土體主動和被動破壞演示儀裝置,試驗裝置的構造本模擬試驗裝置是用于演示擋土墻結構中土體在水平土壓力作用下產生主動/被動的現象。該試驗裝置是由方形的有機玻璃箱、活動擋板、動力螺紋和操作手輪所組成，各部分的構造如下：（1）裝置的主體為有機玻璃箱：通過活動擋板將槽體分割為兩個部分，分別模擬擋土墻的內區(qū)與外區(qū)，內區(qū)高度為60cm、槽寬40cm，長70cm，用于土體填筑，活動擋板模擬剛性擋土墻，外區(qū)供活動擋板自由活動；內區(qū)按要求填筑土樣，并間隔一定厚度鋪有色薄層砂，起分層效果，有利于滑動面的觀測，如圖1所示。

　?。?）活動擋板的控制系統(tǒng)由動力螺紋和操作手輪組成，逆時針或順時針搖動操作把手，活動擋板做向外或向里的移動，直至土體破壞。

　　（3）在主動或被動破壞過程中土體變形軌跡及滑動面形狀可通過透明的有機玻璃箱清楚觀察，主動破壞和被動破壞滑動面，zui后可測量滑動面與水平面的傾角并與理論計算結果進行對比。

　　試驗裝置功能（1）主動破壞模式：逆時針搖動操作手輪，活動擋板預先作向玻璃箱內的運動，當活動擋板距有機玻璃箱內壁5cm時，該處作為主動破壞實驗的起始位置。向有機玻璃箱中用漏斗自一定高度分層撒入大理石砂，并按一定高度鋪設有色薄砂層。順時針搖動操作手輪，活動擋板作背離土體的運動，土體產生對擋板的主動土壓力，隨主動土壓力的發(fā)展，當土體達到極限平衡狀態(tài)時，部分土體及有色薄砂層以一定角度滑向活動擋板，滑動面形成，土體產生主動破壞。此時，可以用量角器量出滑動破壞面與水平面的夾角，其角度為60°，根據郎肯主動土壓力理論，該角度等于45+φ/2，可計算得其內摩擦角為30°。

　?。?）被動破壞模式：順時針搖動操作手輪，活動擋板預先作向玻璃箱外的運動，當擋板距有機玻璃箱近端1.5cm時，為被動破壞實驗的起始位置，如撒入待演示的土體和有色薄砂層。逆時針搖動操作手輪，活動擋板向填土方向運動，土體產生對擋板的被動土壓力，隨著被動土壓力的發(fā)展，當土體達到極限狀態(tài)時，部分土體及有色薄砂層隆起，滑動面形成，土體產生被動破壞。此時，可以用量角器量出滑動破壞面與水平面的夾角，其角度為29°，根據郎肯被動土壓力理論，該角度等于45－φ/2，可計算得其內摩擦角為32°，與主動破壞模式得到的內摩擦角30°較為接近。

　　其余教學演示儀器研制的其余教學演示儀器還包括：（1）砂土剪切體積變形演示儀：該演示儀由平底橡皮球和兩端開口的玻璃管組成。一個平底橡皮球內裝滿密砂和帶顏色水的混合物，另一個平底橡皮球內裝滿松砂和帶顏色水的混合物，平底橡皮球的上端口接玻璃管，并在接頭處用膠密封，玻璃管內充帶顏色的水至管高的1/4～1/3.用手分別擠壓以上兩個橡皮球即可非常直觀地觀察到砂土在密實狀態(tài)和松散狀態(tài)下受剪切時分別發(fā)生體積增大和體積減少的現象，激發(fā)學生的好奇心。

　?。?）飽和土體振動液化演示儀：在機玻璃箱中放入待演示的飽和松散砂土土樣，飽和松散砂土土樣上部*處放置一模擬重塊，有機玻璃箱的一側面裝有一組等間距布置的孔壓指示管，每根孔壓指示管的一端口裝有透水石并插入待演示的飽和松散砂土土樣中，有機玻璃箱的底面外的底座上裝有電動往復振動機，電動往復振動機的輸出軸上裝有三角支架，三角支架與裝在有機玻璃箱底面上的導向軌道連接，底座上端兩側裝有導向軸承，導向軸承與導向軌道滑動連接。通過打開電源開關這一簡單操作可觀察到飽和砂土由于受到往復的振動荷載而產生的液化現象，使學生深入了解地震效應。

　?。?）土拱效應演示儀：在有機玻璃箱底部中心部位裝有半圓柱形橡膠氣袋，在半圓柱形橡膠氣袋的外側裝有彈性橡皮膜，兩者用螺栓固定在有機玻璃箱的底部；有機玻璃箱內從下至上依次相間填裝黃色砂土和黑色砂土；半圓柱形橡膠氣袋用管子與有機玻璃箱外的充氣囊相連；充氣囊管子上接有放氣閥和前單向閥，充氣囊上還接有后單向閥。

　　通過送氣和放氣的簡單操作可非常直觀地觀察到土體中的土拱現象，通過這一現象，可以較為形象地理解土體中土顆粒間的相互作用，使學生更深入認識土拱效應及其工程應用。

　　（4）土體滲透破壞現象演示及臨界水力梯度測定儀：馬里奧特瓶頂端接有單向排氣閥，馬里奧特瓶與馬里奧特瓶副瓶底端連通，副瓶頂端接有單向進氣閥，試樣筒頂部一端設有排水管，底部設置濾水層，馬里奧特瓶底端的導管一路經導管和止水閥與試樣筒底端連通，另一路經止水夾與進水管林偉岸，等：土力學與基礎工程教學演示儀器的研制和應用（a）破壞前（b）破壞后連通，馬里奧特瓶和相連的副瓶裝在動力提升裝置上。將洗凈的飽和土樣盛于試樣筒中，記下土樣的高度L.關閉止水閥，打開止水夾，以一定水壓通過導管將馬里奧特瓶注滿水，關閉止水夾。搖動手輪，使副瓶中的液面與刻度尺的零刻度相齊。打開止水閥，搖動手輪，使馬里奧特瓶上升，直至土體發(fā)生流土或管涌破壞，通過刻度尺讀出高差H，則臨界水力（5）砂類土靜態(tài)休止角測定儀：側面設有刻度尺的底架的兩端支架上裝有螺桿，支架的一端裝有豎桿，豎桿與有機玻璃槽成15°角的一端鉸接，螺桿中裝有螺紋滑塊，螺紋滑塊側面有指針，斜撐桿的一端與螺紋滑塊鉸接，斜撐桿的另一端與有機玻璃槽的直角邊鉸接，支架另一端的螺桿上裝有操作手輪。搖動操作手輪時，使斜撐桿的傾斜角度緩緩改變，進而使有機玻璃槽的傾斜角度逐漸改變，直至砂類土體上表面開始滑落。通過搖動操作手輪這一簡單操作即可在刻度條上讀出各種砂類土的靜態(tài)休止角，而且還可以觀察到土體表層滑落后所形成的動態(tài)休止角，使學生對土體的摩擦角有感性認識。

　?。?）基坑工程滲透破壞模型試驗裝置：該裝置由模型槽、水位控制、水頭測量、變形測量四個部分組成。它能夠模擬基坑工程的滲流場、應力場和變形場，再現基坑工程的滲透破壞情況，克服了現有土體滲透破壞試驗裝置只能反映一維滲流的缺陷。通過調整填土性質，可以模擬管涌、流砂、突涌等典型基坑工程滲透破壞現象。通過調整擋板的插入深度和隔板開口情況，來模擬實際基坑工程圍護結構插入深度以及圍護結構存在裂縫或漏洞等因素引起滲透破壞。

　　以土體主動和被動破壞演示儀試驗裝置為例，介紹了教學演示儀器的研制與實踐，這些教學演示儀器能將抽象的土力學概念和現象形象地再現出來，會激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，加深理解，同時增強他們動手實驗能力。這些演示儀器還可以用于大學開放日展覽和科普教材。本文中介紹的教學演示儀器均已申請了國家，受中華人民共和國*的保護。