垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗教學探索

惠 存，邊亞東

垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗教學探索

惠 存1,2，邊亞東1,2

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

基于現代信息技術，開發(fā)了垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，解決了實際實驗中產生刺激性有害氣體、實驗時間長、設備臺套數較少的問題。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間的變化關系，為垃圾填埋場工程、建筑垃圾回填基礎的沉降規(guī)律的研究提供參考。本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)可以縮短實驗時間，使學生在短時間內掌握垃圾土室內沉降實驗的原理和操作 過程。

垃圾土；室內沉降；虛擬仿真實驗；教育信息化

“土力學”是土木工程專業(yè)的核心課程，垃圾土室內沉降實驗是“土力學”實驗課程中一項重要的綜合性實驗項目[1-5]。該實驗用時過長，而實驗教學課時較少，不足以支持完成該項室內實驗。實驗過程中，學生裝樣/卸樣會接觸到垃圾土中的有害物質，而且實驗過程中垃圾土降解產生的刺激性氣體有害身體健康。因此，有必要利用現代化信息技術，采用虛擬仿真的方法，研發(fā)垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗系統(tǒng)[6-7]。虛擬仿真實驗教學可以解決實際實驗過程中無法在規(guī)定課時內完成的實驗，同時使更多的學生在安全、無污染的環(huán)境中學習垃圾土的沉降規(guī)律[8-12]。

垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗是通過模擬淋溶、外部壓力、溫度變化不同工況，研究垃圾土沉降速度隨時間變化的關系，得到垃圾土在不同工況下的沉降結果，為垃圾填埋場工程、建筑垃圾回填基礎的沉降規(guī)律研究提供參考。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)可縮短學生完成垃圾土室內沉降實驗過程，為順利完成土力學、基礎工程和畢業(yè)設計等課程打下堅實基礎。

1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設意義和優(yōu)勢

1.1 建設意義

在現代工程建設中，將不可避免地產生垃圾土。垃圾土是城市生活垃圾和工程棄渣等組成的雜填土，此類土成分復雜、結構不穩(wěn)定，具有很高的壓縮性，在生命周期內沉降較大，且在填埋場施工完成后，沉降還將持續(xù)若干年。為了研究這一工程的實際問題，需要在實驗室內進行沉降測試，確定垃圾土的沉降特性。由于室內垃圾土沉降實驗時間長達數月，且在實驗過程中，垃圾土降解將產生刺激性氣味，影響室內環(huán)境和學生身心健康。

垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗系統(tǒng)依托河南省力學與工程結構綜合實驗中心、河南省力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心、河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災害控制工程研究中心、鄭州市巖土與地下工程重點實驗室，依據國家級虛擬仿真教學的要求，進行了實驗內容的開發(fā)。通過該虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設，解決實驗教學過程中出現的一些問題，如設備臺套數少、無法同時進行多組實驗、實驗時間持續(xù)過長、實驗過程中產生危害氣體等，使學生可以不受時間和場地限制完成實驗，而且保證了學生的身心健康。

我校力學與工程結構綜合實驗中心擁有2臺垃圾土室內沉降測試設備（見圖1）。結合該虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，采用虛實結合的實驗教學方法，構建虛擬仿真實驗平臺，使學生短時間內熟悉儀器的操作過程，為學生提供隨時隨地進行虛擬仿真實驗的條件。學生在虛擬環(huán)境中進行實驗，彌補在實際實驗中的不足，提高實驗效果和理論水平；通過實際實驗可以進行對比驗證，觀察垃圾土土樣自身化學降解過程，獲得其沉降量隨時間變化的規(guī)律，促進學生對垃圾土沉降相關知識的理解。

圖1 垃圾土室內沉降測試設備

1.2 優(yōu)勢

垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)綜合應用數學建模、過程控制、網絡通信等技術，采用虛實結合的手段，能有效減少垃圾土實際室內沉降實驗的時間。學生通過該系統(tǒng)，能夠利用先進的感知技術獲取數據，利用實驗數據說明工程實際問題，通過關聯性耦合多因素、大尺度實驗數據分析獲取實驗結果。每位學生都能夠親自完成此項實驗，貼近工程實際應用，有助于解決有關垃圾土沉降工程實踐問題。

此外，通過虛擬仿真實驗，學生可以較快熟悉實驗設備的使用和實驗結果的分析，對傳統(tǒng)教學是很好的補充，可以避免在實驗過程中不可預料的危害。

目前，我院已經將虛擬仿真實驗教學納入土木工程專業(yè)和城市地下空間工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學大綱中?；谝延械奶摂M仿真教學管理平臺，可有效、便捷地完成該實驗教學工作。在此過程中，可以不斷收集學生和教師的反饋信息，為后續(xù)評價體系的修改和完善提供依據。

2 實驗系統(tǒng)組成和實驗原理

2.1 實驗系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由垃圾土裝載容器、無線淋溶系統(tǒng)、無線壓載系統(tǒng)、無線溫控系統(tǒng)、無線氣體流量系統(tǒng)和遠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，由保溫板、隔離板、密封圈、內筒、外接排氣管、滲濾液收集器和液晶屏幕等部件 組成。

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

（3）無線壓載系統(tǒng)用于模擬外部壓力因素對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線數據傳輸模塊組成。

（4）無線溫控系統(tǒng)用于模擬外部溫度因素對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、可控式電熱管和無線數據傳輸模塊組成。

（5）無線氣體流量系統(tǒng)通過測量垃圾降解中產生的氣體量，評估降解對垃圾土土樣沉降的影響，由儲氣腔、汽水分離室、流量表、截止閥、軸流扇和無線數據傳輸模塊組成。

（6）遠程控制終端軟件是控制垃圾土沉降測試流程的專用軟件，安裝在筆記本電腦上，輔助測試人員編制測試流程，自動通過無線數據傳輸模塊操控淋溶系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)，自動完成垃圾土土樣的淋溶、壓力、溫度荷載加載過程，自動采集存儲荷載量、氣體流量和沉降響應量，自動在軟件界面上實時顯示當前測試曲線，并自動生成最終測試報告。

圖2 垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗設備組成

2.2 實驗原理

垃圾土的孔隙率較大而且非均質，其沉降機理遠較天然土體復雜。垃圾土在填埋過程中和填埋完成后的相當長一段時間內，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，不僅會出現土體顆粒重新排列的物理壓縮現象，還會出現內部物理、化學性質變化和有機物的生化分解，使垃圾土固相體積縮減，產生沉降。

本實驗采用無線淋溶系統(tǒng)模擬降雨和滲濾液回灌對垃圾土沉降的影響；采用無線溫控系統(tǒng)模擬環(huán)境溫度變化對垃圾土土樣沉降的影響；采用無線壓載系統(tǒng)模擬外部壓力對垃圾土土樣沉降的影響。通過實時測定垃圾土在淋溶、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 虛擬仿真實驗過程

3.1 前期準備

學生在完成理論課學習之后，可在開放的虛擬仿真平臺預約該實驗。預約成功后，可在平臺上進行理論課所學知識點的復習，完成教師設置的考核題目?？己送ㄟ^后，實驗教師帶領學生熟悉實驗室內部環(huán)境，熟悉實驗設備，實現虛擬仿真系統(tǒng)和實際實驗設備認知的結合。學生進入虛擬仿真平臺，需先了解實驗目的、實驗所需材料、實驗步驟等，然后再進行實驗。

通過前期準備，可以節(jié)約實驗時間、減少室內環(huán)境污染和使學生免受傷害；可以使學生在短時間內掌握垃圾土沉降測試的整個實驗過程，彌補實際實驗的不足。

3.2 實施流程

（1）進入實驗室，移動到實驗設備右側，檢查進水管、排水管、進氣管連接是否正常（見圖3）；鼠標點擊控制臺開關和設備總電源，控制臺綠燈亮起，屏幕顯示操作界面（屏幕通過UI顯示）。

圖3 設備檢查

（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驗設備端口。將垃圾土均分為5份，每次點擊添加一份，并在合適的位置放入傳感器（見圖4）。壓緊垃圾土，點擊遙控器，將壓載板和傳感器與設備連接，放入加載容器內，壓載板自動放入設備中并與設備內垃圾土的高度一致（見圖5）。蓋上儀器的亞克力罩，并與出水管連接，設置仿真實驗的主要環(huán)境參數（見圖6、圖7、圖8）。將實驗設備的無線信號接收器接入數據觀測電腦，采集裝置與實驗裝置連接；設置好控制系統(tǒng)所需要的參數，以備接收數據。

（3）點擊遙控器中的降雨按鈕，模擬室外降雨環(huán)境，按照實驗方案和要求進行長時間模擬外界環(huán)境并完成實驗；待實驗結束后關閉啟動按鈕，關閉主電源，結束實驗；對設備進行清理、維護，以便下次使用。

學生完成虛擬仿真實驗的整個操作過程，然后提交實驗報告。任課教師可查看學生實驗操作的過程及結果，并給出實驗成績。

圖4 裝載試樣

圖5 安裝加載板

圖6 當前環(huán)境參數

圖7 設置目標加載參數

圖8 實現加載

4 實驗效果評價

實驗過程中，系統(tǒng)自動記錄學生每步實驗操作的結果。除了完成正常的實驗步驟記錄與實驗報告的生成，學生還需要根據實驗操作過程和實驗數據進行多因素數據關聯性分析評價。虛擬仿真系統(tǒng)通過對以下3方面進行評價，并自動給出成績：

（1）對虛擬仿真實驗系統(tǒng)是否能熟練操作；

（2）是否能夠熟練掌握垃圾土沉降測試的操作過程，并完成實驗報告；

（3）成績評定分為：理論課程的復習（10%）+實驗課程預習（10%）+虛擬仿真實驗操作（50%）+實驗報告（30%）。

5 結語

垃圾土室內沉降實驗是一項綜合性實驗，有助于考查學生對土力學的全面掌握情況。本文開發(fā)的垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗系統(tǒng)，有效避免了實驗過程中因垃圾土降解產生刺激性有害氣體、實驗時間長、設備臺套數較少的問題。在不受時間和場地限制的情況下，學生可以很好地掌握垃圾土室內沉降實驗的原理和操作過程，獲得垃圾土室內沉降量隨時間變化規(guī)律，有效促進學生對垃圾土沉降相關知識的理解，為順利完成土力學、基礎工程和畢業(yè)設計等課程打下堅實基礎。

基于教育信息化的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是我校開發(fā)的實驗共享平臺，該平臺豐富了土木工程專業(yè)和城市地下空間工程專業(yè)的多層次實驗教學模式，拓寬了學生的知識面，提升了學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，是教育信息化進程中的積極探索。

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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驗教學項目；河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（2017SJGLX364）；2019年度中原工學院研究生教育教學改革研究項目；2019年度中原工學院教學改革研究與實踐項目

惠存（1987—），男，河南南陽，博士，副教授，從事纖維增強水泥基復合材料和結構的研究。E-mail: hcun@zut.edu.cn