锚杆支护在公路边坡、坝体边坡、露天边坡等支护加固工程中广泛应用。在目前的教学及实验室试验中，很难能够使学生了解掌握锚杆（索）支护的施工流程、作用机理及在现场工程的实际作用效果。对于现场锚杆（索）支护而言，由于受边坡施工场地及时间的限制，锚杆（索）支护效果的隐蔽性及时间长，难以准确量化加固效果，很难满足学生在现场对锚杆（索）支护操作过程及效果的需求。

因此，本项目选取公路边坡、坝体边坡、露天边坡三种施工场景，以及对应的锚杆（索）支护施工方案，采取虚拟仿真的方法对锚杆（索）支护从加工、组装、钻孔、打锚杆、注浆力学作用机理、锚固效果等边坡支护全过程进行仿真模拟，以解决实验室实验难度大、施工现场条件复杂、锚杆（索）支护效果时间长及难以准确量化加固效果等限制因素的影响，为学生提供随时随地、可重复进行的虚拟仿真实验平台，切实提高学生对锚杆（索）边坡支护实践操作能力。

• （1）建立对锚杆（索）边坡支护三种真实感知施工场景。通过虚拟仿真展示锚杆（索）支护应用的三种边坡施工场景，学生可以对支护现场进行真实感知，根据自己的需要选择对应的场景进行操作。
• （2）掌握边坡支护系统的几何形态和锚杆（索）组成。通过对边坡锚杆支护系统三维仿真模拟，引导学生认知边坡组成形态和锚杆组成构件及组装过程。
• （3）掌握锚杆（索）边坡支护的作用原理。对锚杆（索）支护的力学作用原理进行交互学习，了解其在边坡加固过程中所起的作用效果。
• （4）熟悉锚杆（索）边坡支护设计原则。通过对锚杆（索）支护在边坡中的布置参数进行交互学习，对锚杆（索）边坡支护设计的原则及步骤进行熟悉。
• （5）掌握锚杆（索）边坡支护操作过程。通过锚杆支护模拟仿真操作，使学生掌握锚杆（索）边坡支护的具体操作全过程及注意事项。
• （6）深入了解锚杆（索）边坡加固效果。通过学生对虚拟仿真进行交互操作，选择不同的场景和锚杆（索）参数，输出相应锚杆（索）支护边坡效果图，深入了解锚杆（索）加固作用效果。
• （7）培养边坡支护现场施工组织、管理及应用能力。通过支护模拟训练，使学生对边坡锚杆（索）支护现场知识深入了解和掌握，提高其现场组织管理及应用能力。
•        锚杆（索）边坡支护虚拟仿真实验解决了本科生去边坡支护现场认知实习的繁琐环节和现场施工效果时间久难量化的限制，学生可以借助于计算机通过虚拟仿真实验了解锚杆（索）支护在边坡加固过程中的作用原理和所起的效果。

采用虚拟仿真模拟和计算机操作系统相结合，将实验现场要求高、实验时间把握不便、作用效果时间长、无法量化对比、经济成本高的室外锚杆（索）边坡支护现场实验转化为可视化的三维系统仿真平台，实现锚杆（索）的组装、锚杆（索）参数选取、边坡钻孔、锚固施工、参数对比、效果的操作过程，理解锚杆（索）加固力学机理，熟悉锚杆在边坡加固中的作用效果，提升学生对边坡锚杆（索）支护理论知识的掌握程度和现场实际操作的技术能力。

知识点：共_5_个

• （1）边坡几何形态组成和锚杆（索）组成及组装步骤；
• （2）锚杆（索）边坡支护的作用原理；
• （3）锚杆（索）边坡支护设计原则及步骤；
• （4）边坡锚杆（索）支护现场操作步骤。包括组装、钻孔、锚固、注浆等；
• （5）锚杆（索）边坡支护效果对比分析。

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7.0及以上版本，或Google Chrome, Firefox, Safari浏览器。

为了使学生深入锚杆（索）在边坡支护过程中的安装操作过程和锚固效果，本虚拟仿真项目针对公路边坡、大坝边坡、露天边坡三种施工场景分别采用螺纹锚杆、预应力锚杆、预应力锚索进行支护加固。

• （1）实验方法描述

  • 实验项目主要依据三维模拟仿真技术，对边坡锚杆（索）支护原理和现场施工操作等场景进行还原，通过构建锚杆（索）边坡支护加固现场模型，模拟边坡支护原则、边坡锚杆（索）选型、锚杆（索）结构、施工过程、锚杆加固原理及作用效果整个作业过程，引导学生在对锚杆（索）边坡支护加固方式、作用原理及效果了解的基础上，按照边坡支护设计原则和工艺参数，操作锚杆（索）支护作业，掌握边坡支护工艺流程和技术要点。

    本实验由综合测试、场景认知、设备学习、锚杆（索）支护施工工艺、作用原理及效果、实验考核6个部分组成。

    综合测试：通过综合测试使学生了解学生对基础知识掌握的程度。

    场景认知部分：主要了解边坡几何要点、锚杆（索）使用场景等基本施工情况。

    设备学习部分：通过对锚杆（索）材料及结构组成、钻探施工设备等支护设备的使用方法、拆装步骤、交互操作，学习边坡支护设备的才做方法。

    锚杆（索）支护施工工艺：在虚拟边坡支护三维工作现场，进行钻探施工、锚杆（索）加固施工、边坡现场设备安装等工艺，系统学习锚杆（索）支护知识和技术。

    作用原理及效果：通过虚拟动画展示锚杆在边坡加固过程中的受力作用原理，结合三维数值模拟变形、塑性、滑动面等变化结果，展示锚杆（索）作用效果。

    考核部分，系统出题对学生学习知识进行考核，并生成实验报告。

• （2）学生交互性操作步骤说明

  • 步骤1：启动仿真系统。在这一步，学生点击启动仿真系统，然后注册、登录系统。用户选择自己对应的身份并注册账号后，可输入账号和密码进行登录。

    步骤2：选择实验类型。在界面，包括仿真实验和综合知识测试两部分内容，学生需点击综合知识测试按钮对前期线下边坡锚杆（索）支护综合知识进行测试。然后可点击仿真实验按钮，进行仿真实验操作系统；

    步骤3：支护方式选择介绍。在该界面，针对公路边坡、大坝边坡和露天边坡三种不同的场景和对应的支护方式进行介绍，使学生了解不同支护方式因工程特点不同选择不同，为下一步场景认知的选择做准备。

    步骤4：选择仿真实验边坡锚杆（索）施工场景。在该界面，学生进入“场景类型”选择界面，包括公路边坡、大坝边坡、露天边坡三种场景，可以根据自己的需要选择自己需要的场景。在该步，学生可以对三种场景现场进行认知。

    步骤5：工作画面边坡要素组成及支护设备构成。在该界面，主要展示边坡的几何特性和锚杆结构的组成构件，供学生学习了解实验所需设备材料。边坡几何因素主要包括坡底、坡脚、坡面、坡角、坡顶；锚杆支护主要设备包括钻机、钻杆、锚杆、锚喷机、锚索、连接器、导向帽、千斤顶、锚具、注浆管、全站仪、钢钎、垫板和螺母等。

    步骤6：选择工程仿真参数设置。在该界面，学生可以点击“工程参数设置”，输入锚杆的设置参数，包括锚杆长度、直径、角度大小。

    步骤7：组装锚杆设备。在该界面，首先学生点击组装锚杆，然后选择两根锚杆和连接器，以达到设计长度，将导向帽连接到连接后的锚杆上。

    步骤8：钻孔定位。在该界面，学生首先选择全站仪和钢钎，进行作业孔定位。此时相应位置会出现红色标注标识。

    步骤9：钻孔施工。在上述界面基础上，选择钻机和钻杆按钮，设置钻孔深度参数后，将钻杆移动到上述红色标注标识位置进行钻孔施工。

    步骤10：放入锚杆（索）和注浆管。在上一步的基础上，在同一界面，点击放入锚杆和注浆管，将锚杆和注浆管插入钻孔中，进行锚杆施工操作。

    步骤11：锚固段注浆。在上一步基础上，在同一界面，点击锚固段注浆按钮，然后点击注浆机，将注浆管连接到注浆机上进行注浆，混凝土浆液会注入到钻杆和钻孔之间。

    步骤12：拔出注浆管。在上一步基础上，在同一界面，锚固段注浆完成后，点击拔出注浆管，注浆管被拔出。

    步骤13：预应力锚杆（索）拉伸。在上一步基础上，在同一界面，对于边坡而言，将千斤顶放在边坡上的锚杆相应位置，点击张拉锁定，完成锚杆（索）预应力张拉。

    步骤14：固定锚杆：点击固定锚杆，在坡面与锚杆接触位置安装垫板和螺母以起到固定作用。

    步骤15：喷射混凝土。对于上述边坡而言，需要在上述预定作业孔完毕后点击喷射混凝土操作，然后选择锚喷机在相应位置进行锚喷操作，进而完成整个锚杆（索）支护施工全过程。

    步骤16：锚杆（索）力学作用机理显示。在该界面，点击作用机理按钮，在边坡锚杆（索）加固位置会出现力学作用效果。

    步骤17：边坡锚杆（索）支护结果输出。在上述所有步骤完成后，点击结果输出按钮，可以进入下一步。

    步骤18：结果参数输出选择。在该界面，学生可以根据自己的需求选择想要的结果参数。主要包括应力结果、安全系数结果、位移结果、滑动面结果。

    步骤19：试验结果分析，生成实验报告。

    步骤20：实验结束，退出系统。

    

    图1 虚拟仿真实验实施流程

    

    图2 锚杆（索）施工流程

    

    图3 考核构成图

• （1）是否记录每步实验结果：是

• （2）实验结果与结论要求

  • [1]实验报告 [2]心得体会 [3]其他

• （3）其他描述：无

从实验理论知识、实验操作过程、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）熟练掌握边坡锚杆（索）支护虚拟仿真等理论知识；
• （2）熟悉边坡锚杆（索）支护实验的原理、技术要求；
• （3）能够顺利完成边坡锚杆（索）支护仿真验的全流程，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。

教学研究情况：

• （一）教学研究课题

  • 1. “中外合作办学升级版”视域下研究生教育国际化研究与实践，河南省高等教育教学改革研究与实践项目（研究生教育）重点项目，2019.09立项

  • 2. 以创新创业为导向的土建类本科专业导师制人才培养模式研究，河南省教育科学“十三五”规划课题，2020.08结项

  • 3. 基于卓越工程师计划的“建筑结构选型”课程改革，中国纺织工业协会教改项目，2015.05结项

  • 4. 中原工学院硕士学位授权点布局优化研究，中原工学院教育发展改革项目先导性研究课题，2018.12结项

  • 5. 以科研为导向的工程结构数值方法课程教学方法研究，中原工学院研究生教育教学改革研究项目，2018.12立项

• （二）教学研究论文

  • 1. 孙玉周, 常利武. 《工程结构数值方法》研究生课程的教学改革与实践[J]. 教育现代化

• （三）教学表彰/奖励

  • 1. 河南省高等教育教学成果奖（研究生教育）一等奖（第5），一流大学研究生课程体系构建及培养模式改革，2019.09

  • 2. 河南省教育研究优秀成果二等奖，理论力学授课中的命题式教学方法研究，2014.06

  • 3. 河南省双语教学示范课程，《Engineering Mechanics》，2013.01

  • 4. 中原工学院研究生教育优质课程，工程结构数值方法，2017.01

学术研究情况：

• （一）研究课题

  • 1. 河南省高等学校重点科研项目计划基础研究专项：基于高阶弹塑性连续理论的多尺度力学，2020.01-2022.12，30万

  • 2. 河南省科技创新杰出人才：基于高阶理论的多尺度方法及其在膨胀土研究中的应用，2016.01-2017.12，50万

  • 3. 国家自然科学基金面上项目：硅纳米材料的高阶本构模型及其在尺寸效应和表面效应研究中的应用（11472316），2015.01-2018.12，75万

  • 4. 教育部新世纪优秀人才支持计划：功能化碳纳米管改善水泥基复合材料力学性能的多尺度分析和机理研究（NCET-12-0700），2013.1-2015.12，50万

• （二）学术论文

  • 1. Sun YZ*, Hu YY, Li XM (2020) A Multiscale Model to Study the Mechanical Properties of the Graphene, Boron Nitride and Silicon Carbide Hexagonal Nanosheets. Current Mechanics and Advanced Materials, 1, 1-8.

  • 2. Yue JC*, Chang LW, Sun YZ* (2018) A Mesh-Free Method for Microplates with the Size Effect. Nanoscience and Nanotechnology Letters, 10(2): 252-258. (SCI)

  • 3. Sun YZ, Liew KM* (2017) Modeling of thermo-mechanical fracture behaviors based on cohesive segments formulation. Engineering Analysis with Boundary Elements, 77: 81-88. (SCI)

  • 4. Yue JC*, Chang LW, Sun YZ* (2017) A New and Efficient Boundary Element-Free method For 2-D Crack Problems. Mathematical Problems in Engineering, 2017: 1863714. (SCI)

  • 5. Wang LF*, He XQ, Sun YZ, Lie KM (2017) A Mesh-Free Vibration Analysis of Strain Gradient Nano-Beams. Engineering Analysis with Boundary Elements, 84: 231-236. (SCI)

• （三）学术奖励

  • 1. 河南省科技创新杰出人才(2015)

  • 2. 教育部新世纪优秀人才（2012）

  • 3. 河南省高校科技创新人才（2011)

  • 4. 河南省微纳米力学与工程应用创新型科技团队带头人（2016）

  • 5. 全国优秀力学教师（2013）

团队主要成员：

团队其他成员：