、溫控層溫度傳感器、可控式電熱管和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

（5）無(wú)線氣體流量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量垃圾降解中產(chǎn)生的氣體量，評(píng)估降解對(duì)垃圾土土樣沉降的影響，由儲(chǔ)氣腔、汽水分離室、流量表、截止閥、軸流扇和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

（6）遠(yuǎn)程控制終端軟件是控制垃圾土沉降測(cè)試流程的專(zhuān)用軟件，安裝在筆記本電腦上，輔助測(cè)試人員編制測(cè)試流程，自動(dòng)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊操控淋溶系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)，自動(dòng)完成垃圾土土樣的淋溶、壓力、溫度荷載加載過(guò)程，自動(dòng)采集存儲(chǔ)荷載量、氣體流量和沉降響應(yīng)量，自動(dòng)在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)試曲線，并自動(dòng)生成最終測(cè)試報(bào)告。

圖2 垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

垃圾土的孔隙率較大而且非均質(zhì)，其沉降機(jī)理遠(yuǎn)較天然土體復(fù)雜。垃圾土在填埋過(guò)程中和填埋完成后的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在降雨、滲濾液回灌、環(huán)境溫度變化和外部壓力等耦合因素作用下，不僅會(huì)出現(xiàn)土體顆粒重新排列的物理壓縮現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部物理、化學(xué)性質(zhì)變化和有機(jī)物的生化分解，使垃圾土固相體積縮減，產(chǎn)生沉降。

本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)線淋溶系統(tǒng)模擬降雨和滲濾液回灌對(duì)垃圾土沉降的影響；采用無(wú)線溫控系統(tǒng)模擬環(huán)境溫度變化對(duì)垃圾土土樣沉降的影響；采用無(wú)線壓載系統(tǒng)模擬外部壓力對(duì)垃圾土土樣沉降的影響。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)定垃圾土在淋溶、環(huán)境溫度變化和外部壓力作用下的沉降量與時(shí)間的變化曲線，即可獲取垃圾土在不同工況下的沉降規(guī)律。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 前期準(zhǔn)備

學(xué)生在完成理論課學(xué)習(xí)之后，可在開(kāi)放的虛擬仿真平臺(tái)預(yù)約該實(shí)驗(yàn)。預(yù)約成功后，可在平臺(tái)上進(jìn)行理論課所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)，完成教師設(shè)置的考核題目?？己送ㄟ^(guò)后，實(shí)驗(yàn)教師帶領(lǐng)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)知的結(jié)合。學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真平臺(tái)，需先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)所需材料、實(shí)驗(yàn)步驟等，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)前期準(zhǔn)備，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、減少室內(nèi)環(huán)境污染和使學(xué)生免受傷害；可以使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握垃圾土沉降測(cè)試的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的不足。

3.2 實(shí)施流程

（1）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)設(shè)備右側(cè)，檢查進(jìn)水管、排水管、進(jìn)氣管連接是否正常（見(jiàn)圖3）；鼠標(biāo)點(diǎn)擊控制臺(tái)開(kāi)關(guān)和設(shè)備總電源，控制臺(tái)綠燈亮起，屏幕顯示操作界面（屏幕通過(guò)UI顯示）。

圖3 設(shè)備檢查

（2）拉出鋼絲繩（盡量拉緊），將鋼絲繩的一端連接到壓載板上，將其另一端連接到實(shí)驗(yàn)設(shè)備端口。將垃圾土均分為5份，每次點(diǎn)擊添加一份，并在合適的位置放入傳感器（見(jiàn)圖4）。壓緊垃圾土，點(diǎn)擊遙控器，將壓載板和傳感器與設(shè)備連接，放入加載容器內(nèi)，壓載板自動(dòng)放入設(shè)備中并與設(shè)備內(nèi)垃圾土的高度一致（見(jiàn)圖5）。蓋上儀器的亞克力罩，并與出水管連接，設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)的主要環(huán)境參數(shù)（見(jiàn)圖6、圖7、圖8）。將實(shí)驗(yàn)設(shè)備的無(wú)線信號(hào)接收器接入數(shù)據(jù)觀測(cè)電腦，采集裝置與實(shí)驗(yàn)裝置連接；設(shè)置好控制系統(tǒng)所需要的參數(shù)，以備接收數(shù)據(jù)。

（3）點(diǎn)擊遙控器中的降雨按鈕，模擬室外降雨環(huán)境，按照實(shí)驗(yàn)方案和要求進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間模擬外界環(huán)境并完成實(shí)驗(yàn)；待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉啟動(dòng)按鈕，關(guān)閉主電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；對(duì)設(shè)備進(jìn)行清理、維護(hù)，以便下次使用。

學(xué)生完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的整個(gè)操作過(guò)程，然后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。任課教師可查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程及結(jié)果，并給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

圖4 裝載試樣

圖5 安裝加載板

圖6 當(dāng)前環(huán)境參數(shù)

圖7 設(shè)置目標(biāo)加載參數(shù)

圖8 實(shí)現(xiàn)加載

4 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄學(xué)生每步實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)果。除了完成正常的實(shí)驗(yàn)步驟記錄與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成，學(xué)生還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素?cái)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析評(píng)價(jià)。虛擬仿真系統(tǒng)通過(guò)對(duì)以下3方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，并自動(dòng)給出成績(jī)：

（1）對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是否能熟練操作；

（2）是否能夠熟練掌握垃圾土沉降測(cè)試的操作過(guò)程，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；

（3）成績(jī)?cè)u(píng)定分為：理論課程的復(fù)習(xí)（10%）+實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)（10%）+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作（50%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）。

5 結(jié)語(yǔ)

垃圾土室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)綜合性實(shí)驗(yàn)，有助于考查學(xué)生對(duì)土力學(xué)的全面掌握情況。本文開(kāi)發(fā)的垃圾土室內(nèi)沉降虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有效避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因垃圾土降解產(chǎn)生刺激性有害氣體、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少的問(wèn)題。在不受時(shí)間和場(chǎng)地限制的情況下，學(xué)生可以很好地掌握垃圾土室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)的原理和操作過(guò)程，獲得垃圾土室內(nèi)沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)垃圾土沉降相關(guān)知識(shí)的理解，為順利完成土力學(xué)、基礎(chǔ)工程和畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基于教育信息化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是我校開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)，該平臺(tái)豐富了土木工程專(zhuān)業(yè)和城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，是教育信息化進(jìn)程中的積極探索。

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Exploration on virtual simulation experiment teaching for indoor garbage soil settlement

HUI Cun1,2, BIAN Yadong1,2

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China; 2. Research Center of Environmental Geotechnical Engineering and Underground Engineering Disaster Control Engineering of Henan Province, Zhengzhou 450007, China)

Based on modern information technology, a virtual simulation experimental teaching system for indoor garbage soil settlement is developed, which solves the problems of stimulating harmful gases, long-time consuming and fewer sets of equipment in practical experiments. This system can simulate leaching, external pressure and temperature changes to obtain the relationship between the settling velocity of garbage and time, and provide a reference for the study of the settling laws of garbage landfill engineering and construction waste backfill foundation. This virtual simulation experiment teaching system can shorten the experiment time and enable students to master the principle and operation process of indoor landfill settlement experiment in a short time.

garbage soil; indoor settlement; virtual simulation experiment; educational informationization

G642

A

1002-4956(2019)10-0135-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.032

2019-04-09

2019-06-05

2018年度河南省示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目；河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2017SJGLX364）；2019年度中原工學(xué)院研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目；2019年度中原工學(xué)院教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目

惠存（1987—），男，河南南陽(yáng)，博士，副教授，從事纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的研究。E-mail: hcun@zut.edu.cn