[發明專利]一種多功能土中水運動效應教學演示裝置及試驗方法

有效

• 申請號: 201510416720.0
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105070176B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 杜文漢;沈揚;沈雪;尤延鋒;葛冬冬
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G09B25/00
• 分類號: G09B25/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種多功能土中水運動效應教學演示裝置及試驗方法。

背景技術

土中水運動的原因和形式是多方面的，常見土的膨脹特性、鹽堿地的形成以及流土和管涌現象都與土中水運動密切相關。

對于粘性土，若其具有較大吸水性，且具有吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性，將其稱之為膨脹土。在生產、生活過程中，當膨脹土的脹縮性達到一定程度，產生較大的膨脹壓力或是出現收縮裂縫時，就會危害建筑物的穩定與安全，造成較大的經濟損失。

鹽堿地的形成大都由于毛細現象，毛細現象被描述為浸潤液體在細管里升高的現象和不浸潤液體在細管里降低的現象。如果液體表面是彎曲的，它就有變平的趨勢。浸潤液體在毛細管中的液面是凹形的，它對下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當向上的拉力跟管內液柱所受的重力相等時，管內的液體停止上升，達到平衡。毛細水的上升是引起土的沼澤化和鹽漬化的因素之一。

流土是指在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動而流失的現象，這種破壞形式在粘性土和無粘性土中均可以發生。發生流土破壞的土體，粘性土土顆粒之間都是相互緊密結合的，而砂土孔隙填充較為密實，顆粒咬合較為緊密，相互之間具有較強的約束力，可以承受的水頭較大。但是，流土破壞是土體的整體破壞，流土裂隙會迅速延伸，搶險不及時或措施不得當，可能造成土體結構破壞，危害是巨大的。

管涌是指在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發生移動并被帶出的現象，主要發生在砂礫土中。管涌的發生表明土體內有一部分細顆粒沒有緊密接觸，甚至是處于自由狀態，粗顆粒無法制約細顆粒，所以抗滲強度低。當管涌型土發生管涌破壞，管涌通道貫通后，若水力梯度繼續增大，管涌型土也會發生流土破壞。

在課堂教學過程中，與水相關的土力學原理或概念比較抽象，教師僅憑概念的講解并不能很好將其詮釋，由于缺少相關演示性的教學試驗模型，學生在學習相關知識點時也不易掌握。

現有技術中，中國專利ZL200710071418.1公開了一種土體滲透破壞現象演示及臨界水力梯度測定儀，用于測定不同滲流破壞下的水力梯度，但其裝置系統比較大，儀器成本較高，且主要用于水力梯度的測定，不適合用于教學演示或課堂試驗，而且該裝置不能演示其他水運動效應對土體的影響，用于課堂教學演示試驗并不完善。

因此需要發明一種形式簡單、方便操作，能夠演示土的膨脹特性、鹽堿地形成過程、管涌或流土現象等多種土中水運動效應的教學演示裝置及試驗方法，用于更好的揭示土力學基本原理、土力學中與水相關的概念。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種多功能土中水運動效應教學演示裝置及試驗方法，更直觀形象的演示土的膨脹特性、鹽堿地的形成以及流土和管涌等土中水運動現象，從而幫助教師完成課堂教學內容，便于學生理解土力學基本原理；試驗方法簡單、靈活。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種多功能土中水運動效應教學演示裝置，其特征在于，包括模型試驗槽和恒流供水瓶，所述模型試驗槽自上而下順次設置有排水控制閥a、排水控制閥b、排水控制閥c，所述模型試驗槽內設置有距離模型試驗槽底部一定距離的鏤空隔板，所述模型試驗槽頂部設置有模型試驗槽頂蓋，所述模型試驗槽頂蓋上設置有壓力計，所述恒流供水瓶底部設置有升降架，所述恒流供水瓶設置有流速控制閥和氣壓控制閥；還包括用于對試驗土樣進行加熱的陶瓷加熱燈、測量試驗土樣溫度的溫度計、可與排水控制閥a相連的真空泵。

一種多功能土中水運動效應教學演示裝置的試驗方法，其特征在于：

（1）當演示土的膨脹特性試驗時：

將真空泵與模型試驗槽的排水控制閥a通過導管連接，關閉排水控制閥b、排水控制閥c，在模型試驗槽的鏤空隔板下部注水，鏤空隔板上部墊濾紙并承裝膨脹土，膨脹土試樣高度不超過上方排水控制閥a，在土體上方倒入一定量的水，保持液面高度不超過上方排水控制閥a，加蓋模型槽頂蓋保持模型槽密閉，將壓力計通過模型試驗槽頂蓋與模型試驗槽內空氣連接，打開排水控制閥a、真空泵開關對模型試驗槽內部抽氣；

（2）當演示鹽堿地形成試驗時：

將恒流供水瓶置于升降架上，通過升降架搖桿的旋轉控制恒流供水瓶水位高低，在試驗槽鏤空隔板下放置碎石墊層，鏤空隔板上部墊濾紙并承裝試驗土樣，關閉排水控制閥a，將陶瓷加熱燈置于土樣上端，將溫度計插入土體，將一定濃度的鹽水注入恒流供水瓶中，通過導管連接排水控制閥c與恒流供水瓶，保持升降架位置不變，打開排水控制閥c、排水控制閥b，開啟陶瓷加熱燈；