土工合成材料包括土工格栅、土工格室、土工布、土工膜、土工防排水材料、土工网、土工防沙材料、土工保温材料及其相关土工复合材料等，在国际上被称为继钢材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”。在实际工程应用中，土工合成材料可以应用在多个方面，如软土地基加固、旧路堤加宽、堤坝边坡加筋和加筋挡土墙等，有提高路基、路堤承载力、降低路基厚度、河流边坡防护、隔离防水防渗、集水排水以及延长基层结构使用寿命等作用。
目前，土工合成材料在各种类型的岩土工程和大量的水利及堤防工程中都得到了应用。例如2020年春节期间，面对新冠疫情，从方案设计到建成交付仅用10天的武汉市火神山医院就采用了“两布一膜”（即两层无纺布和中间的一层土工膜）的方法（如图1），确保了医疗设施及周边环境安全，防止医疗、生活污水、废水等废弃液体对地下水的污染。
图1. 火神山医院铺设的土工布（左图白色区域）和土工膜（右图）
在土工合成材料的教学中，能够进行的室内试验只有样品测重、垂直渗透率测定、抗剪切实验、抗拉伸实验以及摩擦实验等，均为研究材料试样的基本物理力学特性的实验。而土工合成材料在使用方面的实验和练习，则由于场地、时间以及环境影响等多方面的限制无法进行室内试验，主要原因有：（1）场地要求高，以路堤加固为例，即使仅设置三组对比实验，实验场地总面积至少也需要近千平米（20m×50m）；（2）实验周期长，由于路堤加固涉及到土体的固结、沉降及稳定性问题，时间跨度最长可达一年以上，使得课程的理论学习与实验教学将无法同时进行，降低了授课质量；（3）经济成本高，除大面积的合成材料以外，实验中需要考虑的经济性支出还包括基层的处理成本、大型机械的租赁、人工费及养护成本等等，大大的增加了实验的费用预算；此外，土工合成材料的室外实验还容易受到环境的影响，如日晒、降雨等不易控制因素，容易使实验的误差增大，对实验结果造成较大影响。这些问题的存在，使得室内试验的开展受到诸多限制。
因此，本项目拟针对土工合成材料的虚拟仿真实验教学系统进行构建和研发，为学生提供交互式的虚拟仿真实验平台，除融合室内试验的理论基础和操作要求之外，还可以提供室内试验无法进行的合成材料的制作、铺设方法、铺设效果检测及时间跨度大的蠕变实验等重要内容，提高课程的教学质量和学生的操作能力。
据此，本项目选取三种典型的土工合成材料：土工布、土工格栅及土工膜，以及三类对应的工程实际应用：路基加筋，边坡防护，及水库、河流、垃圾填埋场、污水处理厂等，采用虚拟仿真方法对土工合成材料从加工、制作到铺设、检测的全过程进行仿真模拟，以解决实验场地要求高、实验周期长、原材料价格昂贵等限制因素的影响，为学生提供随时随地、可重复进行的虚拟仿真实验平台，切实提高学生的实践操作能力。
采用虚拟仿真模拟和计算机操作系统相结合，将实验场地要求高、实验周期长、经济成本高的室外土工合成材料的现场实验转化成三维可视化系统平台，实现了从合成材料的合成、检测到铺设、检查等全过程的仿真模拟，实现了土工合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕变及循环受载等实验的仿真模拟，实现了土工合成材料的铺设方法、焊接工艺等的模拟，提升了学生对理论知识的掌握程度和实际操作的技术能力。
图2. 实验原理
虚拟仿真实验设备：应变控制式直剪仪
将土工合成材料标准样品水平放置在实验仪器对应位置，施加垂直于材料的竖向荷载，系统自动生成材料的应力—应变曲线，进而得到材料的抗剪强度。
虚拟仿真实验设备：应变控制式拉力机、量测和记录装置
将土工合成材料标准样品水平放置在实验仪器对应位置，分别在横向和纵向施加水平荷载，系统自动生成应力—应变曲线，进而得到材料的抗拉伸强度。
虚拟仿真实验设备：应变控制式直剪仪
应用双曲线应力应变关系、曼辛准则和过应力粘塑性理论，对实验样品施加垂直于材料方向的循环荷载，生成应力—应变双曲线，进而得到材料在循环受载特性下的本构模型。
虚拟仿真实验设备：应变控制式拉力机、量测和记录装置
将土工合成材料标准样品水平放置在实验仪器对应位置，分别在横向和纵向施加单向水平固定荷载，施加荷载的大小约为抗拉强度的40%或60%，得到材料的应变曲线，进而得到材料蠕变特性引起抗拉强度折减的基本规律。
知识点数量：（7个）
- （1）土工合成材料的制作。选择适合不同实际工程的土工原材料，如聚酯、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯等，制作复合规范要求的土工合成材料；
- （2）土工合成材料的抗剪实验方法；
- （3）土工合成材料的抗拉伸实验方法；
- （4）土工合成材料的蠕变实验方法；
- （5）土工合成材料的循环受载实验方法；
- （6）土工合成材料的铺设。包括铺设方法、搭接方式、搭接参数设置以及焊接方式等；
- （7）土工合成材料铺设效果的检测标准。
家用或办公使用计算机，Windows7及以上版本操作系统，或macOS 10.9及以上版本操作系统；
IE浏览器8.0及以上版本，或Google Chrome, Firefox, Safari浏览器；
土工合成材料虚拟仿真教学平台。
教学方法：“一人一工程”的教学方法。每位学生面对的工程实际互不相同，所以需要针对自己的实际工程基本情况确定实验参数、材料尺寸及实施方案。
（1）使用目的
通过设置“一人一工程”的教学方法，激发了学生的求知欲、求解欲和主动探索精神，从而避免了同一实验重复做、相互之间简单复制的问题，能够让学生真正的掌握土工合成材料的适用范围和使用方法，具备独立解决工程实际问题的能力。
（2）实施过程
实施“一人一工程”的教学方法，给每位学生分配不同的工程实际，或工程类型不同，或工程尺寸不同，或工程要求标准不同，给学生增加实验难度，据此同学之间可以通过沟通、讨论的方式逐步完成自己的实验过程。掌握了实验过程中每一步的要求和目标，从而能够顺利完成实验。
（3）实施效果
经过“一人一工程”教学方法的试试，既提高了对理论知识的掌握程度，又能够使每一位同学都独立完成实验，从而达到了土工合成材料虚拟仿真实验的真正目的。
从实验理论知识、实验原理、实验报告等方面考察学生是否满足实验要求，达到实验目的，从而对学生进行评价。
- （1）熟练掌握土工合成材料及虚拟仿真等理论知识；
- （2）熟悉土工合成材料的各个测验实验的原理、技术要求；
- （3）能够顺利完成虚拟仿真实验的全流程，各步骤无遗漏、无差错；
- （4）能够独立、完整的完成并提交实验报告。
