一种多功能土中水运动效应教学演示装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种多功能土中水运动效应教学演示装置及试验方法，更直观形象的演示土的膨胀特性、盐碱地的形成以及流土和管涌等土中水运动现象，从而帮助教师完成课堂教学内容，便于学生理解土力学基本原理；试验方法简单、灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多功能土中水运动效应教学演示装置及试验方法。

背景技术

土中水运动的原因和形式是多方面的，常见土的膨胀特性、盐碱地的形成以及流土和管涌现象都与土中水运动密切相关。

对于粘性土，若其具有较大吸水性，且具有吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性，将其称之为膨胀土。在生产、生活过程中，当膨胀土的胀缩性达到一定程度，产生较大的膨胀压力或是出现收缩裂缝时，就会危害建筑物的稳定与安全，造成较大的经济损失。

盐碱地的形成大都由于毛细现象，毛细现象被描述为浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象。如果液体表面是弯曲的，它就有变平的趋势。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。毛细水的上升是引起土的沼泽化和盐渍化的因素之一。

流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象，这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。发生流土破坏的土体，粘性土土颗粒之间都是相互紧密结合的，而砂土孔隙填充较为密实，颗粒咬合较为紧密，相互之间具有较强的约束力，可以承受的水头较大。但是，流土破坏是土体的整体破坏，流土裂隙会迅速延伸，抢险不及时或措施不得当，可能造成土体结构破坏，危害是巨大的。

管涌是指在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象，主要发生在砂砾土中。管涌的发生表明土体内有一部分细颗粒没有紧密接触，甚至是处于自由状态，粗颗粒无法制约细颗粒，所以抗渗强度低。当管涌型土发生管涌破坏，管涌通道贯通后，若水力梯度继续增大，管涌型土也会发生流土破坏。

在课堂教学过程中，与水相关的土力学原理或概念比较抽象，教师仅凭概念的讲解并不能很好将其诠释，由于缺少相关演示性的教学试验模型，学生在学习相关知识点时也不易掌握。

现有技术中，中国专利ZL200710071418.1公开了一种土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，用于测定不同渗流破坏下的水力梯度，但其装置系统比较大，仪器成本较高，且主要用于水力梯度的测定，不适合用于教学演示或课堂试验，而且该装置不能演示其他水运动效应对土体的影响，用于课堂教学演示试验并不完善。

因此需要发明一种形式简单、方便操作，能够演示土的膨胀特性、盐碱地形成过程、管涌或流土现象等多种土中水运动效应的教学演示装置及试验方法，用于更好的揭示土力学基本原理、土力学中与水相关的概念。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种多功能土中水运动效应教学演示装置及试验方法，更直观形象的演示土的膨胀特性、盐碱地的形成以及流土和管涌等土中水运动现象，从而帮助教师完成课堂教学内容，便于学生理解土力学基本原理；试验方法简单、灵活。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种多功能土中水运动效应教学演示装置，其特征在于，包括模型试验槽和恒流供水瓶，所述模型试验槽自上而下顺次设置有排水控制阀a、排水控制阀b、排水控制阀c，所述模型试验槽内设置有距离模型试验槽底部一定距离的镂空隔板，所述模型试验槽顶部设置有模型试验槽顶盖，所述模型试验槽顶盖上设置有压力计，所述恒流供水瓶底部设置有升降架，所述恒流供水瓶设置有流速控制阀和气压控制阀；还包括用于对试验土样进行加热的陶瓷加热灯、测量试验土样温度的温度计、可与排水控制阀a相连的真空泵。

一种多功能土中水运动效应教学演示装置的试验方法，其特征在于：

（1）当演示土的膨胀特性试验时：

将真空泵与模型试验槽的排水控制阀a通过导管连接，关闭排水控制阀b、排水控制阀c，在模型试验槽的镂空隔板下部注水，镂空隔板上部垫滤纸并承装膨胀土，膨胀土试样高度不超过上方排水控制阀a，在土体上方倒入一定量的水，保持液面高度不超过上方排水控制阀a，加盖模型槽顶盖保持模型槽密闭，将压力计通过模型试验槽顶盖与模型试验槽内空气连接，打开排水控制阀a、真空泵开关对模型试验槽内部抽气；

（2）当演示盐碱地形成试验时：

将恒流供水瓶置于升降架上，通过升降架摇杆的旋转控制恒流供水瓶水位高低，在试验槽镂空隔板下放置碎石垫层，镂空隔板上部垫滤纸并承装试验土样，关闭排水控制阀a，将陶瓷加热灯置于土样上端，将温度计插入土体，将一定浓度的盐水注入恒流供水瓶中，通过导管连接排水控制阀c与恒流供水瓶，保持升降架位置不变，打开排水控制阀c、排水控制阀b，开启陶瓷加热灯；

（3）当演示管涌或流土现象时：

将恒流供水瓶置于升降架上，通过升降架摇杆的旋转控制恒流供水瓶水位高低，在试验槽镂空隔板下部注水，镂空隔板上部垫滤纸并承装试验土样，关闭排水控制阀b，将一定量的水注入恒流供水瓶中，通过导管连接排水控制阀c与恒流供水瓶，保持升降架位置不变，调节气压控制阀和流速控制阀控制流速不变，打开排水控制阀c、排水控制阀a。

本发明的有益效果是：

（1）教学演示装置简单实用，通过一套试验装置可以演示多种土中水运动对土体影响的土力学现象，包括土的膨胀特性演示试验，盐碱地形成演示试验，管涌或流土现象演示试验等。

（2）本教学演示装置可以直观的反应土体的变化过程，从一定程度上验证土力学的相关概念和原理，方便课堂教学，便于同学理解。

（3）通过摇杆控制升降架的高度，随时调节土中水运动的条件，调节简单灵活。

附图说明

图1是本发明土的膨胀特性演示装置示意图；

图2是本发明盐碱地形成试验演示装置示意图；

图3是本发明管涌或渗流现象试验演示装置示意图；

附图的标记含义如下：

1、模型试验槽；2、镂空隔板；3、排水控制阀a；4、排水控制阀b；5、排水控制阀c；6、模型试验槽顶盖；7、压力计；8、真空泵；9、陶瓷加热灯；10、温度计；11、升降架；12、升降架摇杆；13、恒流供水瓶；14、流速控制阀；15、气压控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种多功能土中水运动效应教学演示装置，包括模型试验槽1和恒流供水瓶13，所述模型试验槽1自上而下顺次设置有排水控制阀a3、排水控制阀b4、排水控制阀c5，所述模型试验槽1内设置有距离模型试验槽1底部一定距离的镂空隔板2，所述模型试验槽1顶部设置有模型试验槽顶盖6，所述模型试验槽顶盖6上设置有压力计7，所述恒流供水瓶13底部设置有升降架11，所述恒流供水瓶13设置有流速控制阀14和气压控制阀15；还包括用于对试验土样进行加热的陶瓷加热灯9、测量试验土样温度的温度计10、可与排水控制阀a3相连的真空泵8。

其中，在演示土的膨胀特性时，将真空泵8与模型试验槽的排水控制阀a3相连，并在模型试验槽顶盖安装压力计；而在模拟盐碱地形成过程时，将模型槽置于陶瓷加热灯下方，并将温度计插入土体。

优选，所述模型试验槽1与恒流供水瓶13均使用厚度为4～6cm的PVC材料制成。

其中，模型试验槽1的规格为：直径14～16cm，高18～20cm，镂空隔板2距离模型试验槽1底部4～6cm，模型试验槽顶盖6通过密封圈和胶带实现密闭；恒流供水瓶13的规格为：直径14～16cm，高18～20cm。

优选，排水控制阀a3、排水控制阀b4、排水控制阀c5、流速控制阀14的规格为：长2～3cm，直径8～10mm，均为铜质球阀。

优选，所述真空泵8为单级旋片TW-4A真空泵8，电动机为0.37kw，抽气速率为4L/s，抽气的极限真空度为758mmHg；陶瓷加热灯9为固体陶瓷元件，功率为100w，规格是：高12cm，直径7cm，持续加热可以保持土体表面温度在50°左右；升降架可以由购置的手摇式千斤顶改装，升降高度在12cm至30cm左右。

排水控制阀、流速控制阀、真空泵之间通过橡胶管道连接。

一种多功能土中水运动效应教学演示装置的试验方法，具体如下：

（1）当演示土的膨胀特性试验时，如图1所示：

将真空泵8与模型试验槽1的排水控制阀a3通过导管连接，关闭排水控制阀b4、排水控制阀c5，在模型试验槽1的镂空隔板2下部注水，镂空隔板2上部垫滤纸并承装膨胀土，膨胀土试样高度不超过上方排水控制阀a3，在土体上方倒入一定量的水，保持液面高度不超过上方排水控制阀a3，加盖模型槽顶盖保持模型槽密闭，将压力计7通过模型试验槽顶盖6与模型试验槽1内空气连接，打开排水控制阀a3、真空泵8开关对模型试验槽1内部抽气，观察气体溢出、液体下渗、土体拱起等试样膨胀现象。

（2）当演示盐碱地形成试验时，如图2所示：

将恒流供水瓶13置于升降架11上，通过升降架摇杆12的旋转控制恒流供水瓶13水位高低，在试验槽镂空隔板2下放置碎石垫层，镂空隔板2上部垫滤纸并承装试验土样，关闭排水控制阀a3，将陶瓷加热灯9置于土样上端，将温度计10插入土体，将一定浓度的盐水注入恒流供水瓶13中，通过导管连接排水控制阀c5与恒流供水瓶13，保持升降架11位置不变，打开排水控制阀c5、排水控制阀b4，开启陶瓷加热灯9，观察土体表面颜色的变化与盐分的析出等盐碱地形成现象。

（3）当演示管涌或流土现象时，如图3所示：

将恒流供水瓶13置于升降架11上，通过升降架摇杆12的旋转控制恒流供水瓶13水位高低，在试验槽镂空隔板2下部注水，镂空隔板2上部垫滤纸并承装试验土样，关闭排水控制阀b4，将一定量的水注入恒流供水瓶13中，通过导管连接排水控制阀c5与恒流供水瓶13，保持升降架11位置不变，调节气压控制阀15和流速控制阀14控制流速不变，打开排水控制阀c5、排水控制阀a3，观察土体颗粒错动或裂缝展开等管涌或流土现象。

本发明的有益效果是：

（1）教学演示装置简单实用，通过一套试验装置可以演示多种土中水运动对土体影响的土力学现象，包括土的膨胀特性演示试验，盐碱地形成演示试验，管涌或流土现象演示试验等。

（2）本教学演示装置可以直观的反应土体的变化过程，从一定程度上验证土力学的相关概念和原理，方便课堂教学，便于同学理解。

（3）通过摇杆控制升降架的高度，随时调节土中水运动的条件，调节简单灵活。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。