土的力學(xué)性質(zhì)環(huán)境效應(yīng)虛擬仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

邊亞東,尹 松,李新明,陳雨婷,王 凱

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院;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)

土力學(xué)是土木工程及其相關(guān)專業(yè)核心課程,在現(xiàn)代工程建設(shè)事業(yè)中占有重要的地位。土工測試作為土力學(xué)課程教學(xué)中的重要實踐環(huán)節(jié),不僅可鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識,加深其對土體工程性狀的理解,而且是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)實驗方法和培養(yǎng)實驗技能的重要實踐途徑。

炎熱多雨和酷暑嚴(yán)寒等劇烈環(huán)境作用會使土的力學(xué)性能極速衰減,工程設(shè)計及施工中如采用的參數(shù)不當(dāng),極易引發(fā)工程事故。土工實驗教學(xué)中,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識環(huán)境氣候?qū)τ谕馏w力學(xué)性能的影響,結(jié)合區(qū)域環(huán)境氣候條件對各類土的力學(xué)性能衰變規(guī)律進(jìn)行試驗研究。而我國疆土面積廣闊,土類分布復(fù)雜,且跨區(qū)域取樣成本高昂,難以實現(xiàn)各類土樣的采集與環(huán)境模擬實驗。此外,土樣的環(huán)境作用模擬(干濕或凍融循環(huán))周期長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年,學(xué)生難以在有限的實驗課時內(nèi)全面了解復(fù)雜環(huán)境作用對不同類別土體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。加之經(jīng)歷環(huán)境作用的土樣極易擾動,力學(xué)性能測試時存在試樣安裝困難、試樣酥化、實驗結(jié)果離散性大等問題。缺乏實操經(jīng)驗的操作者甚至?xí)霈F(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致試驗失敗。

為了使學(xué)生能夠在有限的實驗課時內(nèi),深入了解復(fù)雜環(huán)境作用對土體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,還原真實實驗的教學(xué)要求、實驗原理、操作環(huán)境及互動感受,針對現(xiàn)實條件下難實現(xiàn)、成本高昂、受時空限制的試驗內(nèi)容,堅持科研促教育的原則,基于國內(nèi)外前沿文獻(xiàn)數(shù)據(jù)建立成果數(shù)據(jù)庫,試驗結(jié)果能夠體現(xiàn)環(huán)境變化對于試驗結(jié)果的差異,以中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院河南省力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學(xué)中心為依托,堅持“能實不虛,虛實結(jié)合”的基本原則,深度融合虛擬仿真與實際教學(xué)方法的特征優(yōu)勢,開發(fā)和構(gòu)建了復(fù)雜環(huán)境下土的力學(xué)性質(zhì)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

一、虛擬仿真實驗設(shè)計

(一)實驗原理

土由“固、液、氣”三相體系構(gòu)成,在經(jīng)歷環(huán)境作用后,三相體系比例發(fā)生復(fù)雜轉(zhuǎn)變,微觀結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,宏觀表現(xiàn)為土的強(qiáng)度及變形特征改變,且表現(xiàn)形式因土類差異區(qū)別明顯。

通過固結(jié)壓縮、直接剪切及三軸剪切試驗方法對不同干濕及凍融循環(huán)次數(shù)的土樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,可獲得土的強(qiáng)度及變形參數(shù)變化規(guī)律。其中,固結(jié)試驗和直剪試驗儀器原型為土工試驗標(biāo)準(zhǔn)儀器,虛擬試驗操作不受儀器廠家及型號限制;三軸試驗儀器原型為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TSZ系列全自動三軸儀。虛擬試驗儀器與原型儀器均可完成土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019)試驗過程。實驗原理如圖1所示。

圖1 實驗原理

(二)虛擬實驗系統(tǒng)的組成

實驗系統(tǒng)由7部分構(gòu)成,第1部分為虛擬土樣切削和制備系統(tǒng);第2部分為土樣干濕循環(huán)或凍融循環(huán)虛擬實驗裝置;第3部分為數(shù)據(jù)存儲與分析系統(tǒng);第4部分為土的一維固結(jié)壓縮虛擬仿真實驗系統(tǒng);第5部分為土的直接剪切虛擬仿真試實驗系統(tǒng);第6部分為土的三軸剪切虛擬仿真實驗系統(tǒng);第7部分為后臺成績評定系統(tǒng)。其中,虛擬土樣切削和制備系統(tǒng)可根據(jù)所考察土體的力學(xué)性能制備實驗所需土樣,由干濕或凍融循環(huán)虛擬實驗系統(tǒng)對土樣進(jìn)行環(huán)境作用模擬,土樣經(jīng)過不同程度的環(huán)境作用后,進(jìn)行力學(xué)性能試驗。主要儀器設(shè)備如圖2所示。

圖2 主要儀器設(shè)備

(三)實驗設(shè)計

虛擬試驗過程中根據(jù)選擇的土體類別及力學(xué)測試方法,在虛擬土樣制備系統(tǒng)中切削或制備土樣。通過在虛擬環(huán)境模擬系統(tǒng)中設(shè)定增濕含水率、脫濕含水率、烘干溫度、冰凍溫度及融化溫度等實驗條件,實現(xiàn)不同程度的干濕及凍融循環(huán)作用。按土工試驗測試規(guī)程中的操作方法,在虛擬實驗系統(tǒng)中開展土的飽和、固結(jié)及剪切等試驗。為了得到不同程度環(huán)境作用下不同類別土的力學(xué)性能演變規(guī)律,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,將已有干濕或凍融循環(huán)作用下不同類別土的力學(xué)性能特征參數(shù)輸入虛擬仿真平臺數(shù)據(jù)庫,并做到及時更新維護(hù),根據(jù)實驗者所選擇的實驗方法和環(huán)境作用參數(shù),輸出相應(yīng)試驗結(jié)果。學(xué)生根據(jù)試驗結(jié)果,按照土力學(xué)相關(guān)理論方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成實驗報告并上傳系統(tǒng)。指導(dǎo)教師和實驗室管理教師可在后臺登陸系統(tǒng),查看學(xué)生實驗報告,給予成績評定。設(shè)計路線如圖3所示。

圖3 設(shè)計路線圖

虛擬仿真實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)土樣切削、制備及經(jīng)歷干濕/凍融循環(huán)過程的全過程模擬,學(xué)生可直觀體驗三軸、固結(jié)及直剪試驗過程。虛擬實驗與實體實驗步驟基本相同,實驗環(huán)境相似,操作感受逼真。學(xué)生在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中熟練掌握相關(guān)實驗方法、操作步驟及數(shù)據(jù)處理與分析方法后,可返回實體實驗室進(jìn)行相關(guān)復(fù)雜環(huán)境下土的力學(xué)性質(zhì)試驗,通過虛實結(jié)合的方式了解環(huán)境作用對土體力學(xué)性狀的影響,提高學(xué)習(xí)及科研效率。

二、虛擬仿真實驗過程

(一)準(zhǔn)備工作

教師帶領(lǐng)學(xué)生在實體土工實驗室中熟悉巖土力學(xué)實驗室環(huán)境,講解實驗背景及內(nèi)容,知曉相關(guān)儀器設(shè)備放置位置。學(xué)生熟悉各部分實體實驗系統(tǒng)的使用功能和特性,了解實驗儀器的工作原理及測定參數(shù),掌握各實驗系統(tǒng)實驗?zāi)康暮筒僮鞣椒ā?/p>

(二)試驗過程

學(xué)生完成前期準(zhǔn)備工作后,可進(jìn)入虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性能實驗,試驗過程主要分為復(fù)雜環(huán)境模擬和力學(xué)性能試驗兩部分。

1.復(fù)雜環(huán)境作用模擬

(1)在虛擬試樣切削/制備系統(tǒng)中,通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇需要進(jìn)行的力學(xué)試驗類別,包括固結(jié)、直剪和三軸剪切試驗,選擇適當(dāng)?shù)那邢鞴ぞ呒霸嚇映叽?完成土樣的切削或制備,如圖4所示。(2)通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊啟動環(huán)境模擬系統(tǒng),在系統(tǒng)中輸入主要環(huán)境影響因素(干濕循環(huán)或者凍融循環(huán)),根據(jù)系統(tǒng)提示,設(shè)定干濕或凍融循環(huán)溫度、濕度、持續(xù)時間及循環(huán)次數(shù)。(3)輸入土的基本物理性質(zhì)指標(biāo),如含水率、干密度、土樣類別。系統(tǒng)開始對試樣進(jìn)行干濕或凍融循環(huán)作用,觀察環(huán)境模擬系統(tǒng)中的參數(shù)顯示窗,環(huán)境模擬作用完成后系統(tǒng)自動停止工作。

圖4 土樣制備

2.力學(xué)性能試驗?zāi)M

土樣經(jīng)過環(huán)境作用(干濕或凍融循環(huán))后,即完成復(fù)雜環(huán)境作用模擬步驟后,根據(jù)所選擇的力學(xué)性能測試類別進(jìn)行試驗操作。

(1)固結(jié)試驗。

①將附帶環(huán)刀試樣安放于壓縮容器護(hù)環(huán)內(nèi),并在容器內(nèi)按順序放上底板、濕潤濾紙及透水石,隨后放入加壓的導(dǎo)環(huán)和傳壓板,如圖5所示。②將安裝好試樣的壓縮容器放于加壓臺中央,將傳壓鋼珠與加壓橫梁凹穴相連,隨后安裝測量百分表。③為保證壓縮容器各部件接觸良好,施加預(yù)壓荷重1 kPa,各部件穩(wěn)定后調(diào)整百分表讀數(shù)至零處。④進(jìn)行加壓觀測,在虛擬系統(tǒng)中選擇相應(yīng)荷載等級,荷重等級一般為25～1 600 kPa。根據(jù)系統(tǒng)提示選擇試樣飽和狀態(tài),系統(tǒng)根據(jù)試樣飽和狀態(tài)給出容器注滿水或濕棉紗圍住加壓蓋板四周兩種動畫反饋。⑤壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為每級荷重下壓縮24小時,通過界面選擇相應(yīng)固結(jié)時間即可,然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)施加第二級荷重,依次逐級加荷至試驗結(jié)束。⑥試驗結(jié)束后點(diǎn)擊確定按鈕,取出試樣,對設(shè)備進(jìn)行拆卸操作。

圖5 固結(jié)試樣安裝

(2)直剪試驗。

①根據(jù)試驗方案,通過鼠標(biāo)選擇是否對試樣進(jìn)行飽和。②利用鼠標(biāo)交互方式,對準(zhǔn)上下剪切盒,插上銷釘,將土樣放入盒內(nèi)。③ 試樣裝好后,鼠標(biāo)點(diǎn)擊上盒前端與測力計接觸,順次加上加壓蓋、鋼珠、加壓架,如圖6所示。④根據(jù)試驗設(shè)計,選擇是否施加固結(jié)應(yīng)力,如需固結(jié),通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊選取施加的垂直固結(jié)壓力并進(jìn)行穩(wěn)壓維持;如無需固結(jié)可直接跳過該步驟。⑤通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拾取,施加垂直固結(jié)壓力10～400 kPa后拔去銷釘,將百分表調(diào)零,開動秒表,設(shè)定試驗速率后剪切土樣。⑥剪切結(jié)束后,通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊去除垂直壓力,取出土樣,相同方法重新安裝試樣,進(jìn)行下一級豎向荷載剪切試驗,重復(fù)試驗過程直至完成各級豎向荷載剪切試驗。

圖6 直剪試驗裝樣

(3)三軸剪切試驗。

三軸試驗儀器生產(chǎn)廠家及型號較多,TSZ系列全自動三軸儀具有操作簡便、控制精確且穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),是目前土力學(xué)實驗教學(xué)及工程應(yīng)用中最為主要的土體三軸剪切試驗設(shè)備。為便于學(xué)生與后續(xù)工程實驗工作展開有效對接,以TSZ全自動三軸儀標(biāo)準(zhǔn)操作方法為例進(jìn)行典型示范和虛擬仿真。

①向外水艙注入適量的蒸餾水,然后將水吸入內(nèi)水艙中。②初始化壓力室高度至最低,排除各管道中殘存的氣體。③按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)將濾紙條貼在試樣上。④將橡皮膜套在承膜筒內(nèi)壁上,并套上橡皮筋,注意要使用吸力球抽空橡皮膜空隙中的氣體。⑤按照順序,在試樣上下分別放上濾紙和透水石。⑥將組合好的承膜筒與試樣放入壓力室底座中心,將橡皮膜上下部分別上翻后取出承膜筒,安裝制樣圓模及固定銅環(huán),并將橡皮膜兩端與底座、試樣帽分別扎緊,如圖7。⑦取下制樣圓模及固定銅環(huán),裝上壓力罩。旋轉(zhuǎn)壓力室底座固定壓力罩。⑧向壓力室內(nèi)注水至溢出,擰上壓力罩上面的排氣口螺絲。⑨升起壓力室使壓力罩上端凹槽與儀器上方傳感器接觸。⑩打開虛擬電腦軟件,開始三軸試驗剪切過程。?根據(jù)軟件提示,選擇是否對試樣進(jìn)行反壓飽和,如選擇“是”,設(shè)置固結(jié)及反壓參數(shù);如選擇“否”則直接進(jìn)行下一步。?根據(jù)系統(tǒng)軟件提示,選擇是否需要對試樣進(jìn)行固結(jié),如選擇“是”,設(shè)置固結(jié)圍壓,系統(tǒng)提示固結(jié)完成后進(jìn)行下一步;如選擇“否”則直接進(jìn)行下一步。?根據(jù)系統(tǒng)軟件提示,設(shè)定剪切圍壓。?選擇試驗剪切條件,排水剪切或不排水剪切,隨后開始剪切試驗。?達(dá)到終止剪切條件后結(jié)束試驗,排除圍壓倉內(nèi)的水,拆卸倉罩,拆除試樣。?導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)后關(guān)閉應(yīng)用軟件,關(guān)閉計算機(jī)。需要說明的是導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)結(jié)果由所建立的國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)庫所決定,數(shù)據(jù)結(jié)果根據(jù)試驗條件差異有所不同,數(shù)據(jù)庫會根據(jù)前沿探索和研究文獻(xiàn)及時更新。完成試驗后所導(dǎo)出的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果會根據(jù)試驗過程中的環(huán)境模擬參數(shù)和實驗條件差異而改變。

圖7 三軸剪切試驗試樣安裝

3.實驗成績評定

學(xué)生在完成相應(yīng)復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性能實驗后,可在完成界面中下載實驗結(jié)果。根據(jù)課堂所學(xué)土力學(xué)理論對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,給出土的相關(guān)力學(xué)參數(shù),完成試實驗報告并上傳系統(tǒng)。

指導(dǎo)教師和實驗室管理教師可在后臺登陸系統(tǒng),根據(jù)學(xué)生所選的環(huán)境模擬條件及力學(xué)實驗類別,對學(xué)生的操作要點(diǎn)和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行考評,按照任務(wù)書要求對其實驗報告進(jìn)行綜合實驗成績評定。

三、虛擬仿真實驗系統(tǒng)的特色及優(yōu)勢

(一)特色

(1)積極探索土力學(xué)實踐課程虛實結(jié)合的教學(xué)模式,提升實驗教學(xué)效果。構(gòu)建土樣力學(xué)性能全過程虛擬仿真實驗環(huán)境可有效鞏固課堂教學(xué)中的理論知識,增強(qiáng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

(2)突破現(xiàn)場取樣的時空限制,實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境作用下土體力學(xué)性質(zhì)的多元化模擬。虛擬實驗系統(tǒng)通過建立既有實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),可實現(xiàn)不同類別土樣、不同氣候條件、不同測試方法的多元化模擬。

(3)縮短實驗周期,提高教學(xué)及科研效率。實體實驗環(huán)境模擬周期長達(dá)數(shù)月、試驗操作難度大、實驗過程不可逆,虛擬仿真實驗使學(xué)生在可逆的程序中反復(fù)訓(xùn)練掌握土體力學(xué)測試方法與技能,避免了實體實驗中因錯誤操作而導(dǎo)致實驗失敗。

(二)優(yōu)勢

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)具有界面感受逼真、操作性強(qiáng)、知識系統(tǒng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,可使學(xué)生深入浸入虛擬實驗系統(tǒng);通過數(shù)據(jù)庫的數(shù)字反饋,在軟件界面中以啟發(fā)方式建議正確的操作步驟或參數(shù)設(shè)置;通過人機(jī)的交互式溝通,合理設(shè)置實驗條件并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;通過各實驗小組的團(tuán)隊合作,完成復(fù)雜環(huán)境對土樣力學(xué)性能劣化規(guī)律的學(xué)習(xí)與分析,真正做到了浸入、啟發(fā)、交互及團(tuán)隊教學(xué)方式的深度融合。

四、結(jié)語

復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性質(zhì)實體實驗過程中存在跨區(qū)域取樣困難、周期長、費(fèi)用高昂、試驗難度大且存在一定危險性的問題,在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)難以實現(xiàn)。充分利用信息化教學(xué)手段,堅持“虛實結(jié)合,能實不虛”的基本原則,深度融合虛擬仿真與實體教學(xué)方法的特征優(yōu)勢,堅持科研促教的原則,基于國內(nèi)外前沿文獻(xiàn)數(shù)據(jù)建立成果數(shù)據(jù)庫,試驗結(jié)果能夠體現(xiàn)環(huán)境變化對于試驗結(jié)果的差異,開發(fā)了復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性質(zhì)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。學(xué)生可突破時間和空間限制,在虛擬環(huán)境中完成土樣長達(dá)數(shù)月的環(huán)境作用模擬和相關(guān)力學(xué)性能實驗,并提交實驗報告。為學(xué)生認(rèn)知復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性能,熟悉土力學(xué)基本試驗原理及操作過程提供了技術(shù)平臺。虛擬實驗系統(tǒng)可激發(fā)和提高學(xué)生的科技創(chuàng)新積極性,助力提高實驗教學(xué)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。