土力学实验的仿真软件研制

土力学课程是土木工程、桥隧工程等专业所必修的专业基础课程，主要研究土的物理性质及其在外部荷载作用下的力学行为，是一门实践性很强的课程[1]。将计算机仿真技术应用到土力学实验中，可以将土力学实验的过程和结果形象逼真地展示给学生。使用可视化技术和多媒体技术，可以把文字、图片、视频整合到一起，可以将土体试样受力与变形过程展现出来，直到试样破坏。张百红[2]利用Matlab软件的热分析功能模块进行土力学的非饱和土渗流计算，结果表明使用Matlab软件对平面渗流场的求解,具有简单易学的特点,可以用来计算较复杂的例题。王常明[3]用BorlandC++Builder可视化开发环境开发了土力学实验模拟程序，用3DMax软件和Authorware多媒体程序编著演示部分。肖昭然[4]用Authorware平台开发土力学三轴实验课件的方法，并介绍了课件的结构流程、设计理念以及理论基础，在此平台上，学生能够完成对三轴实验的计算机模拟操作。这些仿真软件的应用，不仅能方便学生在实验前进行模拟操作训练，而且能够调动学生的学习积极性，使学生更深刻地掌握土力学课程的基本原理。本文使用VB程序研制了土力学实验仿真软件，介绍了该仿真软件的功能特点。
1、软件的开发程序语言
计算机仿真实验是通过相应的模拟程序在计算机上来完成实验过程的。我们选用的开发程序为VB（VisualBasic的简称），这是Microsoft公司推出的一种可视化应用程序开发工具。VB采用可视化的开发图形用户界面的方法，使用者一般不需要编写大量程序源代码去描述界面的外观和位置，而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相应位置即可，使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立实用的应用程序。程序运行通过后，可以形成可执行文件，点击该文件就可以进入仿真软件的用户界面。完成后的土力学实验仿真程序界面如图1所示。
2、仿真软件的功能
2.1实验步骤及相关理论的查找功能
为使学生易于理解和使用，在仿真软件中介绍实验中试样的制作、施加荷载、观测的技术要领和详细过程。仿真软件中提供查找功能，学生可以在软件中方便的查阅与本实验相关的理论及相关的国家技术规范。比如在进行“直剪实验”时，可以在该软件上点击“步骤查询”这个按钮，这样就可以看到该实验步骤分为五步，分别为“(1)环刀切取试样；(2)试样放入盒中；(3)调整量力环百分表读数为零；(4)施加压力及水平力；(5)卸载取出损坏试样”。如果学生对某个步骤还要进一步了解，可以再点击所选的步骤，可以得到更加详细的解释。比如点击“试样放入盒中”，就可以看到详细描述如下“对准直剪仪上、下盒，插入固定销，使上、下盒固定，在试样上、下面各放一张不透水的塑料薄膜，将带土样的环刀平口向下，对准剪切盒口，用一透水石将试样徐徐推入盒内，移去环刀，最后装上加压盖板和钢珠。”
2.2实现土力学实验过程的可视化
土力学实验的目的在于如何准确测定土体的各种物理及力学参数，如压缩性指标、抗剪强度指标等。因此，在研制土力学实验仿真系统时，遵循土力学实验的课堂教学规律，努力通过仿真软件模拟过程来揭示土的力学行为，尽力使软件界面形象生动，并且便于使用者操作。以“直剪实验”为例，通过对土体试样施加水平力，使试样在直剪仪上下盒的交界处错开破坏。破坏前和破坏后的试样示意图如图2和图3所示。