土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)開(kāi)發(fā)

唐洪祥 郭瑩 鄭爾發(fā) 宋瑞 王瑞雪

摘要：三軸剪切試驗(yàn)是研究土體力學(xué)性質(zhì)的重要試驗(yàn)，在土力學(xué)試驗(yàn)中處于核心地位。但是，三軸剪切試驗(yàn)制樣困難、操作過(guò)程復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，初學(xué)者在短時(shí)間內(nèi)很難掌握基本的試驗(yàn)技能，為此，開(kāi)發(fā)并利用三軸虛擬仿真試驗(yàn)開(kāi)展教學(xué)工作顯得尤為重要。開(kāi)發(fā)的三軸虛擬仿真試驗(yàn)包含了虛擬試驗(yàn)操作和電子報(bào)告兩個(gè)部分，學(xué)生可以在移動(dòng)端熟悉三軸剪切試驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)操作過(guò)程，延伸試驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，在低成本、低消耗、無(wú)安全隱患的前提下，提升試驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為通過(guò)三軸虛擬仿真試驗(yàn)得到較真實(shí)的土體力學(xué)性質(zhì)和參數(shù)，將砂土力學(xué)和本構(gòu)參數(shù)的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能融入三軸虛擬仿真試驗(yàn)中，學(xué)生不僅熟悉了試驗(yàn)操作過(guò)程，還可以深入理解土體的力學(xué)特性與物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)造性能力的綜合培養(yǎng)。將三軸虛擬仿真試驗(yàn)用于本科生土力學(xué)、研究生巖土工程試驗(yàn)這兩門(mén)課程，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：三軸剪切試驗(yàn);虛擬仿真;大數(shù)據(jù);砂土;黏土;力學(xué)性質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642;TU43 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1005-2909（2021）06-0151-09

土力學(xué)是土木工程及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中非常重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是研究土的物理性質(zhì)以及在荷載作用下土體應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度規(guī)律，從而解決工程中土體變形和穩(wěn)定問(wèn)題的一門(mén)學(xué)科[1]。土力學(xué)試驗(yàn)是了解土體的力學(xué)性質(zhì)以及獲取工程設(shè)計(jì)參數(shù)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)親自動(dòng)手操作土力學(xué)試驗(yàn)，可以加深學(xué)生對(duì)土體的物理性質(zhì)及應(yīng)力應(yīng)變特性、強(qiáng)度特性等力學(xué)行為的理解。理論與試驗(yàn)結(jié)合，可以加深學(xué)生對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)還可以加強(qiáng)學(xué)生們動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)土力學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)的提高[2-4]。 在土力學(xué)的試驗(yàn)教學(xué)中，三軸剪切試驗(yàn)是測(cè)定土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度參數(shù)的一種最為常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法，在研究土體的本構(gòu)模型、獲得土體的變形特性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。三軸剪切試驗(yàn)?zāi)軌蚩朔苯蛹羟性囼?yàn)不能控制排水、不能測(cè)孔隙水壓力以及剪切面固定的缺點(diǎn)，同時(shí)融合了土力學(xué)中的固結(jié)理論、強(qiáng)度理論以及有效應(yīng)力原理等多個(gè)重要概念，可以進(jìn)行不同應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)，從而模擬不同的加載工況，是理解土體力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵性試驗(yàn)，每一位學(xué)習(xí)土力學(xué)的學(xué)生都需要了解和掌握[5]。

三軸剪切試驗(yàn)按照排水條件可分為不固結(jié)不排水、固結(jié)排水以及固結(jié)不排水試驗(yàn)，按照不同的應(yīng)力路徑可分為靜水壓縮（HC）、常規(guī)三軸壓縮（CTC）、常規(guī)三軸伸長(zhǎng)（CTE）、平均主應(yīng)力p為常數(shù)的三軸壓縮（TC）和三軸伸長(zhǎng)（TE）、減壓三軸試驗(yàn)（RTC）、軸向減載三軸伸長(zhǎng)（RTE）、三軸等比（PL）共7種不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)[6]。在試驗(yàn)中主要用到的設(shè)備是應(yīng)變控制式三軸儀、應(yīng)力控制式三軸儀以及全自動(dòng)多功能三軸儀等。

一、 三軸剪切試驗(yàn)虛擬仿真開(kāi)發(fā)的必要性

學(xué)生利用三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)操作可以完整地觀(guān)察到試樣從受力變形直到破壞的整個(gè)過(guò)程，加深對(duì)土體破壞的理解。然而，由于實(shí)際試驗(yàn)條件的限制，學(xué)生數(shù)量多達(dá)數(shù)百人，而三軸儀卻只有寥寥幾臺(tái)，不足以支撐每個(gè)同學(xué)親自動(dòng)手做試驗(yàn)，而且三軸剪切試驗(yàn)操作過(guò)程復(fù)雜，初學(xué)者短期很難掌握基本的試驗(yàn)技能。同時(shí)，三軸剪切試驗(yàn)制樣困難，容易失敗。試樣的排水，尤其是黏土試樣的三軸排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，時(shí)間成本大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)人動(dòng)手操作的需求。在實(shí)際土力學(xué)教學(xué)中，除試驗(yàn)儀器有限之外， 配備的土力學(xué)試驗(yàn)課時(shí)也有限，一般學(xué)校只會(huì)配備應(yīng)變控制式三軸儀和應(yīng)力控制式三軸儀，因此，不能模擬復(fù)雜應(yīng)力路徑下（主要針對(duì)研究生教學(xué)）的三軸剪切試驗(yàn)，在教學(xué)過(guò)程中往往只能采用演示試驗(yàn)的形式進(jìn)行教學(xué)。上述情況就會(huì)導(dǎo)致生參與度過(guò)少，不能很好地激發(fā)學(xué)生興趣，學(xué)生也不能很好理解土體破壞過(guò)程及其試驗(yàn)原理，實(shí)際教學(xué)效果會(huì)大打折扣。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)為當(dāng)前問(wèn)題提供了解決途徑，虛擬仿真技術(shù)以其操作靈活、適用范圍大的優(yōu)勢(shì)漸漸融入了各個(gè)學(xué)科的教學(xué)過(guò)程中[7]。2017年，教育部也啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，到目前為止，國(guó)家虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)上發(fā)布的虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已有兩千余項(xiàng)。虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用了數(shù)字仿真技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中時(shí)間、場(chǎng)地、儀器數(shù)量等的限制，相對(duì)于傳統(tǒng)演示試驗(yàn)，能夠保證每位學(xué)生都能完整地進(jìn)行試驗(yàn)學(xué)習(xí)與操作，且能夠更加合理地安排試驗(yàn)時(shí)間，課后也能隨時(shí)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)。此外，2020年突如其來(lái)的新冠疫情使各高校暫停線(xiàn)下教學(xué)，開(kāi)展線(xiàn)上教學(xué)，此時(shí)三軸虛擬仿真試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)就顯得尤為重要?；诖?，我們建設(shè)了土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)。

二、三軸虛擬仿真試驗(yàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

通過(guò)目前我們搭建的線(xiàn)上三軸虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)土的不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）、固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)（CU試驗(yàn)）以及固結(jié)排水剪切試驗(yàn)（CD試驗(yàn)）。學(xué)生可以通過(guò)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)掌握上述3種三軸剪切試驗(yàn)操作的區(qū)別，體會(huì)理解固結(jié)與否對(duì)土體強(qiáng)度的影響。通過(guò)不同土體的三軸虛擬仿真試驗(yàn)，可以得到無(wú)黏性土與黏性土在不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)曲線(xiàn)，理解無(wú)黏性土與黏性土強(qiáng)度與變形性質(zhì)的差異。學(xué)生可以熟悉三軸試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)以及各部分構(gòu)件的配合機(jī)理，延伸試驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，熟練掌握復(fù)雜的試驗(yàn)流程，在低成本、低消耗、無(wú)安全隱患的前提下，提升試驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，切實(shí)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)造性能力的綜合培養(yǎng)。

三、三軸虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)情況

（一）三軸虛擬仿真試驗(yàn)的構(gòu)建

三軸虛擬仿真試驗(yàn)包含了虛擬試驗(yàn)操作和電子報(bào)告兩個(gè)部分。在虛擬仿真試驗(yàn)操作部分，分為練習(xí)和考核兩種模式，包含砂土和黏土兩種試樣。虛擬仿真試驗(yàn)總體分為3個(gè)部分，即：樣品的制備與安裝、樣品飽和、三軸剪切試驗(yàn)。虛擬仿真試驗(yàn)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本虛擬仿真試驗(yàn)以移動(dòng)端為主，兼容PC端。打開(kāi)虛擬仿真試驗(yàn)應(yīng)用后，采用微信授權(quán)的方式登錄軟件，選擇練習(xí)或者考核模式，即可操作虛擬仿真試驗(yàn)。在虛擬仿真試驗(yàn)的儀器認(rèn)識(shí)部分，學(xué)生根據(jù)點(diǎn)擊界面中設(shè)備名稱(chēng)按鈕可查看到相應(yīng)的儀器設(shè)備，能夠使學(xué)生更加直觀(guān)的了解試驗(yàn)中應(yīng)用的儀器。儀器界面如圖2所示。

試驗(yàn)內(nèi)容包含了砂土和黏土兩種不同性質(zhì)試樣，學(xué)生可以任意選擇一種試樣進(jìn)行操作。交互操作采用全三維建模，用Unity 3D軟件進(jìn)行交互，學(xué)生可以通過(guò)手指點(diǎn)擊、拖拽、旋轉(zhuǎn)屏幕中的物體等操作方式來(lái)完成試驗(yàn)操作步驟，操作方式更加貼近真實(shí)試驗(yàn)操作，進(jìn)一步使學(xué)生熟練掌握三軸剪切試驗(yàn)的操作過(guò)程。

在虛擬仿真試驗(yàn)的練習(xí)模式中，提供文字提示、語(yǔ)音提示（可以隨時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉）、提示按鈕（包含自動(dòng)提示功能）、操作手冊(cè)等多項(xiàng)功能，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)、練習(xí)、操作試驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。學(xué)生在操作虛擬仿真試驗(yàn)的過(guò)程中填寫(xiě)的數(shù)據(jù)會(huì)在關(guān)卡結(jié)束后上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。

電子報(bào)告部分，根據(jù)老師的不同需求創(chuàng)建不同的電子報(bào)告模板。學(xué)生提交報(bào)告后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生獲得的數(shù)據(jù)，利用Python軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，教師可對(duì)比結(jié)果給出分?jǐn)?shù)及評(píng)語(yǔ)。評(píng)閱后的報(bào)告會(huì)自動(dòng)保存為PDF版本，方便老師隨時(shí)調(diào)取、審閱，通過(guò)分析，可以清楚知道每一位學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并適時(shí)調(diào)整試驗(yàn)的教學(xué)重難點(diǎn)。學(xué)生根據(jù)需求，可以在做過(guò)的虛擬仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選擇一組上傳。

（二）虛擬仿真試驗(yàn)的操作流程

本虛擬仿真試驗(yàn)的操作全程為可視狀態(tài)下的手動(dòng)操作，每一步均需實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊相關(guān)部位的儀器，目的是增加實(shí)驗(yàn)者參與實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和體驗(yàn)感以及動(dòng)手操作能力，實(shí)驗(yàn)包含了砂土和黏土兩種性質(zhì)的試樣，下述操作流程以砂土為例。

（1）樣品的制備與安裝。實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊砂土試樣轉(zhuǎn)移至天平進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的土體密實(shí)度，確定所需的土體重量，如圖3所示。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者輸入不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、相對(duì)密實(shí)度、粒徑、干密度等土體參數(shù)，作為大數(shù)據(jù)運(yùn)算程序的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);點(diǎn)擊承膜筒，將稱(chēng)量好的砂土試樣轉(zhuǎn)移至承膜筒內(nèi)，用擊實(shí)錘擊實(shí)樣品，在放置好濾紙和透水石后蓋上壓力蓋，用橡皮筋扎緊，需保證后續(xù)加壓時(shí)真空罩中的水不會(huì)進(jìn)入土體，如圖4所示。打開(kāi)排水閥，將真空管連接至排水閥，進(jìn)行吸負(fù)壓過(guò)程。吸負(fù)壓過(guò)程結(jié)束后卸掉承膜筒，關(guān)閉排水閥，安裝壓力室罩。用螺絲將壓力室卡好后安裝軸向測(cè)力計(jì)，如圖5所示。安裝軸向測(cè)力計(jì)時(shí)需與壓力室活塞對(duì)齊，將軸向測(cè)力計(jì)安裝好后，打開(kāi)壓力室排氣孔，向壓力室內(nèi)注水。在此操作部分，需要學(xué)生掌握承膜筒的安裝（注意：橡膠套與成膜筒緊密貼合，無(wú)空隙）、壓力室的安裝（注意：底座砂礫清理干凈）、軸向測(cè)力計(jì)的安裝等操作。

（2）樣品飽和。點(diǎn)擊三軸儀的開(kāi)關(guān)，設(shè)定儀器的上升速率，儀器開(kāi)始上升，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量位移的千分表開(kāi)始變化時(shí)，停止設(shè)備上升。打開(kāi)壓力室排氣孔和手輪鎖緊開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)手輪進(jìn)行加壓排氣泡。關(guān)閉手輪鎖緊開(kāi)關(guān)后開(kāi)始設(shè)置圍壓，點(diǎn)擊儀器啟停鍵，關(guān)閉排氣孔后旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)圍壓的手輪，開(kāi)始增加壓力;而后打開(kāi)孔壓閥、進(jìn)口閥和排水閥;打開(kāi)二氧化碳?xì)馄?，關(guān)閉孔壓閥，通入無(wú)氣水進(jìn)行飽和操作。操作如圖6所示。

（3）三軸剪切試驗(yàn)過(guò)程。本虛擬仿真試驗(yàn)中包含固結(jié)排水剪切和固結(jié)不排水剪切兩種，學(xué)生在進(jìn)入關(guān)卡后任選一種方法進(jìn)行操作。以固結(jié)排水剪切為例，首先設(shè)置好圍壓，記錄圍壓、孔壓和排水管的讀數(shù)，然后打開(kāi)排水閥開(kāi)始進(jìn)行固結(jié)操作，當(dāng)量管讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。設(shè)定儀器的剪切速率，每隔1分鐘記錄排水管、量力環(huán)量表和軸向變形量表的讀數(shù)。試驗(yàn)需要記錄圍壓為100 KPa、200 KPa、300 KPa和400 KPa的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生記錄的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況多次反復(fù)的進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)操作，操作如圖7所示。

（4）試驗(yàn)報(bào)告。教師根據(jù)不同需求可以創(chuàng)建不同的試驗(yàn)報(bào)告模板供學(xué)生填寫(xiě)，以本科學(xué)生的試驗(yàn)報(bào)告為例，學(xué)生可在多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中任意選擇一組數(shù)據(jù)上傳，學(xué)生根據(jù)上傳的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用公式進(jìn)行計(jì)算，畫(huà)出主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變圖、有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變圖、體應(yīng)變與軸向應(yīng)變圖以及固結(jié)排水剪切強(qiáng)度包線(xiàn)圖。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生上傳的數(shù)據(jù)，在后臺(tái)用Python軟件進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)能夠在教師端自動(dòng)給出主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變圖、有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變圖、體應(yīng)變與軸向應(yīng)變圖以及抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)圖，教師可以根據(jù)系統(tǒng)給出的曲線(xiàn)圖與學(xué)生畫(huà)的曲線(xiàn)圖進(jìn)行對(duì)比，給出相應(yīng)的得分。試驗(yàn)報(bào)告如圖8所示。

四、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能的開(kāi)發(fā)及最新進(jìn)展

經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的不斷努力，土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)和模擬不同種類(lèi)的土體在不同固結(jié)和排水條件下的試驗(yàn)，從而得到相應(yīng)條件下土體強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

為了通過(guò)三軸虛擬仿真試驗(yàn)得到較真實(shí)的土體力學(xué)性質(zhì)和參數(shù)，近兩年，三軸虛擬仿真試驗(yàn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究，將土體力學(xué)和本構(gòu)參數(shù)的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能融入三軸虛擬仿真試驗(yàn)中。其中，在進(jìn)行砂土常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)時(shí)，將經(jīng)過(guò)數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)組訓(xùn)練、擬合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法程序嵌入到虛擬試驗(yàn)平臺(tái)中，試驗(yàn)操作者只需將平均粒徑、相對(duì)密實(shí)度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、干密度等基本物理參數(shù)以及圍壓、排水條件輸入，便可以得到經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算后的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)、體應(yīng)變曲線(xiàn)，也就是三軸剪切試驗(yàn)的輸出結(jié)果。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析運(yùn)算得出的結(jié)果與傳統(tǒng)三軸剪切試驗(yàn)得出的結(jié)果相比，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）基于大數(shù)據(jù)的模擬，可以部分排除土體試樣在運(yùn)輸、制作過(guò)程中遭受擾動(dòng)而對(duì)土體的原始狀態(tài)產(chǎn)生的影響，得到的試驗(yàn)結(jié)果較為真實(shí)可信;（2）在試驗(yàn)操作過(guò)程中，由于試驗(yàn)人員部分主觀(guān)動(dòng)作，同一組試驗(yàn)由不同的試驗(yàn)人員進(jìn)行操作，可能會(huì)得到不同的結(jié)果，人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不可避免。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以部分避免人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;（3）試驗(yàn)室三軸剪切試驗(yàn)基于個(gè)別小試樣，得到的巖土參數(shù)具有一定的隨機(jī)性和離散性，而經(jīng)大數(shù)據(jù)分析得到的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性;（4）三軸剪切試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，重塑試樣的制作較為繁瑣，操作技術(shù)要求高，而使用大數(shù)據(jù)分析只需將基本物理參數(shù)輸入以及確定圍壓、排水條件等因素即可，具有操作簡(jiǎn)便、效率高等特點(diǎn);（5）可以實(shí)現(xiàn)不同初始物理性質(zhì)參數(shù)對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響的仿真模擬，學(xué)生不僅熟悉了試驗(yàn)操作過(guò)程，還可以深入理解土體的力學(xué)特性與物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。目前這部分針對(duì)砂土三軸剪切試驗(yàn)的研制已調(diào)試完成，已進(jìn)入教學(xué)使用階段。

下一步考慮將黏土試樣試驗(yàn)的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果用于三軸虛擬仿真試驗(yàn)中，并考慮不同加卸載應(yīng)力路徑和工況下的組合，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)力路徑模擬，模擬土體試樣在加壓及減壓情況下的三軸壓縮/伸長(zhǎng)、各向等壓、等比加載等不同應(yīng)力路徑下的反應(yīng)，進(jìn)而反映不同工況下土體受力變形破壞的機(jī)理，探究上述各因素對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響。

五、使用情況：本科生和研究生教學(xué)

土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于教學(xué)中。使用者登錄國(guó)家虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，搜索土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)，進(jìn)行身份注冊(cè)，便可以進(jìn)行虛擬試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)不對(duì)使用者身份進(jìn)行限制，對(duì)所有人員開(kāi)放，并且在平臺(tái)設(shè)有答疑環(huán)節(jié)等輔助學(xué)習(xí)功能。目前，將三軸虛擬仿真試驗(yàn)用于一線(xiàn)教學(xué)，本科生土力學(xué)課程、研究生巖土工程試驗(yàn)這兩門(mén)課程均有所涉及。在本科生土力學(xué)課程中，筆者將線(xiàn)上虛擬仿真試驗(yàn)與線(xiàn)下試驗(yàn)室試驗(yàn)相結(jié)合，要求所有學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行線(xiàn)上虛擬仿真試驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的了解，為學(xué)生進(jìn)行線(xiàn)下三軸剪切試驗(yàn)的演示，按試驗(yàn)操作步驟講解每一步的操作目的和注意要點(diǎn)，并和學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)討論及答疑，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)氛圍活躍，取得了較好的教學(xué)效果。線(xiàn)上線(xiàn)下試驗(yàn)初步完成后，學(xué)生可對(duì)整個(gè)三軸剪切試驗(yàn)原理及過(guò)程充分理解，接下來(lái)學(xué)生在設(shè)定的圍壓、排水條件、平均粒徑、密實(shí)度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、干密度等（這里針對(duì)砂土）參數(shù)下通過(guò)三軸虛擬仿真試驗(yàn)得到應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，并以此得到試樣破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，進(jìn)一步根據(jù)極限平衡原理整理得到砂土的強(qiáng)度參數(shù)。

在研究生巖土工程試驗(yàn)課程中，學(xué)生不僅僅要得到土體的強(qiáng)度參數(shù)，還需要推導(dǎo)土體本構(gòu)模型如鄧肯—張模型參數(shù)。因此，在研究生進(jìn)行三軸虛擬仿真試驗(yàn)時(shí)，要求通過(guò)試驗(yàn)不僅得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、而且要得到體應(yīng)變數(shù)據(jù)。在輸入上述設(shè)定試驗(yàn)條件后，學(xué)生通過(guò)三軸虛擬仿真試驗(yàn)需要獲取經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算得到的應(yīng)力應(yīng)變和體應(yīng)變數(shù)據(jù)，以此可以整理得到土的本構(gòu)模型參數(shù)。由此可見(jiàn)，基于大數(shù)據(jù)分析的三軸虛擬仿真試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)的真實(shí)性和效率，保證了數(shù)據(jù)的多樣性和代表性，便于更好地把握和理解土體的力學(xué)性質(zhì)。

六、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)三軸虛擬仿真試驗(yàn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員的不斷探索，土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)現(xiàn)在不僅可以模擬三軸試驗(yàn)操作過(guò)程，還可以設(shè)計(jì)和模擬不同種類(lèi)的土體在不同固結(jié)條件下（未來(lái)還將考慮不同加卸載應(yīng)力路徑和工況）的組合試驗(yàn)，從而探究各因素對(duì)土體強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)的影響。其中，在砂土三軸剪切試驗(yàn)中只需輸入土體的基本物理參數(shù)、圍壓以及確定排水條件，便可以得到經(jīng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和體應(yīng)變曲線(xiàn)。今后將繼續(xù)收集包括黏土試樣考慮不同加卸載應(yīng)力路徑和工況下的三軸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，編寫(xiě)大數(shù)據(jù)運(yùn)算程序，進(jìn)一步完善三軸虛擬仿真試驗(yàn)。在后疫情時(shí)代，土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真試驗(yàn)由于其試驗(yàn)過(guò)程的可視性、方便操作性、高效性，所得數(shù)據(jù)的代表性及多樣性，有望在教學(xué)，乃至有關(guān)科研、工程試驗(yàn)等領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。

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Abstract： Triaxial test is an important test to study the mechanical properties of soil， and it plays a key role in soil mechanics test. However， it is difficult for beginners to master the basic testing skills in a short time due to the difficulty of sample preparation， complex operation process and long test cycle of triaxial test. Therefore， it is particularly important to develop and use triaxial virtual simulation test to carry out teaching work. The developed triaxial virtual simulation experiment includes two parts：virtual experiment operation and electronic report. Students can be familiar with the structure and operation process of triaxial experiment instrument on the mobile terminal， extend the time and space of experiment teaching， improve the quality and level of experiment teaching and stimulate students’ learning enthusiasm under the premise of low cost， low consumption and no potential safety hazard. In order to obtain more real soil mechanical properties and parameters through virtual triaxial test simulation， the big data prediction function of mechanics and constitutive parameters of sand is integrated into the triaxial virtual simulation test. Students are familiar with the test operation process， and can deeply understand the correlation between mechanical properties and physical properties of soil， so the two courses of soil mechanics for undergraduates and geotechnical engineering test for postgraduates， and good teaching effect is achieved.

Key words： triaxial test; virtual simulation; big data; sand; clay; mechanical property

（責(zé)任編輯 胡 玥）

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