礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心

礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心是華北科技學院2020年3月1日在智慧樹網開設的虛擬實驗課。該實驗課負責人為朱建明，教師團隊包括趙啟峰、殷帥峰、李學彬、彭瑞、邱海濤、高林生等。

據2021年3月智慧樹網顯示，該虛擬實驗課累計訪問量1398、累計學生數2、累計聯繫數1074、累計實驗結果7。

基本介紹

• 中文名：礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心
• 類別：虛擬仿真實驗課
• 建設院校：華北科技學院
• 授課平台：智慧樹網
• 課程負責人：朱建明
• 教師團隊：趙啟峰、殷帥峰、李學彬、彭瑞、邱海濤、高林生等

實驗簡介

礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心是城市地下空間工程、採礦工程地下工程方向相關課程的重要實驗平台。該實驗中心涉及岩體力學、土質學與土力學、地下工程施工、城市地下空間導論、城市地下空間規劃等課程的相關實驗。相關課程可以在該實驗平台中選擇相關實驗，系統中包括的子實驗均有相應的課時，完成後即可獲得相關實驗課時。

礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心是城市地下空間工程專業、礦業工程礦山施工方向學生開展專業知識學習的重要實驗。該實驗利用先進的計算機仿真虛擬技術，在虛擬平台上完成室內較難完成的岩土三軸力學實驗、地下結構、地下工程施工等實驗內容。學生在計算機上通過該模擬岩土實驗、地下結構、地下施工技術等實驗過程，了解相關課程的基本知識要領，並且系統會根據每一次的學生的操作步驟對錯與否，以及使用的裝配時間對學生的實驗結果自動評分。

現實來源

礦業與地下工程虛擬仿真實驗中心是華北科技學院校級仿真實驗中心，中心於2019年申請立項批准，經過一年多的建設，截至2021年3月，已完成建設任務，開始正式上線運行。該實驗中心設在安全工程學院安科樓506室。

礦業與地下工程仿真實驗中心是為了適應該校城市地下空間工程與採礦工程的教學需要，滿足土質學與土力學、工程地質、地下工程施工、地下建築結構設計、礦井建設、岩石力學及其工程等課程的教學需求而建設，同時為了滿足華北科技學院應急轉型發展，同樣是城市地下空間應急安全需要，建成後的仿真中心將根據教學與科研對地下空間工程新的需求不斷完善。

礦業與地下工程虛擬仿真中心設立主任和副主任各1名，實驗中心秘書1名，建設團隊分別來自城市地下工程系和採礦工程系的相關教師。

實驗項目

該實驗平台共含有10個實驗項目，每個實驗的實驗課時見表1.

表1    礦業與地下工程虛擬仿真實驗 中心實驗項目表

相關課程可以根據需要選擇表1中的一個或多個項目開展實驗，完成實驗內容後，可以記錄完成相應的學時。

實驗目標

該實驗採用相關內容的的虛擬仿真，讓學生可以對岩土力學性能、岩土現場測試實驗、岩土施工工藝、地下空間結構等進行反覆實驗或認知，對實驗過程反覆訓練，實現對岩土工程相關知識的的清楚認知，掌握實驗或施工流程，為更好理解相關課程的原理提供支持與幫助。

實驗步驟

“土的室內剪下”實驗指南

操作步驟	操作圖示
1.【開始實驗】，點擊開始實驗按鈕進入實驗模式選擇頁。	步驟1
2.【模式選擇】，實驗共分為學習模式與考核模式。	步驟2
3.【學習模式】進入學習模式後，根據上方提示語與實驗工具高亮提示完成實驗步驟欄的步驟操作，點擊場景中高亮工具，工具自動完成實驗操作，直到下一步驟所需實驗工具高亮視為該步驟結束。	步驟3
4.【學習模式】→【完成實驗】，選擇回到首頁進行考核模式選擇。	步驟4
5.【考核模式】，無提示語與物體高亮提示，根據實驗步驟與學習模式學習步驟要求完成實驗。根據學習模式學習到的內容進行實驗，考核模式會根據你完成實驗所花費的時間，進行打分。	步驟5
6.【成績上傳】，考核模式實驗結束後，實驗分數自動上傳到平台。	-

“樁基靜載”實驗指南

操作步驟	操作圖示
1.【開始試驗】點擊開始實驗進入模式選擇頁。	步驟1
2.【模式選擇】實驗共分為學習模式與考核模式。	步驟2
3.【學習模式】根據上方提示語與左側步驟提示，選擇右側工具列中的工具，拖動到中間的“選擇裝備”上。點擊確定，觸發動畫。	步驟3
4.【學習模式】→【鑽孔灌注】實驗觸發後場景中會有步驟需點擊高亮提示才可進行下一步。	步驟4
5.【學習模式】→【樁基靜載】點擊確認進人樁基靜載搭建實驗。	步驟5
6.根據實驗中高亮提示，點擊高亮部位進行搭建。	步驟6
7.搭建完成後結束實驗。	步驟7
8.【考核模式】考核模式無提示語，根根據學習模式學習到的內容進行實驗，考核模式會根據完成實驗所花費的時間，進行打分。	步驟8
9.【成績上傳】考核模式實驗結束後，實驗分數自動上傳到平台。	-

“現場岩石剪下”實驗指南

操作步驟	操作圖示
1.【開始實驗】點擊開始實驗按鈕進入實驗模式選擇頁。	步驟1
2.【模式選擇】實驗共分為學習模式與考核模式。	步驟2
3.【學習模式】根據左下角提示，選擇實驗工具列中的工具模型，拖動到場景中對應的部位。	步驟3
4.【實驗裝置】點擊右上角實驗裝置按鈕，進入實驗裝置介紹也，按住滑鼠左鍵可旋轉模型，點擊到工具部位會提示該部位名稱。點擊返回按鈕重新回到進行中的實驗。	步驟4
5.【實驗提示】實驗過程中會彈出提示彈框，彈框內容為該步驟相關知識總結。	步驟5
6.【操作提示】點擊右上角操作提示，提示內容為計算機外設操控指南，點擊確認，繼續進行實驗。	步驟6
7.【實驗說明】點擊右上角實驗說明按鈕，彈出彈框，彈框內容為實驗背景，點擊關閉後，繼續進行實驗。	步驟7
8.【考核模式】考核模式無提示語，根根據學習模式學習到的內容進行實驗，考核模式會根據你完成實驗所花費的時間，進行打分。	步驟8
9.【成績上傳】考核模式實驗結束後，實驗分數自動上傳到平台。	-

實驗資源

相關實驗

資源名稱	資源介紹
樁基靜載實驗模擬	樁基靜載實驗是運用在工程上對樁基承載力檢測的一項技術。在確定單樁極限承載力方面，它是較為準確、可靠的檢驗方法。作為判定某種動載檢驗方法是否成熟，均以靜載實驗成果的對比誤差大小為依據，因此，每種地基基礎設計處理規範都把單樁靜載實驗列入首要位置。 為保證樁基靜載實驗的準確性與安全性，該實驗對實驗場地、操作人員、設備均有較高要求，如操作不規範、流程不清晰，則會有安全隱患，且測試結果準確性無法保證。該實驗採用樁基靜載測試系統的虛擬仿真，讓學生熟悉載入系統（反力裝置）的構造、測試原理和測試流程，理解樁的破壞模式，為更好地理解與掌握單樁的豎向抗壓承載力提供支持與幫助。
土的不固結不排水三軸剪下壓縮實驗UU	土的三軸壓縮實驗是測定土的抗剪強度的一種方法。三軸剪下實驗是試樣在三向應力狀態下，測定土的抗剪強度參數的一種剪下實驗方法。通常採用3~4個圓柱體試樣，分別在不同的恆定圍岩下，施加軸向壓力進行剪下，直至破壞，然後根據極限應力圓包絡線，求得土的抗剪強度參數。 土的三軸壓縮實驗是土樣處於三向應力狀態下，測定土的抗剪強度參數的一種實驗方法。土的不固結不排水三軸剪下壓縮實驗，簡稱UU實驗，是土樣在施加周圍壓力和隨後施加偏應力直至剪壞的整個實驗過程中都不允許排水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不可能消散，可以測得土體的總應力抗剪強度指標cu、φu。
土的固結不排水三軸剪下壓縮實驗CU	土的固結不排水三軸剪下壓縮實驗，簡稱CU實驗。首先使試樣在某一周圍壓力下充分排水，待固結穩定後關閉排水閥門，然後再施加偏應力，使試樣在不排水的條件下剪下破壞。由於不排水，試樣在剪下過程中沒有任何體積變形，可以測得土體的總應力抗剪強度指標ccu、φcu和有效應力抗剪強度指標c＇、φ＇。
土的固結排水三軸剪下壓縮實驗CD	三軸壓縮實驗是測定土抗剪強度的一種較為完善的方法。是測定土的應力-應變關係（壓縮性）和強度的一種常用的室內實驗方法。固結排水實驗，簡稱排水實驗：試樣在施加周圍壓力時允許排水固結，待固結穩定後，再在排水條件下施加豎向壓力至試件剪下破壞。該實驗要求操作人員對實驗設備有較高的熟悉程度，如操作不規範、流程不清晰，容易損毀實驗設備，且無法得到正確的實驗結果。該實驗採用土的三軸壓縮實驗系統的虛擬仿真，實現土的固結排水剪下實驗（CD），讓學生熟悉土的三軸壓縮實驗儀的構造，掌握土的固結排水剪下實驗（CD）的實驗原理與實驗流程，為更好地理解與掌握土的抗剪強度提供支持與幫助。
土的室內剪下實驗	土的破壞都是剪下破壞，土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對於另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪下的極限強度。土體的一部分對於另一部分移動時，便認為該點發生了剪下破壞。無粘性土的抗剪強度與法向應力成正比；粘性土的抗剪強度除和法向應力有關外，還決定於土的粘聚力。土的摩擦角φ、粘聚力c是土壓力、地基承載力和土坡穩定等強度計算必不可少的指標。
現場岩石剪下實驗	岩石抗剪強度是岩石力學中需要研究的較重要特徵之一，岩石的抗剪強度參數可以用凝聚力c和內摩擦角φ來表示。現場岩體剪下實驗主要是指岩體直剪實驗。岩體直剪實驗是對同一類型岩體的一組試體，在不同法向荷載下進行剪下，根據庫倫強度條件確實岩體本身的抗剪強度參數。
土壓平衡盾構施工模擬	在捷運區間施工中，採用盾構機掘進是首選。現代盾構機使用較多的是土壓平衡盾構機和土壓平衡盾構機，上述兩種方法僅開挖面的方法和排渣方法有所不同。土壓平衡盾構施工模擬是在虛擬平台上模擬土壓平衡盾構施工的全過程。
鑽爆法施工模擬	鑽爆法是使用較普遍的岩石隧道開挖方法。通常是在自由麵條件下的岩石爆破，其關鍵技術就是掏槽，其次是周邊孔的光面爆破。該仿真實驗在虛擬平台上完成了隧道爆破的整個程式，包括施工後的隧道支護等工序。
泥水平衡盾構施工模擬	泥水平衡式盾構是在機械式盾構的刀盤的後側，設定一道封閉隔板，隔板與刀盤間的空間定名為泥水倉。把水、粘土及其添加劑混合製成的泥水，經輸送管道壓入泥水倉，待泥水充滿整個泥水倉，並具有一定壓力，形成泥水壓力室。通過泥水的加壓作用和壓力保持機構，能夠維持開挖工作面的穩定。盾構推進時，旋轉刀盤切削下來的土砂經攪拌裝置攪拌後形成高濃度泥水，用流體輸送方式送到地面泥水分離系統，將碴土、水分離後重新送回泥水倉，這就是泥水加壓平衡式盾構法的主要特徵。因為是泥水壓力使掘削麵穩定平衡的，故得名泥水加壓平衡盾構，簡稱泥水盾構。 泥水平衡盾構施工模擬在虛擬平台上模擬泥水平衡盾構施工的全過程，並以中鐵隧道局承建的京瀋高鐵北京段地下地質條件隧道採用該施工方法的全過程模擬，以及施工後地面及其周圍建築物安全穩定情況。
捷運車站系統模擬	捷運車站是地下鐵路重要的人員進出設施，主要包括站廳層、站台層以及其他附屬設施。通過該系統可以真實模擬乘客從捷運車站的入站到出站的整個過程，包括車站結構、如何適應附屬設施以及安全防範措施。 捷運車站系統實驗是地下工程施工、城市地下空間設計與規劃等本科專業課的重要實驗。該實驗利用先進的計算機仿真虛擬技術，在虛擬平台上完成地下車站的各個組成部分。學生在計算機上通過該模擬實驗掌握地下車站系統的類型、功能、結構等。

教師簡介

朱建明，男，華北科技學院教授，碩士生導師，工學博士，華北科技學院城市地下空間系系主任，城市地下空間工程專業建設工作委員會委員。

趙啟峰，男，漢族，博士，華北科技學院教授副教授、碩士生導師、華北科技學院安全工程學院院長助理。

殷帥峰，男，華北科技學院教授，工學博士，碩士生導師。

李學彬，副教授，工學博士，華北科技學院城市地下空間工程專業教師，主要從地下工程支護與加固技術研究。

彭瑞，副教授，工學博士，華北科技學院城市地下空間工程專業教師。主要從事長大斷面巷道快速掘進的研究。

邱海濤，工學博士。主要講授隧道工程、岩石力學等課程，主要研究領域為礦山地應力測量，光纖光柵智慧型化監測與評價。

高林生，男，工學碩士，講師，主要從事衝擊地壓、井巷（隧道）工程方向的研究與教學工作。

韓亮，生於1985年，博士，中國國家註冊安全工程師，二級建造師，主要從事岩石破碎與工程爆破、煤岩動力災害監測與防治等方面的研究工作。

鄭贇，男，工學博士，講師，華北科技學院城市地下空間系專任教師，主要從事岩土工程、城市地下工程、井巷（隧）工程等方向的研究與教學工作。

王瓊，講師，工學博士，華北科技學院城市地下空間工程專業講師，主要從事大粒徑破碎岩石宏細觀力學特性的研究。

滑帥，講師，工學博士，從事地質災害防治方面的教學與科研工作。