透明的有机玻璃箱观察与理论计算结果进行对比

土体主动和被动破坏演示仪装置,试验装置的构造本模拟试验装置是用于演示挡土墙结构中土体在水平土压力作用下产生主动/被动的现象。该试验装置是由方形的有机玻璃箱、活动挡板、动力螺纹和操作手轮所组成，各部分的构造如下：（1）装置的主体为有机玻璃箱：通过活动挡板将槽体分割为两个部分，分别模拟挡土墙的内区与外区，内区高度为60cm、槽宽40cm，长70cm，用于土体填筑，活动挡板模拟刚性挡土墙，外区供活动挡板自由活动；内区按要求填筑土样，并间隔一定厚度铺有色薄层砂，起分层效果，有利于滑动面的观测，如图1所示。

（2）活动挡板的控制系统由动力螺纹和操作手轮组成，逆时针或顺时针摇动操作把手，活动挡板做向外或向里的移动，直至土体破坏。

（3）在主动或被动破坏过程中土体变形轨迹及滑动面形状可通过透明的有机玻璃箱清楚观察，主动破坏和被动破坏滑动面，*后可测量滑动面与水平面的倾角并与理论计算结果进行对比。

试验装置功能（1）主动破坏模式：逆时针摇动操作手轮，活动挡板预先作向玻璃箱内的运动，当活动挡板距有机玻璃箱内壁5cm时，该处作为主动破坏实验的起始位置。向有机玻璃箱中用漏斗自一定高度分层撒入大理石砂，并按一定高度铺设有色薄砂层。顺时针摇动操作手轮，活动挡板作背离土体的运动，土体产生对挡板的主动土压力，随主动土压力的发展，当土体达到极限平衡状态时，部分土体及有色薄砂层以一定角度滑向活动挡板，滑动面形成，土体产生主动破坏。此时，可以用量角器量出滑动破坏面与水平面的夹角，其角度为60°，根据郎肯主动土压力理论，该角度等于45+φ/2，可计算得其内摩擦角为30°。

（2）被动破坏模式：顺时针摇动操作手轮，活动挡板预先作向玻璃箱外的运动，当挡板距有机玻璃箱近端1.5cm时，为被动破坏实验的起始位置，如撒入待演示的土体和有色薄砂层。逆时针摇动操作手轮，活动挡板向填土方向运动，土体产生对挡板的被动土压力，随着被动土压力的发展，当土体达到极限状态时，部分土体及有色薄砂层隆起，滑动面形成，土体产生被动破坏。此时，可以用量角器量出滑动破坏面与水平面的夹角，其角度为29°，根据郎肯被动土压力理论，该角度等于45－φ/2，可计算得其内摩擦角为32°，与主动破坏模式得到的内摩擦角30°较为接近。

其余教学演示仪器研制的其余教学演示仪器还包括：（1）砂土剪切体积变形演示仪：该演示仪由平底橡皮球和两端开口的玻璃管组成。一个平底橡皮球内装满密砂和带颜色水的混合物，另一个平底橡皮球内装满松砂和带颜色水的混合物，平底橡皮球的上端口接玻璃管，并在接头处用胶密封，玻璃管内充带颜色的水至管高的1/4～1/3.用手分别挤压以上两个橡皮球即可非常直观地观察到砂土在密实状态和松散状态下受剪切时分别发生体积增大和体积减少的现象，激发学生的好奇心。

（2）饱和土体振动液化演示仪：在机玻璃箱中放入待演示的饱和松散砂土土样，饱和松散砂土土样上部中央处放置一模拟重块，有机玻璃箱的一侧面装有一组等间距布置的孔压指示管，每根孔压指示管的一端口装有透水石并插入待演示的饱和松散砂土土样中，有机玻璃箱的底面外的底座上装有电动往复振动机，电动往复振动机的输出轴上装有三角支架，三角支架与装在有机玻璃箱底面上的导向轨道连接，底座上端两侧装有导向轴承，导向轴承与导向轨道滑动连接。通过打开电源开关这一简单操作可观察到饱和砂土由于受到往复的振动荷载而产生的液化现象，使学生深入了解地震效应。

（3）土拱效应演示仪：在有机玻璃箱底部中心部位装有半圆柱形橡胶气袋，在半圆柱形橡胶气袋的外侧装有弹性橡皮膜，两者用螺栓固定在有机玻璃箱的底部；有机玻璃箱内从下至上依次相间填装黄色砂土和黑色砂土；半圆柱形橡胶气袋用管子与有机玻璃箱外的充气囊相连；充气囊管子上接有放气阀和前单向阀，充气囊上还接有后单向阀。

通过送气和放气的简单操作可非常直观地观察到土体中的土拱现象，通过这一现象，可以较为形象地理解土体中土颗粒间的相互作用，使学生更深入认识土拱效应及其工程应用。

（4）土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪：马里奥特瓶顶端接有单向排气阀，马里奥特瓶与马里奥特瓶副瓶底端连通，副瓶顶端接有单向进气阀，试样筒顶部一端设有排水管，底部设置滤水层，马里奥特瓶底端的导管一路经导管和止水阀与试样筒底端连通，另一路经止水夹与进水管林伟岸，等：土力学与基础工程教学演示仪器的研制和应用（a）破坏前（b）破坏后连通，马里奥特瓶和相连的副瓶装在动力提升装置上。将洗净的饱和土样盛于试样筒中，记下土样的高度L.关闭止水阀，打开止水夹，以一定水压通过导管将马里奥特瓶注满水，关闭止水夹。摇动手轮，使副瓶中的液面与刻度尺的零刻度相齐。打开止水阀，摇动手轮，使马里奥特瓶上升，直至土体发生流土或管涌破坏，通过刻度尺读出高差H，则临界水力（5）砂类土静态休止角测定仪：侧面设有刻度尺的底架的两端支架上装有螺杆，支架的一端装有竖杆，竖杆与有机玻璃槽成15°角的一端铰接，螺杆中装有螺纹滑块，螺纹滑块侧面有指针，斜撑杆的一端与螺纹滑块铰接，斜撑杆的另一端与有机玻璃槽的直角边铰接，支架另一端的螺杆上装有操作手轮。摇动操作手轮时，使斜撑杆的倾斜角度缓缓改变，进而使有机玻璃槽的倾斜角度逐渐改变，直至砂类土体上表面开始滑落。通过摇动操作手轮这一简单操作即可在刻度条上读出各种砂类土的静态休止角，而且还可以观察到土体表层滑落后所形成的动态休止角，使学生对土体的摩擦角有感性认识。

（6）基坑工程渗透破坏模型试验装置：该装置由模型槽、水位控制、水头测量、变形测量四个部分组成。它能够模拟基坑工程的渗流场、应力场和变形场，再现基坑工程的渗透破坏情况，克服了现有土体渗透破坏试验装置只能反映一维渗流的缺陷。通过调整填土性质，可以模拟管涌、流砂、突涌等典型基坑工程渗透破坏现象。通过调整挡板的插入深度和隔板开口情况，来模拟实际基坑工程围护结构插入深度以及围护结构存在裂缝或漏洞等因素引起渗透破坏。

以土体主动和被动破坏演示仪试验装置为例，介绍了教学演示仪器的研制与实践，这些教学演示仪器能将抽象的土力学概念和现象形象地再现出来，会激发学生的好奇心和学习兴趣，加深理解，同时增强他们动手实验能力。这些演示仪器还可以用于大学开放日展览和科普教材。本文中介绍的教学演示仪器均已申请了国家专利，受中华人民共和国国家知识产权局的保护。