垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学探索

惠 存，边亚东

垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学探索

惠 存1,2，边亚东1,2

（1. 中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007；2. 河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心，河南 郑州 450007）

基于现代信息技术，开发了垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学系统，解决了实际实验中产生刺激性有害气体、实验时间长、设备台套数较少的问题。该系统可以在模拟淋溶、外部压力、温度变化3种工况下获得垃圾土沉降速度随时间的变化关系，为垃圾填埋场工程、建筑垃圾回填基础的沉降规律的研究提供参考。本虚拟仿真实验教学系统可以缩短实验时间，使学生在短时间内掌握垃圾土室内沉降实验的原理和操作 过程。

垃圾土；室内沉降；虚拟仿真实验；教育信息化

“土力学”是土木工程专业的核心课程，垃圾土室内沉降实验是“土力学”实验课程中一项重要的综合性实验项目[1-5]。该实验用时过长，而实验教学课时较少，不足以支持完成该项室内实验。实验过程中，学生装样/卸样会接触到垃圾土中的有害物质，而且实验过程中垃圾土降解产生的刺激性气体有害身体健康。因此，有必要利用现代化信息技术，采用虚拟仿真的方法，研发垃圾土室内沉降虚拟仿真实验系统[6-7]。虚拟仿真实验教学可以解决实际实验过程中无法在规定课时内完成的实验，同时使更多的学生在安全、无污染的环境中学习垃圾土的沉降规律[8-12]。

垃圾土室内沉降虚拟仿真实验是通过模拟淋溶、外部压力、温度变化不同工况，研究垃圾土沉降速度随时间变化的关系，得到垃圾土在不同工况下的沉降结果，为垃圾填埋场工程、建筑垃圾回填基础的沉降规律研究提供参考。该虚拟仿真实验系统可缩短学生完成垃圾土室内沉降实验过程，为顺利完成土力学、基础工程和毕业设计等课程打下坚实基础。

1 虚拟仿真实验系统的建设意义和优势

1.1 建设意义

在现代工程建设中，将不可避免地产生垃圾土。垃圾土是城市生活垃圾和工程弃渣等组成的杂填土，此类土成分复杂、结构不稳定，具有很高的压缩性，在生命周期内沉降较大，且在填埋场施工完成后，沉降还将持续若干年。为了研究这一工程的实际问题，需要在实验室内进行沉降测试，确定垃圾土的沉降特性。由于室内垃圾土沉降实验时间长达数月，且在实验过程中，垃圾土降解将产生刺激性气味，影响室内环境和学生身心健康。

垃圾土室内沉降虚拟仿真实验系统依托河南省力学与工程结构综合实验中心、河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心、河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心、郑州市岩土与地下工程重点实验室，依据国家级虚拟仿真教学的要求，进行了实验内容的开发。通过该虚拟仿真实验系统的建设，解决实验教学过程中出现的一些问题，如设备台套数少、无法同时进行多组实验、实验时间持续过长、实验过程中产生危害气体等，使学生可以不受时间和场地限制完成实验，而且保证了学生的身心健康。

我校力学与工程结构综合实验中心拥有2台垃圾土室内沉降测试设备（见图1）。结合该虚拟仿真实验教学系统，采用虚实结合的实验教学方法，构建虚拟仿真实验平台，使学生短时间内熟悉仪器的操作过程，为学生提供随时随地进行虚拟仿真实验的条件。学生在虚拟环境中进行实验，弥补在实际实验中的不足，提高实验效果和理论水平；通过实际实验可以进行对比验证，观察垃圾土土样自身化学降解过程，获得其沉降量随时间变化的规律，促进学生对垃圾土沉降相关知识的理解。

图1 垃圾土室内沉降测试设备

1.2 优势

垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学系统综合应用数学建模、过程控制、网络通信等技术，采用虚实结合的手段，能有效减少垃圾土实际室内沉降实验的时间。学生通过该系统，能够利用先进的感知技术获取数据，利用实验数据说明工程实际问题，通过关联性耦合多因素、大尺度实验数据分析获取实验结果。每位学生都能够亲自完成此项实验，贴近工程实际应用，有助于解决有关垃圾土沉降工程实践问题。

此外，通过虚拟仿真实验，学生可以较快熟悉实验设备的使用和实验结果的分析，对传统教学是很好的补充，可以避免在实验过程中不可预料的危害。

目前，我院已经将虚拟仿真实验教学纳入土木工程专业和城市地下空间工程专业的培养方案和教学大纲中。基于已有的虚拟仿真教学管理平台，可有效、便捷地完成该实验教学工作。在此过程中，可以不断收集学生和教师的反馈信息，为后续评价体系的修改和完善提供依据。

2 实验系统组成和实验原理

2.1 实验系统组成

本系统由垃圾土装载容器、无线淋溶系统、无线压载系统、无线温控系统、无线气体流量系统和远程控制终端软件等组成，如图2所示。

（1）垃圾土装载容器用于放置垃圾土加载土样，箱体为不锈钢材质，由保温板、隔离板、密封圈、内筒、外接排气管、渗滤液收集器和液晶屏幕等部件 组成。

（2）无线淋溶系统用于模拟外部降雨、渗滤液回灌等因素对垃圾土土样沉降的影响，由储水器、流量传感器、可控式淋溶器和无线数据传输模块组成。

（3）无线压载系统用于模拟外部压力因素对垃圾土土样沉降的影响，由压力传感器、沉降传感器、承压板、可控式加载装置和无线数据传输模块组成。

（4）无线温控系统用于模拟外部温度因素对垃圾土土样沉降的影响，由土样层温度传感器、温控层温度传感器、可控式电热管和无线数据传输模块组成。

（5）无线气体流量系统通过测量垃圾降解中产生的气体量，评估降解对垃圾土土样沉降的影响，由储气腔、汽水分离室、流量表、截止阀、轴流扇和无线数据传输模块组成。

（6）远程控制终端软件是控制垃圾土沉降测试流程的专用软件，安装在笔记本电脑上，辅助测试人员编制测试流程，自动通过无线数据传输模块操控淋溶系统、压载系统、温控系统，自动完成垃圾土土样的淋溶、压力、温度荷载加载过程，自动采集存储荷载量、气体流量和沉降响应量，自动在软件界面上实时显示当前测试曲线，并自动生成最终测试报告。

图2 垃圾土室内沉降虚拟仿真实验设备组成

2.2 实验原理

垃圾土的孔隙率较大而且非均质，其沉降机理远较天然土体复杂。垃圾土在填埋过程中和填埋完成后的相当长一段时间内，在降雨、渗滤液回灌、环境温度变化和外部压力等耦合因素作用下，不仅会出现土体颗粒重新排列的物理压缩现象，还会出现内部物理、化学性质变化和有机物的生化分解，使垃圾土固相体积缩减，产生沉降。

本实验采用无线淋溶系统模拟降雨和渗滤液回灌对垃圾土沉降的影响；采用无线温控系统模拟环境温度变化对垃圾土土样沉降的影响；采用无线压载系统模拟外部压力对垃圾土土样沉降的影响。通过实时测定垃圾土在淋溶、环境温度变化和外部压力作用下的沉降量与时间的变化曲线，即可获取垃圾土在不同工况下的沉降规律。

3 虚拟仿真实验过程

3.1 前期准备

学生在完成理论课学习之后，可在开放的虚拟仿真平台预约该实验。预约成功后，可在平台上进行理论课所学知识点的复习，完成教师设置的考核题目。考核通过后，实验教师带领学生熟悉实验室内部环境，熟悉实验设备，实现虚拟仿真系统和实际实验设备认知的结合。学生进入虚拟仿真平台，需先了解实验目的、实验所需材料、实验步骤等，然后再进行实验。

通过前期准备，可以节约实验时间、减少室内环境污染和使学生免受伤害；可以使学生在短时间内掌握垃圾土沉降测试的整个实验过程，弥补实际实验的不足。

3.2 实施流程

（1）进入实验室，移动到实验设备右侧，检查进水管、排水管、进气管连接是否正常（见图3）；鼠标点击控制台开关和设备总电源，控制台绿灯亮起，屏幕显示操作界面（屏幕通过UI显示）。

图3 设备检查

（2）拉出钢丝绳（尽量拉紧），将钢丝绳的一端连接到压载板上，将其另一端连接到实验设备端口。将垃圾土均分为5份，每次点击添加一份，并在合适的位置放入传感器（见图4）。压紧垃圾土，点击遥控器，将压载板和传感器与设备连接，放入加载容器内，压载板自动放入设备中并与设备内垃圾土的高度一致（见图5）。盖上仪器的亚克力罩，并与出水管连接，设置仿真实验的主要环境参数（见图6、图7、图8）。将实验设备的无线信号接收器接入数据观测电脑，采集装置与实验装置连接；设置好控制系统所需要的参数，以备接收数据。

（3）点击遥控器中的降雨按钮，模拟室外降雨环境，按照实验方案和要求进行长时间模拟外界环境并完成实验；待实验结束后关闭启动按钮，关闭主电源，结束实验；对设备进行清理、维护，以便下次使用。

学生完成虚拟仿真实验的整个操作过程，然后提交实验报告。任课教师可查看学生实验操作的过程及结果，并给出实验成绩。

图4 装载试样

图5 安装加载板

图6 当前环境参数

图7 设置目标加载参数

图8 实现加载

4 实验效果评价

实验过程中，系统自动记录学生每步实验操作的结果。除了完成正常的实验步骤记录与实验报告的生成，学生还需要根据实验操作过程和实验数据进行多因素数据关联性分析评价。虚拟仿真系统通过对以下3方面进行评价，并自动给出成绩：

（1）对虚拟仿真实验系统是否能熟练操作；

（2）是否能够熟练掌握垃圾土沉降测试的操作过程，并完成实验报告；

（3）成绩评定分为：理论课程的复习（10%）+实验课程预习（10%）+虚拟仿真实验操作（50%）+实验报告（30%）。

5 结语

垃圾土室内沉降实验是一项综合性实验，有助于考查学生对土力学的全面掌握情况。本文开发的垃圾土室内沉降虚拟仿真实验系统，有效避免了实验过程中因垃圾土降解产生刺激性有害气体、实验时间长、设备台套数较少的问题。在不受时间和场地限制的情况下，学生可以很好地掌握垃圾土室内沉降实验的原理和操作过程，获得垃圾土室内沉降量随时间变化规律，有效促进学生对垃圾土沉降相关知识的理解，为顺利完成土力学、基础工程和毕业设计等课程打下坚实基础。

基于教育信息化的虚拟仿真实验教学系统是我校开发的实验共享平台，该平台丰富了土木工程专业和城市地下空间工程专业的多层次实验教学模式，拓宽了学生的知识面，提升了学生的学习兴趣和创新能力，是教育信息化进程中的积极探索。

[1] 高磊，龚云皓，宋涵韬. 土力学实验教学中存在的问题与改革建议[J]. 实验技术与管理，2017, 34(7): 200–202, 206.

[2] 沈扬，葛冬冬，陶明安，等. 土力学原理可视化演示模型实验系统的研究[J]. 力学与实践，2014, 36(5): 663–666.

[3] 周莉，韩雪，杨海涛. 应用型人才培养的土力学实验教学模式改革与实践[J]. 黑龙江高教研究，2014(3): 168–170.

[4] 孙文静，刘珂，张孟喜，等. 互联网+虚拟仿真在土力学实验教学中的应用初探[J]. 实验室研究与探索，2018, 37(1): 181–185.

[5] 刘艳，郭恒宁，徐明，等. 基于虚拟仿真等方法的土力学实验教学改革[J]. 实验室科学，2017, 20(3): 105–107.

[6] 王志华，曹广胜，张立刚. 教育信息化视角下的虚拟仿真实验资源建设[J]. 实验科学与技术，2017, 15(4): 152–155.

[7] 马驰，王开宇，程春雨，等. 基于教育信息化的实验教学和实验管理新模式[J]. 实验技术与管理，2017, 34(6): 139–142.

[8] 徐明，熊宏齐，吴刚，等. 土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J]. 实验室研究与探索，2016, 35(2): 139–142, 216.

[9] 李炎锋，杜修力，纪金豹，等. 土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J]. 中国大学教学，2014(9): 82–85.

[10] 王浩. 高校土木工程专业虚拟仿真实验教学模式研究[J]. 牡丹江大学学报，2018, 27(1): 139–142.

[11] 郭恒宁，贺志启，刘艳，等. 土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计[J]. 实验技术与管理，2019, 36(3): 143–145.

[12] 商翔宇，王奇石，周国庆，等. 土力学实验考核标准化研究[J]. 实验技术与管理，2017, 34(10): 149–152, 157.

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年度河南省示范性虚拟仿真实验教学项目；河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2017SJGLX364）；2019年度中原工学院研究生教育教学改革研究项目；2019年度中原工学院教学改革研究与实践项目

惠存（1987—），男，河南南阳，博士，副教授，从事纤维增强水泥基复合材料和结构的研究。E-mail: hcun@zut.edu.cn