[发明专利]一种电磁加载式的固结排水演示装置及其演示方法

说明书

本发明公开了一种电磁加载式的固结排水演示装置及其演示方法，包括盛水容器、分层土体模拟机构、电磁加载机构、排水机构和测量机构，所述分层土体模拟机构安装在所述盛水容器内，用于模拟分层土体，所述电磁加载机构安装于所述分层土体模拟机构的上方，用于对分层土体模拟机构施加瞬时荷载，所述排水机构均匀分布于所述分层土体模拟机构上，所述测量机构安装在所述盛水容器的侧壁上，用于测量分层土体的超静孔隙水压力，通过本发明的演示方法能将土体固结过程中土体受瞬间载荷时、持续受压的固结状态及固结稳定分为三个阶段，以解决现有的演示装置无法施加瞬时荷载及无法直观揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化规律的不足的问题。

技术领域

本发明涉及土力学实验技术领域，具体涉及一种电磁加载式的固结排水演示装置及其演示方法。

背景技术

《土力学》是水利工程、土木工程等学科的一门专业基础课，其中饱和黏土渗流固结问题是土力学中非常重要的理论课题，在实际应用中也很有价值。如在工程中往往需要预测建筑物在施工期间地基或土的固结变形情况，即固结与时间的关系。这对控制工程施工进度以及采取相应的措施，保证施工质量具有非常重要的意义。

而有效应力原理是土力学的最基本原理，是土力学区别于其他力学的标志，而建立在有效应力原理基础上的黏性饱和土体渗透固结理论是分析土体的变形和强度的基础。饱和黏性土在荷载作用下，体积逐渐压缩，孔隙比逐渐减小，并且随时间变化的过程称为渗透固结，在此过程中孔隙水压力会逐渐转化为有效应力，土壤的变形只取决于有效应力，因为孔隙水压力对土颗粒间摩擦及土颗粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。

在自然界中，对饱和土来说是二相体系。外荷载作用后，土中应力被土骨架和土中的水共同承担，但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形，具有抗剪强度。然而，根据土的性质不同，渗透固结完成可能要持续几年、十几年甚至更长。即使是室内标准固结试验，每一级压力下样固结稳定一般也需要24小时以上。由于黏性土渗透性低，固结时间长，利用其自然固结的方法用于演示教学，在学时上几乎是不可能的。

为了阐明饱和黏土一维渗流固结过程，传统的教学方法通常是利用多媒体手段，通过演示各种繁琐的数学公式及借助太沙基一维渗压模型，来示意土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化关系。这种教学方式对刚接触饱和黏土渗流固结理论的学生来讲过于抽象，不易理解，导致教学效果不理想。为了能使同学们更好地理解和掌握饱和土体渗流固结知识，设计一种能够在课堂上进行演示的固结排水模拟装置，将固结过程中的土体所受的瞬间载荷、持续受压及固结稳定形象地展现出来是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁加载式的固结排水演示装置及其演示方法，能够演示土体固结过程中土体受瞬间载荷时、持续受压的固结状态及固结稳定等三个阶段，以解决现有的演示装置无法施加瞬时荷载及无法直观揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化规律的不足的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种电磁加载式的固结排水演示装置，包括盛水容器、分层土体模拟机构、电磁加载机构、排水机构和测量机构，

所述分层土体模拟机构安装在所述盛水容器内，用于模拟分层土体，所述电磁加载机构安装于所述分层土体模拟机构的上方，用于对分层土体模拟机构施加瞬时荷载，所述排水机构均匀分布于所述分层土体模拟机构上，所述测量机构安装在所述盛水容器的侧壁上，用于测量分层土体的超静孔隙水压力。

进一步地，所述分层土体模拟机构包括若干层活塞板、多个弹簧和限位杆，若干层所述活塞板在盛水容器内自底部向容器口均匀分布，所述活塞板上均开设有限位孔，所述限位杆的一端穿过所述限位孔与所述盛水容器的底壁固定连接，所述弹簧套设于所述限位杆上。