一种有效应力变化效应的演示装置的制作方法

本发明涉及一种有效应力变化效应的演示装置，属于土力学试验和岩土工程技术领域。

背景技术

有效应力原理是土力学区别于其他力学的一个重要原理，是土力学的核心基石。有效应力是联接土体强度、变形等可量测荷载效应与外荷载间的纽带或“桥梁”。但有效应力本身不能直接量测，较为抽象，使得有效应力原理的深入教学较为困难。有效应力原理可以通过可观测的有效应力变化效应来展现，但是可直观演示有效应力变化效应的装置还很缺失。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、操作简便、便于观察的有效应力变化效应的演示装置。

本发明采用的技术方案为：

一种有效应力变化效应的演示装置，包括实验箱、滤网、砂土、偏心桩、浅基础、隧道、导管，所述滤网布设于所述实验箱内的某一高度处，将其分隔成上部的第一隔间和下部的第二隔间，所述第一隔间内装填砂土，需要说明的是，所述滤网网格的尺寸小于砂土的平均粒径，以防砂土流失进入第二隔间，影响演示结果，所述偏心桩和所述隧道分别埋设在砂土中合适的深度，所述浅基础置于砂土浅层，所述滤网上还设置有一供导管通过的开孔，所述导管通过开孔一端延伸入第二隔间，另一端延伸出砂土顶部。

作为对上述技术方案的改进，为了更方便观察，所述实验箱为透明的，在所述实验箱内壁于埋设所述隧道的轴心位置处自实验箱底部至顶部垂直设置有一透明标尺。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述隧道埋设的位置紧贴所述透明标尺，以便在实验过程中能够更加精确地观察到所述隧道的位置变化。

作为对上述技术方案的改进，所述第二隔间内装填有砾石，此时，所述滤网可直接置于砾石层之上。

作为对上述技术方案的改进，在所述第二隔间靠近所述实验箱底部的一位置处设置有一出水口，方便在实验结束后排出所述实验箱内的水，在实验过程中，所述出水口为关闭状态。

作为对上述技术方案的改进，所述偏心桩的端部设置有一用于放置砝码的托盘，在将所述偏心桩垂直埋入砂土中时，可通过在所述托盘中添加或减少砝码来调节所述偏心桩的偏心矩。

作为对上述技术方案的改进，所述浅基础内部设置有用于容纳砝码的空间，可根据实际需要改变砝码的重量，以调整浅基础的基底压力。

作为对上述技术方案的改进，所述隧道为一端封闭另一端可开合的环形结构，其内部可以根据需要填入砂土以调整其质量，从而使隧道模型的平均重度与实际情况相似。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明通过展示有效应力变化对偏心桩、浅基础和隧道等的影响，直观地、有效地展示了有效应力变化效应，从而加强对有效应力原理的理解，同时对桩基础、浅基础和地下隧道工程加深认识。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例，一种有效应力变化效应的演示装置的前视图；

图2为上述实施例的俯视图；

图3为上述实施例沿图2中的a-a的剖面图。

附图标记说明：1、实验箱，1-1、透明标尺，1-2、固定套环，2、排水管，2-1、玻璃管，2-2、乳胶管，2-3、止水夹，3、砾石，4、滤网，5、砂土，6、托盘，6-1、砝码，7、偏心桩，8、浅基础，9、隧道，10、导管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为根据本发明的一个实施例的一种有效应力变化效应的演示装置的正视图，结合参照图3所示在正视图方向的剖视图，在本实施例中，选用的实验箱1的尺寸为长50cm、宽30cm、高40cm，所述实验箱1采用透明有机玻璃制成并进行围箍加固，本领域的技术人员可根据实际需要选用其它尺寸和材质的实验箱；在实施演示实验前，先在实验箱1前立面靠右侧自底部垂直粘贴透明标尺1-1，此处设置的透明标尺是优选的，为的是能够更加精确地观察到实验过程中的变化，但即使不设置透明标尺1-1本装置仍能够实现本发明的技术目的；所述滤网4平行铺设于所述实验箱1内的偏下部位置处，在图2所示的优选的实施例中，所述滤网4位于距离实验箱1的底面约5厘米的位置处，所述滤网4将所述实验箱1分为上部的第一隔间和下部的第二隔间，所述第一隔间内装填砂土5，所述滤网4可以采用任何本领域的技术人员熟知的方式固定于所述实验箱1内，例如通过粘贴，在更优选的实施例中，可以在第一隔间内铺设一层砾石3，所述砾石粒径不宜过大，铺设砾石3的高度优选为5厘米，然后将所述滤网4放置于砾石3上，最后在所述滤网4的上部的第二隔间内分层装填砂土5；在装填砂土5的过程中，将隧道9一面紧贴透明标尺1-1垂直于实验箱1的前立面放置，继续填入砂土5，并分层进行简单压实，所述隧道9可以采用一端可开合的透明环形玻璃管，其内部可以根据需要填入砂土以调整其质量，从而使得隧道模型的平均重度与实际情况相似；将偏心桩7垂直插入到砂土5中，对偏心桩7周边扰动的砂土5进行修补，在所述偏心桩7端部设置一托盘6，通过调整托盘6内砝码的质量改变其偏心矩；在砂土5顶部浅层处埋入浅基础8，在优选的实施例中，所述浅基础8内部设置有用于容纳砝码的空间，通过改变其内部空间内砝码的质量调整浅基础8的基底压力；设置一导管10，在所述滤网4上对应地设置有一供导管10通过的开孔，导管10通过所述开孔一端延伸入第二隔间，另一端延伸出砂土5顶部，通过外部水源向实验箱1内注入水，在优选的实施例中，通过固定套环1-2将导管10固定于实验箱1的后立面，在进一步优选的实施例中，所述导管的延伸出砂土5顶部的一端还设置有一漏斗，经漏斗向实验箱1内注入水，水位的上升由透明标尺1-1量测，可选地，所述导管和漏斗的组合可以直接替换为一长颈漏斗，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择；在优选的实施例中，在所述第二隔间靠近所述实验箱1底部的位置处设置有一出水口，在实验过程中，所述出水口为关闭状态，在其中一个实施例中，在实验过程中采用塞子封闭所述出水口，在另一个实施例中，所述出水口与玻璃管2-1一端胶结或机械连接，所述玻璃管2-1另一端套设乳胶管2-2，所述乳胶管附有止水夹2-3，在实验过程中通过所述止水夹2-3封闭所述出水口。

进行演示实验时，通过导管10向实验箱1内缓慢注入水，在水注满第二隔间后开始向第一隔间内的砂土渗透，观察偏心桩7、浅基础8、隧道9自身的位移变化及其周边土体的变形或破坏。由有效应力原理得知，水位上升将引起水位下土骨架有效应力的降低，进而引起偏心桩7和浅基础8承载能力的降低，可能观察到的现象包括原本平衡的偏心桩7向托盘一侧倾斜，砂土5顶部的浅基础8下沉，隧道9向上位移，隧道9的位移可参照标尺1-1的读数来确定。以上现象的明显程度，可以分别通过调节偏心桩7相对应的砝码质量、浅基础8相对应的内部砝码质量和隧道9内部的砂土质量来改善。

虽然本申请文件按照以上具体实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，以上每一个具体实施方式都不必然是独立的，本领域的普通技术人员可以独立实施，也可以进行适当的组合，形成本领域普通技术人员能够理解并实施的其它实施方式。

以上实施方式仅仅是示例性的而非限制性的，任何未脱离本发明精神所作出的等效的实施方式均应落在本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求书为准。