土體主動(dòng)和被動(dòng)破壞演示儀裝置,試驗(yàn)裝置的構(gòu)造本模擬試驗(yàn)裝置是用于演示擋土墻結(jié)構(gòu)中土體在水平土壓力作用下產(chǎn)生主動(dòng)/被動(dòng)的現(xiàn)象。該試驗(yàn)裝置是由方形的有機(jī)玻璃箱、活動(dòng)擋板、動(dòng)力螺紋和操作手輪所組成，各部分的構(gòu)造如下：（1）裝置的主體為有機(jī)玻璃箱：通過活動(dòng)擋板將槽體分割為兩個(gè)部分，分別模擬擋土墻的內(nèi)區(qū)與外區(qū)，內(nèi)區(qū)高度為60cm、槽寬40cm，長70cm，用于土體填筑，活動(dòng)擋板模擬剛性擋土墻，外區(qū)供活動(dòng)擋板自由活動(dòng)；內(nèi)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(dòng)面的觀測，如圖1所示。

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

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

　　試驗(yàn)裝置功能（1）主動(dòng)破壞模式：逆時(shí)針搖動(dòng)操作手輪，活動(dòng)擋板預(yù)先作向玻璃箱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)擋板距有機(jī)玻璃箱內(nèi)壁5cm時(shí)，該處作為主動(dòng)破壞實(shí)驗(yàn)的起始位置。向有機(jī)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(shè)有色薄砂層。順時(shí)針搖動(dòng)操作手輪，活動(dòng)擋板作背離土體的運(yùn)動(dòng)，土體產(chǎn)生對擋板的主動(dòng)土壓力，隨主動(dòng)土壓力的發(fā)展，當(dāng)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，部分土體及有色薄砂層以一定角度滑向活動(dòng)擋板，滑動(dòng)面形成，土體產(chǎn)生主動(dòng)破壞。此時(shí)，可以用量角器量出滑動(dòng)破壞面與水平面的夾角，其角度為60°，根據(jù)郎肯主動(dòng)土壓力理論，該角度等于45+φ/2，可計(jì)算得其內(nèi)摩擦角為30°。

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

　　其余教學(xué)演示儀器研制的其余教學(xué)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(gè)平底橡皮球內(nèi)裝滿密砂和帶顏色水的混合物，另一個(gè)平底橡皮球內(nèi)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(nèi)充帶顏色的水至管高的1/4～1/3.用手分別擠壓以上兩個(gè)橡皮球即可非常直觀地觀察到砂土在密實(shí)狀態(tài)和松散狀態(tài)下受剪切時(shí)分別發(fā)生體積增大和體積減少的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的好奇心。

　?。?）飽和土體振動(dòng)液化演示儀：在機(jī)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(jī)玻璃箱的一側(cè)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(jī)玻璃箱的底面外的底座上裝有電動(dòng)往復(fù)振動(dòng)機(jī)，電動(dòng)往復(fù)振動(dòng)機(jī)的輸出軸上裝有三角支架，三角支架與裝在有機(jī)玻璃箱底面上的導(dǎo)向軌道連接，底座上端兩側(cè)裝有導(dǎo)向軸承，導(dǎo)向軸承與導(dǎo)向軌道滑動(dòng)連接。通過打開電源開關(guān)這一簡單操作可觀察到飽和砂土由于受到往復(fù)的振動(dòng)荷載而產(chǎn)生的液化現(xiàn)象，使學(xué)生深入了解地震效應(yīng)。

　　（3）土拱效應(yīng)演示儀：在有機(jī)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(cè)裝有彈性橡皮膜，兩者用螺栓固定在有機(jī)玻璃箱的底部；有機(jī)玻璃箱內(nèi)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(jī)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(xiàn)象，通過這一現(xiàn)象，可以較為形象地理解土體中土顆粒間的相互作用，使學(xué)生更深入認(rèn)識(shí)土拱效應(yīng)及其工程應(yīng)用。

　　（4）土體滲透破壞現(xiàn)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(jìn)氣閥，試樣筒頂部一端設(shè)有排水管，底部設(shè)置濾水層，馬里奧特瓶底端的導(dǎo)管一路經(jīng)導(dǎo)管和止水閥與試樣筒底端連通，另一路經(jīng)止水夾與進(jìn)水管林偉岸，等：土力學(xué)與基礎(chǔ)工程教學(xué)演示儀器的研制和應(yīng)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(dòng)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(guān)閉止水閥，打開止水夾，以一定水壓通過導(dǎo)管將馬里奧特瓶注滿水，關(guān)閉止水夾。搖動(dòng)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(dòng)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(cè)面設(shè)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(jī)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(cè)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(jī)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(dòng)操作手輪時(shí)，使斜撐桿的傾斜角度緩緩改變，進(jìn)而使有機(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)休止角，使學(xué)生對土體的摩擦角有感性認(rèn)識(shí)。

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

　　以土體主動(dòng)和被動(dòng)破壞演示儀試驗(yàn)裝置為例，介紹了教學(xué)演示儀器的研制與實(shí)踐，這些教學(xué)演示儀器能將抽象的土力學(xué)概念和現(xiàn)象形象地再現(xiàn)出來，會(huì)激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，加深理解，同時(shí)增強(qiáng)他們動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。這些演示儀器還可以用于大學(xué)開放日展覽和科普教材。本文中介紹的教學(xué)演示儀器均已申請了國家，受中華人民共和國*的保護(hù)。