[发明专利]一种地下工程地质灾害教学演示装置以及方法

说明书

技术领域

本发明涉及城市地下空间工程或地质工程教学及学科领域，尤其涉及一种应用于工程地质及隧道工程等课程教学使用的一种地下工程地质灾害教学演示装置以及方法。

背景技术

工程地质、隧道工程作为土木、城市地下空间工程、水利、地质工程等专业较为重要的基础及专业课程，在当今交通高速发展的时代背景下，在人才培养过程中扮演着越来越重要的角色。如何能借助可视化工具，更加有效地提高课堂效率，便于讲解工程地质及隧道工程等课程中的重点难点已经成为目前的一个重要课题。

地下工程开挖所诱发的突水突泥、岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷等各种因隧道开挖诱发的地下工程地质灾害是常见的地质灾害之一，直接影响着地铁、隧道、地下洞室等工程的建设。引起地下工程地质灾害的根本原因在于地下工程的开挖过程中，卸载引起岩土体的应力消失，上部岩土体丧失原有稳定性，在自身重力和初始应力作用下，岩土体开始发生变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷，岩溶区甚至发生突水突泥等现象。在课堂教学过程中，隧道开挖稳定作为重要的章节内容，在实际工程问题中也最为常见。但在教学过程中，由于缺少相关演示性实验模型，仅凭借理论的讲授并不能对地下工程地质灾害做出相对完整的展示，导致学生对相关内容及成因机制等掌握不够牢靠。

在本发明之前，中国专利CN 104751725 A公开了一种边坡滑坡教学演示装置及试验方法，用于演示阐明降雨入渗、边坡上部加荷、地震动荷载、上部水库蓄水等各种工况耦合条件下所引发的边坡滑坡，但其装置系统忽视了现场工况隧道开挖所引起的一系列工程地质灾害，在当下铁路隧道高速发展的时代，对隧道地下工程地质灾害的教学演示越来越有必要。

因此需要发明一种形式简单、操作方便，能够模拟地下工程开挖，地震动荷载等工况所引起的上部岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥的教学装置及试验方法，用于揭示地下工程开挖所引起的地质灾害形成机理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一众地下工程地质灾害教学演示装置以及方法，模拟地下工程开挖、水平地震动荷载、竖向地震动荷载等各种工况条件下所引起的突水突泥、岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷，系统全面演示了地下工程地质灾害的破坏机制。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种地下工程地质灾害教学演示装置，包括顶部设有敞口的钢板箱，所述钢板箱内设有模拟箱体，所述模拟箱体的底部设在所述钢板箱内；所述钢板箱与所述模拟箱体之间设有用于控制所述模拟箱体振动方向的振动控制装置；所述模拟箱体内填充有用于模拟未开挖基岩的基岩模拟填料；所述模拟箱体的侧壁上设有用于模拟隧道开挖的长条形凹槽，所述模拟箱体的侧壁上设有用于封堵所述长条形凹槽的槽口的玻璃板，所述长条形凹槽上方设有用于模拟地面沉降的沉降槽，所述沉降槽的底端与所述长条形凹槽连通，且所述沉降槽的底部与所述长条形凹槽之间设有钢丝网；所述长条形凹槽的上方设有用于模拟塌方的漏斗形凹槽，所述漏斗形凹槽的底部与所述长条形凹槽连通；所述长条形凹槽的上方设有用于模拟突水突泥的泥水槽以及用于将所述泥水槽与所述长条形凹槽连通的泥水运移通道，所述长条形凹槽内设有用于填充所述长条形凹槽的石膏块。

本发明的有益效果是：模型实用、操作简单，可视化程度强，在演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程。可实现地下工程开挖效应、水平地震效应、竖向地震效应等各种工况或多种工况耦合条件下的地下工程地质灾害试验演示。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述长条形凹槽的两端分别延伸出所述模拟箱体，且所述长条形凹槽的一端为模拟隧道入口的第一缺口，另一端为模拟隧道出口的第二缺口；所述沉降槽设在所述长条形凹槽靠近所述第一缺口的一端的上方，所述漏斗形凹槽设在所述长条形凹槽的长度方向的中部的上方；所述泥水槽和所述泥水运移通道设在所述长条形凹槽靠近所述第二缺口的一端的上方。

采用上述进一步方案的有益效果是：设置第一缺口和第二缺口，然后从长条形凹槽靠近第一缺口的上方至第二缺口的上方的方向依次设置沉降槽、漏斗形凹槽以及上下设置的泥水槽和泥水运移通道，在从第一缺口处依次向外抽取石膏块时，能依次在长条形凹槽位于沉降槽的下方处模拟地面沉降，在位于漏斗形凹槽的下方处模拟塌方，在位于泥水槽和泥水运移通道的下方处模拟突水突泥。