一种电磁加载式的固结排水演示装置及其演示方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

进一步地，所述排水机构为排水孔，所述排水孔有多个，多个所述排水孔均匀排布在所述活塞板上且位于所述限位孔的外缘。

进一步地，所述电磁加载机构包括磁吸部、托架和供电器，所述盛水容器的顶部安装有横板，所述磁吸部固设于所述横板的底部，所述托架上具有与所述磁吸部配合的磁吸配合部，所述磁吸部通过导线与所述供电器电联，所述磁吸部与所述供电器之间还设有电路开关，所述托架上布置有砝码。

进一步地，所述托架还包括连接杆和承托部，所述连接杆的一端与所述磁吸配合部连接，所述连接杆的另一端与所述承托部连接，所述砝码为c型开槽砝码，所述c型开槽砝码承托于所述承托部上。

进一步地，所述磁吸部为电磁铁。

进一步地，所述测量机构有多组，每组测量机构均包括测压管，每组测压管均固定安装在所述盛水容器的外壁，所述测压管的测量点设置在所述各层活塞板之间。

进一步地，所述盛水容器的底部安装有排水管，所述排水管上设有截止阀。

进一步地，所述盛水容器的顶部边壁开设有等腰梯形槽口。

一种电磁加载式的固结排水演示装置的演示方法，采用以上所述的装置进行演示，包括以下步骤：

s1、注水：关闭截止阀，向盛水容器内注水，使水位与顶层的活塞板齐平，托架与最上层活塞板处于微接触状态，闭合电路开关；

s2、施加瞬间载荷：断开电路开关，电磁铁和托盘的磁吸配合部之间瞬间失去吸力，托盘承托着砝码跌落在活塞板上给活塞板施加瞬间载荷，施压瞬间，活塞板不下降，测压管水位上升，测压管的读数代表超静孔隙水压力；

s3、固结过程：托盘对活塞板继续施加载荷，排水孔吸收容纳挤压水，活塞板下降，测压管中水位降低，弹簧受力，弹簧与水共同承担荷载，观察排水孔排水、弹簧压缩和各测压管水位的变化，直到弹簧和测压管无变化；

s4、固结稳定：观察到测压管水位降至初始位置，则超静孔隙水压力为零，荷载完全由弹簧来承担，表明固结达到稳定，演示结束打开截止阀通过排水管排尽盛水容器内的水。

本发明的有益效果是：

1)本发明的固结排水演示装置采用电磁控制，只需使用一块电磁铁配合简单的电路，通过电路开关的闭合控制托架与活塞板之间的接触：闭合电路开关时，先让电磁铁吸住托架，托盘底板与最上层活塞板微接触，处于不受力状态；断开电路开关的瞬间，承托着砝码的托盘瞬间脱离电磁铁，由于托盘底板与最上层活塞板微接触，它们间的距离极小，托盘自由落体到最上层活塞板所需的时间极短，因此使用电磁控制的方式实现了托盘对活塞板施加瞬间载荷，测压管能测到的加荷瞬时的超静孔隙水压力的数值就更接近真实值，相比现有技术的演示装置，本发明实现了外荷载一次瞬时施加的功能之外，完全符合太沙基一维渗压固结理论的假定条件，非常适合用于有效应力原理及渗透固结过程的教学演示，能形象直观地演示效应力原理和固结过程的三个阶段，能加深学生对固结理论的理解。

2)本发明的固结排水演示装置结构简单，操作方便，易于携带，可演示不同影响因素，如外荷载瞬时应力、弹簧劲度系数和活塞板排水孔孔径等，土体超静孔隙水压力随时间的变化过程。在教学环节中，学生可结合不同实验现象，更好地理解和掌握饱和土体渗流固结理论。

3)本发明的固结排水演示装置的活塞板和弹簧之间增设了限位杆，承托着砝码的托盘对活塞板施加载荷的过程中，限位杆能保证了弹簧和活塞板连接一体的稳定性，限制弹簧和活塞板受到一次瞬时外载荷作用时的左右方向上的位移，保证力始终作用在竖直方向上，实验装置满足稳定性要求，实验结果更准确；本发明在活塞板开设了多个均匀分布的排水孔，活塞板受压时相当于土体被压缩，压缩过程中土颗粒不会产生形变，分层土体中各层的孔隙水通过各层排水孔形成的排水通道被挤出，使得固结实验更接近真实环境。

附图说明

图1为本发明的电磁加载式的固结排水演示装置整体结构示意图；

图2为本发明一实施例的活塞板结构示意图；

图3为本发明一实施例的托架结构示意图；

图4为本发明一实施例的砝码结构示意图；

图5为本发明一实施例的盛水容器结构示意图；

图6为本发明固结过程中t＝0时刻的状态图；

图7为本发明固结过程中0<t<∞时刻的状态图；

图8为本发明固结过程中t＝∞时刻的状态图；

图中，1-盛水容器，101-横板，102-排水管，103-截止阀，2-分层土体模拟机构，201-活塞板，202-弹簧，203-限位杆，204-限位孔，3-电磁加载机构，301-磁吸部，302-托架，303-供电器，304-导线，305-电路开关，306-砝码，4-排水机构，401-排水孔，5-测量机构，501-测压管，6-磁吸配合部，7-连接杆，8-承托部。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：

请参照图1，一种电磁加载式的固结排水演示装置，包括盛水容器1、分层土体模拟机构2、电磁加载机构3、排水机构4和测量机构5，

所述分层土体模拟机构2安装在所述盛水容器1内，用于模拟分层土体，所述电磁加载机构3安装于所述分层土体模拟机构2的上方，用于对分层土体模拟机构2施加瞬时荷载，所述排水机构4均匀分布于所述分层土体模拟机构2上，所述测量机构5安装在所述盛水容器1的侧壁上，用于测量分层土体的超静孔隙水压力。

本发明的盛水容器1可采用高刚度钢化玻璃材料制成，盛水容器1装满水时模拟土体中的孔隙水，所述排水机构4能收集分层饱和土固结试验时土体中的孔隙水，所述盛水容器1的侧壁和底部均不透水，模拟侧限应力状态下一维渗流固结，所述电磁加载机构3能对对分层土体模拟机构2施加瞬时荷载。

请参照图1-2，所述分层土体模拟机构2包括若干层活塞板201、多个弹簧202和限位杆203，若干层所述活塞板201在盛水容器1内自底部向容器口均匀分布，所述活塞板201上均开设有限位孔204，所述限位杆203的一端穿过所述限位孔204与所述盛水容器1的底壁固定连接，所述弹簧202套设于所述限位杆203上。

本发明的活塞板201和弹簧202之间增设了限位杆203，电磁加载机构3对活塞板201施加载荷的过程中，限位杆203能保证了弹簧202和活塞板201连接一体的稳定性，限制弹簧202和活塞板201受到一次瞬时外载荷作用时的左右方向上的位移，保证力始终作用在竖直方向上，实验装置满足稳定性要求，实验结果更准确。

请参照图3，所述排水机构4为排水孔401，所述排水孔401有多个，多个所述排水孔401均匀排布在所述活塞板201上且位于所述限位孔204的外缘。

本发明的弹簧202模拟土骨架，活塞上的排水孔401用来模拟土体孔隙，通过设计排水孔401的疏密来模拟土体的孔隙比，在活塞板201受压过程中，活塞板201受压相当于土体被压缩，压缩过程中土颗粒不会产生形变，分层土体中各层的孔隙水通过各层排水孔401形成的排水通道被挤出，使得固结实验更接近真实环境。

请参照图1和3，所述电磁加载机构3包括磁吸部301、托架302和供电器303，所述盛水容器1的顶部安装有横板101，所述磁吸部301固设于所述横板101的底部，所述托架302上具有与所述磁吸部301配合的磁吸配合部6，所述磁吸部301通过导线304与所述供电器303电联，所述磁吸部301与所述供电器303之间还设有电路开关305，所述托架302上布置有砝码306。

优选地，所述磁吸部301为电磁铁，所述磁吸部301选择通电后能产生磁力的部件即可，所述托架302上的磁吸配合部6选择能与磁吸部301产生互相吸力的部件即可，优选为电磁铁。

请参照图3和图4，所述托架302还包括连接杆7和承托部8，所述连接杆7的一端与所述磁吸配合部6连接，所述连接杆7的另一端与所述承托部8连接，所述砝码306为c型开槽砝码306，所述c型开槽砝码306承托于所述承托部8上。

本发明的所述的砝码306为中间开槽的c型开槽砝码306，与承托部8形状相匹配，中间的槽口与连接杆7匹配，用于砝码306的定位。

请参照图1，所述测量机构5有多组，每组测量机构5均包括测压管501，每组测压管501均固定安装在所述盛水容器1的外壁，所述测压管501的测量点设置在所述各层活塞板201之间。

所述测压管501能实时测量土体固结过程中超静孔隙水压力。

请参照图1，所述盛水容器1的底部安装有排水管102，所述排水管102上设有截止阀103。

排水管102用于演示实验结束排尽盛水容器1内的注水，截止阀103能控制排水管102的通断。

所述的盛水容器1形状可以为圆柱体、长方体等形状，根据试验具体要求进行选择，本实施例的盛水容器1采用高刚度钢化玻璃材料制成的圆柱体结构。

优选地，所述盛水容器1的顶部边壁开设有等腰梯形槽口，盛水容器1的槽口设计，考虑了盛水容器1的承压能力，同时方便向托架302上放置c字开槽砝码306，实验结束后方便取出托架302盘；横板101的设计，既出于装置操作需求，又使操作者方便携带。

一种电磁加载式的固结排水演示装置的演示方法，采用以上所述的装置进行演示，包括以下步骤：

s1、注水：关闭截止阀103，向盛水容器1内注水，使水位与顶层的活塞板201齐平，托架302与最上层活塞板201处于微接触状态，闭合电路开关305；

具体过程是：向盛水容器1内注水，可以选择从盛水容器1顶部向容器内部注水，模拟土层中的孔隙水，直到水面与顶层活塞板201齐平为止，盛水容器1代表侧限状态，盛水容器1中的水代表孔隙水，活塞板201代表土体各土层面；电磁加载机构3在加载前，电路开关305处于闭合状态，电磁铁吸住托架302，通过盛水容器1的槽口向托架302承托部8上放置c型开槽砝码306，此时使得承托部8底板与最上层活塞板201微接触，活塞板201处于不受力状态。

s2、施加瞬间载荷：断开电路开关305，电磁铁和托盘的磁吸配合部6之间瞬间失去吸力，托盘承托着砝码306跌落在活塞板201上给活塞板201施加瞬间载荷，施压瞬间，活塞板201不下降，测压管501水位上升，测压管501的读数代表超静孔隙水压力；

如图6所示，时间t＝0时刻：附加应力σz＝外加荷载p，超静孔隙水压力u＝附加应力σz，有效应力σz′＝0；一般地，附加应力已知或易知。

具体地，电路开关305断开即相当于图6中t＝0时刻，电磁铁与托架302的磁吸配合部6之间瞬间失去吸力，托架302和c型开槽砝码306立刻脱离电磁铁，自由落体跌落到最上层活塞板201上，此时，附加应力σz＝外加荷载p，由于托盘底板与最上层活塞板201微接触，它们间的距离极小，托盘自由落体到最上层活塞板201所需的时间极短，因此使用电磁控制的方式便实现了托盘对活塞板201施加瞬间载荷，瞬间载荷产生的瞬间，由于盛水容器1中的水的体积没有被压缩，水没有排除，各层弹簧202-活塞也没有压缩，外部产生的瞬间荷载全部由水来承担，此时有效应力σz′＝0，此观察记录测压管501中的读数、弹簧202压缩和各测压管501水位的变化特征，测压管501中的读数即相当于土体中的超空隙水压力u的大小，此状态的超空隙水压力u与附加应力σz相等，通过电磁加载产生瞬间载荷，测压管501能测到的加荷瞬时的超静孔隙水压力的数值就更接近真实值，相比现有技术的演示装置，本发明实现了外荷载一次瞬时施加的功能之外，还完全符合太沙基一维渗压固结理论的假定条件。

s3、固结过程：托盘对活塞板201继续施加载荷，排水孔401吸收容纳挤压水，活塞板201下降，测压管501中水位降低，弹簧202受力，弹簧202与水共同承担荷载，观察排水孔401排水、弹簧202压缩和各测压管501水位的变化，直到弹簧202和测压管501无变化；

0<时间t<∞时刻：附加应力σz＝外加荷载p，超静孔隙水压力u<附加应力σz，有效应力σz′>0；

具体过程是，如图7所示，随着托盘对活塞板201继续施加载荷，弹簧202被压缩，说明弹簧202已产生有效应力σz′分担附加应力σz；活塞板201下降，弹簧202与水共同承担外部荷载，弹簧202由于压缩产生的反力平衡了一部分由砝码306产生的外加荷载，水分承担的荷载相应减少，测压管501的读数减少，说明超静孔隙水压力u逐渐减小，此时有效应力由0开始增大即σz′>0。

s4、固结稳定：观察到测压管501水位降至初始位置，则超静孔隙水压力为零，荷载完全由弹簧202来承担，表明固结达到稳定，演示结束打开截止阀103通过排水管102排尽盛水容器1内的水。

时间t＝∞时刻：附加应力σz＝外加荷载p，超静孔隙水压力u＝0，有效应力σz′＝附加应力σz；

具体过程是，如图8所示，当观察到装置中的测压管501水位恢复到初始高度不再变化时，即超空隙水压力全部消散完成时即超空隙水压力u＝0，弹簧202不再压缩，盛水容器1中的水不再被排水孔401吸收，此时有效应力达到最大值σz′＝附加应力σz，此时装置模拟的分层饱和土体完成了整个渗流固结过程。

以上演示过程验证了：饱和黏土由土骨架和孔隙水组成，土体受到外加荷载后，其变形是由于孔隙水压力减小，有效应力增大的结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。