本发明涉及一种多功能土体振动液化及桩基抗液化功能模拟装置，特别适用于土木工程领域中直观地展示土体振动液化及桩基抗液化功能的现象。
背景技术
土体中的总应力包括土的有效应力和孔隙应力，其中土颗粒间接触所传递的粒间应力为土的有效应力，是控制土的体积变形和强度变化的土中应力；土中孔隙传递的应力称为孔隙应力，或称孔隙压力，包括孔隙水压力和孔隙气压力。对于饱和土，孔隙中充满孔隙水，只存在孔隙水压力。即饱和土中任意点的总应力σ等于有效应力σ′加上孔隙水压力u，即：
σ＝σ′+u
土体特别是饱和松散砂土、粉土，在地震、交通荷载、爆炸、机器振动等振动荷载作用下，土中孔隙水压力逐渐累积，有效应力下降，当孔隙水压力累积至总应力时，有效应力降为零，土粒处于悬浮状态，表现出类似水的性质而完全丧失其剪切强度，这种现象称为土的振动液化。根据饱和土有效应力原理和无黏性土抗剪强度公式：
当有效应力为零时，没有黏聚力的饱和松散砂土就丧失了承载能力。土体液化后，承载力为零，常发生地表喷水冒砂、振陷、滑坡、上浮(储罐、管道等空腔埋置结构)、地基失稳等现象，最终导致建筑物或构筑物的破坏。地震常引起大面积甚至深层土体液化，常造成场地的整体性失稳，具有面积广、破坏性严重等特点，因此，土的振动液化问题已成为土木工程抗震设计中的重要内容之一。如1976年唐山大地震时，液化区喷水高度达8m，厂房沉降量达1m，很多房屋、桥梁和道路路面结构出现破坏。
桩基础是常用的地基处理方法之一，对于液化土层有一定的抗液化处理效果。对于存在液化土层的场地，桩基应穿过液化土层，使桩端位于非液化土层，这种桩基础可以减小土层液化对土体承载力的影响。
现有的对土体振动液化现象的演示技术，未考虑土体含水量的影响，只能演示饱和土体的液化现象，尚未有可以直观展示土体振动液化及桩基抗土体液化作用的装置，因此需要一种结果简单、操作简便、具有不同演示功能的土体振动液化及桩基抗液化作用的模拟装置，以便对土体液化机理及治理方法有深入理解。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是提供一种多功能土体振动液化及桩基抗液化功能模拟装置，可以对不同振动荷载下饱和与非饱和土体是否液化进行演示，以及在土体液化时，不同桩长的桩基在抗土体液化影响中的作用进行展示。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种多功能土体振动液化及桩基抗液化功能模拟装置，该装置包括沙箱模拟装置部分、可伸缩桩基模拟及控制装置部分、不同振动荷载加载装置部分和可移动式孔隙水增减装置部分，不同振动荷载加载装置与沙箱模拟装置通过振动转换弹簧相连接，可伸缩桩基模拟及控制装置安装在沙箱中的含水砂土上部，可移动式孔隙水增减装置通过水管与沙箱相连接。
进一步，所述的沙箱模拟装置部分，包括壁厚1cm的沙箱，沙箱上部的盖板及盖板下部的吊钩，沙箱中的含水砂土，模拟建筑物及其上部的吊环，以及吊钩与吊钩连接所用的尼龙绳。
进一步，所述的含水砂土放置在沙箱中，模拟建筑物底板放置在含水砂土上，模拟建筑物上部通过吊环与盖板上的吊钩采用尼龙绳相连接，在土体振动液化失去承载力时，以吊住模拟建筑物避免模拟建筑物完全陷入砂土中。
进一步，所述的可伸缩桩基模拟及控制装置部分，包括4根可伸缩桩基，位于可伸缩桩基内顶端的伸缩控制液压活塞，防水电缆，桩基伸缩控制器，桩基扶正环，不锈钢连杆，桩基倾斜显示装置和聚四氟乙烯止水环。
进一步，所述的4根可伸缩桩基采用2×2的方式埋设于含水砂土中，通过位于桩内部顶端的伸缩控制液压活塞的伸缩来控制可伸缩桩基的伸缩，伸缩控制液压活塞通过防水电缆与位于沙箱外部的桩基伸缩控制器相连接，通过桩基伸缩控制器来设置桩基的伸缩值。
进一步，所述的桩基扶正环套在可伸缩桩基外侧，桩基扶正环通过不锈钢连杆与桩基倾斜显示装置相连接，不锈钢连杆穿过沙箱外壁时采用聚四氟乙烯止水环防渗，桩基的倾斜状态通过桩基倾斜显示装置是否倾斜来判断，砂土振动液化后可伸缩桩基发生倾斜后，通过调整桩基倾斜显示装置的倾斜角度来调整可伸缩桩基的倾斜值。
进一步，所述的不同振动荷载加载装置部分，包括承载钢板，振动转换弹簧，长方体钢支座，电机固定装置，水平向振动激发装置，竖向振动激发装置，不锈钢连杆，带锁死装置的可转动方向控制器和竖向振动方向控制器。
进一步，所述的承载钢板采用四个振动转换弹簧与沙箱相连接，并采用四个长方体钢支座固定于平面上，水平向振动激发装置和竖向振动激发装置均通过电机固定装置安装于承载钢板下部，水平向振动激发装置采用不锈钢连杆与带锁死装置的可转动方向控制器相连接，带锁死装置的可转动方向控制器可在水平方向旋转90°，可以调整水平向振动方向前后或左右振动，水平向振动激发装置和竖向振动激发装置通过连接电缆与振动控制器相连接，振动控制器可输入拟加载振动荷载的频率与类型。
进一步，所述的可移动式孔隙水增减装置部分，包括可移动水箱、进水管、进水过滤装置，出水管，出水过滤装置，排水阀门和聚四氟乙烯止水环。
进一步，所述的可移动水箱通过内径15mm的进水管与出水管与沙箱相连，进水管与出水管均单独设置排水阀门，进水管采用聚四氟乙烯止水环与沙箱、可移动水箱相连接，在沙箱内部连接进水过滤装置，出水管在沙箱内部与出水过滤装置相连接，采用聚四氟乙烯止水环与沙箱、可移动水箱相连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
通过振动控制器可加载不同类型、不同频率的振动荷载，实现上下、左右、前后共六个方向的振动加载，全面模拟地震或交通荷载；通过调整孔隙水增减装置中可移动水箱的高度，打开或关闭出水管、进水管的阀门，改变含水砂土的饱和度，可演示在相同振动荷载作用下饱和土体与非饱和土体是否发生液化；通过调节可伸缩桩基的桩长，演示不同桩长的桩基在抗土体液化中的作用；通过调整桩基倾斜显示装置的倾斜角度，调节可伸缩桩基的倾斜角度，达到重复演示的目的，该装置具有多功能、易操作、可重复、展示直观的优点，减少了实验成本，提高了演示效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为a-a截面的侧视图；
图3为b-b截面的俯视图；
图4为c-c截面的剖面图。
图中有：沙箱盖板101、吊钩102、尼龙绳103、起吊环104、模拟建筑物105、沙箱106、可伸缩桩基201、含水砂土202、桩基倾斜显示装置203、伸缩控制液压活塞204、防水电缆205、桩基伸缩控制器206、桩基扶正环207、聚四氟乙烯止水环208、不锈钢连杆209、振动转换弹簧301(a)～301(b)、承载钢板302、长方体支座303(a)～303(d)、竖向振动方向控制器304、不锈钢连杆305(a)～305(b)、水平向振动激发装置306(a)、竖向振动激发装置306(b)、连接电缆307、振动控制器308、带锁死装置的可转动方向控制器309、电机固定装置310、可移动水箱401、孔隙水402、排水阀门403(a)～403(b)、出水管404、进水管405、聚四氟乙烯止水环406、出水过滤装置407、进水过滤装置408、聚四氟乙烯止水环409。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
如图1～图4所示，本发明的多功能土体振动液化及桩基抗液化功能模拟装置，该装置包括沙箱模拟装置部分(101～106)、可伸缩桩基模拟及控制装置部分(201～209)、不同振动荷载加载装置部分(301～310)和可移动式孔隙水增减装置部分(401～409)。沙箱106中放置一定深度的含水砂土202，其上为模拟建筑物105，沙箱盖板101下有吊钩102采用尼龙绳103与模拟建筑物105上的起吊环104相连接，以避免含水砂土液化失去承载力时，模拟建筑物105完全陷入土体中；可伸缩桩基201埋设于含水砂土202中，通过桩基伸缩控制器206控制可伸缩桩基的伸缩值，桩基扶正环207套在可伸缩桩基201上，采用不锈钢连杆209与桩基倾斜显示装置203相连接，通过调整桩基倾斜显示装置的倾斜角度可调整可伸缩桩基的倾斜状况；沙箱107通过振动转换弹簧301(a)～301(d)与承载钢板302相连接，水平向振动激发装置306(a)与竖向振动激发装置306(b)可分别产生水平向与竖向的振动荷载，其中水平向振动荷载通过带锁死装置的可转动方向控制器309转换后，可产生频率为5～30hz，振幅为0～8cm的左右或前后方向的振动，竖向振动激发装置306(b)可产生频率为5～30hz，振幅为0～5cm的竖向(上下)振动；通过调整可移动水箱401相对于含水砂土202的位置，通过开启或关闭排水阀门403(a)～403(b)、出水管404或进水管405，对含水砂土202中的孔隙水量进行调整，相应的就改变了含水砂土202的饱和度，即可对相同振动荷载作用下不同饱和度土体是否液化进行演示；在饱和土体液化时，可通过改变可伸缩桩基长度，对不同长度桩基在抗土体液化中的作用进行演示。
本发明可分别对不同振动荷载作用下、不同饱和度土体是否发生液化现象或在土体液化时不同桩长的桩基所产生的抗土体液化作用进行模拟，具体实施方式分别叙述如下。
实施方式一
对不同振动荷载作用下，不同饱和度的土体是否发生液化现象模拟时，步骤如下：
a.启动桩基伸缩控制器206，缩短可伸缩桩基201的桩长至最小值，调整桩基倾斜显示装置203的倾斜角度至0°(与竖直方向夹角)；
b.可移动水箱401中孔隙水402的液面放置在低于含水砂土202的位置上，开启排水阀门403(a)，含水砂土202中的水经出水过滤装置407、出水管404流入可移动水箱401中，含水砂土202饱和度减小，水体不再流出时，关闭排水阀门403(a)；
c.在振动控制器308中输入所要求的振动荷载类型，启动相应的振动荷载激发装置，可以观察到饱和度小的情况下，土体不发生液化现象；
d.升高可移动水箱401，使孔隙水402的液面超过含水砂土202的高度，开启排水阀门403(b)，孔隙水402经进水管404、进水过滤装置408流入含水砂土202中，土体饱和度增大，当含水砂土202液面升至预定位置(砂土饱和时的液面位置)后，关闭排水阀门403(b)，停止进水；
e.在振动控制器308中输入所要求的振动荷载类型，启动相应的振动荷载激发装置，可观察到饱和土体发生液化，土体承载力消失，模拟建筑物105会发生倾斜，桩基倾斜显示装置203发生相应倾斜。
实施方式二
对土体液化时，不同桩长的桩基所产生的抗土体液化作用进行模拟时，步骤如下：
a.启动桩基伸缩控制器206，缩短可伸缩桩基201的桩长至最小值，调整桩基倾斜显示装置203的倾斜角度至0°(与竖直方向夹角)；
b.升高可移动水箱401，使孔隙水402的液面超过含水砂土202的高度，开启排水阀门403(b)，孔隙水402经进水管404、进水过滤装置408流入含水砂土202中，土体饱和度增大，当含水砂土202液面升至预定位置(砂土饱和时的液面位置)后，关闭排水阀门403(b)，停止进水；
c.在振动控制器308中输入所要求的振动荷载类型，启动相应的振动荷载激发装置，可观察到饱和土体发生液化，土体承载力消失，模拟建筑物105会发生倾斜，桩基倾斜显示装置203发生相应倾斜，该现象说明桩长短的桩基在抗土体液化时，没有抗土体液化的作用；
d.调整桩基倾斜显示装置203的倾斜角度归零0°(与竖直方向夹角)，即可伸缩桩基202的方向调整为竖直向，启动桩基伸缩控制器206，伸长可伸缩桩基201的桩长至最大值；
e.在振动控制器308中输入所要求的振动荷载类型，启动相应的振动荷载激发装置，可观察到饱和土体发生液化，虽然土体承载力消失，但模拟建筑物105不会发生倾斜，桩基倾斜显示装置203也不会产生倾斜，该现象说明伸长的桩基起到了抗土体液化的作用。