CN107884548A - 一种地下工程地质灾害教学演示装置以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下工程地质灾害教学演示装置以及方法，包括顶部设有敞口的钢板箱，所述钢板箱内设有模拟箱体；所述钢板箱与所述模拟箱体之间设有振动控制装置；所述模拟箱体内填充有基岩模拟填料；所述模拟箱体的侧壁上设有长条形凹槽，所述模拟箱体的侧壁上设有玻璃板，所述长条形凹槽上方设有沉降槽、漏斗形凹槽，泥水槽以及泥水运移通道，所述沉降槽的底部与所述长条形凹槽之间设有钢丝网；所述长条形凹槽内设有石膏块。本发明的有益效果是：在演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程。
Description
技术领域
本发明涉及城市地下空间工程或地质工程教学及学科领域，尤其涉及一种应用于工程地质及隧道工程等课程教学使用的一种地下工程地质灾害教学演示装置以及方法。
背景技术
工程地质、隧道工程作为土木、城市地下空间工程、水利、地质工程等专业较为重要的基础及专业课程，在当今交通高速发展的时代背景下，在人才培养过程中扮演着越来越重要的角色。如何能借助可视化工具，更加有效地提高课堂效率，便于讲解工程地质及隧道工程等课程中的重点难点已经成为目前的一个重要课题。
地下工程开挖所诱发的突水突泥、岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷等各种因隧道开挖诱发的地下工程地质灾害是常见的地质灾害之一，直接影响着地铁、隧道、地下洞室等工程的建设。引起地下工程地质灾害的根本原因在于地下工程的开挖过程中，卸载引起岩土体的应力消失，上部岩土体丧失原有稳定性，在自身重力和初始应力作用下，岩土体开始发生变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷，岩溶区甚至发生突水突泥等现象。在课堂教学过程中，隧道开挖稳定作为重要的章节内容，在实际工程问题中也最为常见。但在教学过程中，由于缺少相关演示性实验模型，仅凭借理论的讲授并不能对地下工程地质灾害做出相对完整的展示，导致学生对相关内容及成因机制等掌握不够牢靠。
在本发明之前，中国专利CN 104751725 A公开了一种边坡滑坡教学演示装置及试验方法，用于演示阐明降雨入渗、边坡上部加荷、地震动荷载、上部水库蓄水等各种工况耦合条件下所引发的边坡滑坡，但其装置系统忽视了现场工况隧道开挖所引起的一系列工程地质灾害，在当下铁路隧道高速发展的时代，对隧道地下工程地质灾害的教学演示越来越有必要。
因此需要发明一种形式简单、操作方便，能够模拟地下工程开挖，地震动荷载等工况所引起的上部岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥的教学装置及试验方法，用于揭示地下工程开挖所引起的地质灾害形成机理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一众地下工程地质灾害教学演示装置以及方法，模拟地下工程开挖、水平地震动荷载、竖向地震动荷载等各种工况条件下所引起的突水突泥、岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷，系统全面演示了地下工程地质灾害的破坏机制。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种地下工程地质灾害教学演示装置，包括顶部设有敞口的钢板箱，所述钢板箱内设有模拟箱体，所述模拟箱体的底部设在所述钢板箱内；所述钢板箱与所述模拟箱体之间设有用于控制所述模拟箱体振动方向的振动控制装置；所述模拟箱体内填充有用于模拟未开挖基岩的基岩模拟填料；所述模拟箱体的侧壁上设有用于模拟隧道开挖的长条形凹槽，所述模拟箱体的侧壁上设有用于封堵所述长条形凹槽的槽口的玻璃板，所述长条形凹槽上方设有用于模拟地面沉降的沉降槽，所述沉降槽的底端与所述长条形凹槽连通，且所述沉降槽的底部与所述长条形凹槽之间设有钢丝网；所述长条形凹槽的上方设有用于模拟塌方的漏斗形凹槽，所述漏斗形凹槽的底部与所述长条形凹槽连通；所述长条形凹槽的上方设有用于模拟突水突泥的泥水槽以及用于将所述泥水槽与所述长条形凹槽连通的泥水运移通道，所述长条形凹槽内设有用于填充所述长条形凹槽的石膏块。
本发明的有益效果是：模型实用、操作简单，可视化程度强，在演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程。可实现地下工程开挖效应、水平地震效应、竖向地震效应等各种工况或多种工况耦合条件下的地下工程地质灾害试验演示。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述长条形凹槽的两端分别延伸出所述模拟箱体，且所述长条形凹槽的一端为模拟隧道入口的第一缺口，另一端为模拟隧道出口的第二缺口；所述沉降槽设在所述长条形凹槽靠近所述第一缺口的一端的上方，所述漏斗形凹槽设在所述长条形凹槽的长度方向的中部的上方；所述泥水槽和所述泥水运移通道设在所述长条形凹槽靠近所述第二缺口的一端的上方。
采用上述进一步方案的有益效果是：设置第一缺口和第二缺口，然后从长条形凹槽靠近第一缺口的上方至第二缺口的上方的方向依次设置沉降槽、漏斗形凹槽以及上下设置的泥水槽和泥水运移通道，在从第一缺口处依次向外抽取石膏块时，能依次在长条形凹槽位于沉降槽的下方处模拟地面沉降，在位于漏斗形凹槽的下方处模拟塌方，在位于泥水槽和泥水运移通道的下方处模拟突水突泥。
进一步，所述石膏块朝向所述第一缺口的一端设有用于向外拖移所述石膏块的铁钩。
采用上述进一步方案的有益效果是：铁钩的设置方便向外抽取石膏块。
进一步，所述石膏块的数量为多个，多个所述石膏块上下叠放成两层结构，两层所述石膏块上下叠放在所述长条形凹槽内。
采用上述进一步方案的有益效果是：设置多个石膏块，多个石膏块堆叠成两层多列，依次从第一缺口处抽取石膏块，依次减少沉降槽下方的支撑、漏斗形凹槽下方的支撑以及泥水槽和泥水运移通道下方的支撑。
进一步，所述泥水运移通道内设有用于开启和关闭所述泥水运移通道的弹簧杠杆开关。
采用上述进一步方案的有益效果是：弹簧杠杆开关的设置能实现对泥水运移通道的开启和关闭。
进一步，所述弹簧杠杆开关包括挡片、压缩弹簧、杠杆、杠杆座以及连接杆，所述杠杆的中部通过杠杆座固定在所述模拟箱体的外壁上，所述杠杆的一端通过所述压缩弹簧与所述挡片固定连接，所述挡片设在所述泥水运移通道内，所述压缩弹簧靠近所述挡片的一端抵接所述模拟箱体的外壁；所述杠杆的另一端固定连接所述连接杆的一端，所述连接杆的另一端从所述第二缺口插入所述长条形凹槽内。
采用上述进一步方案的有益效果是：连接杆的一端从第二缺口插入到长条形凹槽内，可以实现通过石膏块对连接杆的支撑，通过杠杆原理，杠杆的另一端带动挡片插入到泥水运移通道内对泥水运移通道实现关闭，当石膏块移除时，在压缩弹簧的作用下，挡块移除泥水运移通道，实现泥水运移通道的开启。
进一步，所述振动控制装置包括竖向T型销栓、水平T型销栓、竖向钢质弹簧、水平钢质弹簧、工形安装座以及滚珠，所述竖向T型销栓设置在所述钢板箱的底部，所述竖向T型销栓的顶部设有多个钢珠；多个所述水平T型销栓分别水平设置在所述钢板箱的各个侧壁上，所述水平T型销栓朝向所述模拟箱体的一端的端面上设有多个钢珠；所述工形安装座设在所述模拟箱体的底部，位于所述模拟箱体的底面与所述钢板箱的内底面之间，所述工形安装座的底部安装有所述滚珠，所述工形安装座的顶部安装有弹簧顶盖，所述弹簧顶盖与所述工形安装座之间设有所述竖向钢质弹簧；多个所述水平钢质弹簧固定在所述钢板箱的各个内侧壁上，位于所述钢板箱的内侧壁与所述模拟箱体的外侧壁之间。
采用上述进一步方案的有益效果是：水平T型销栓实现对模拟箱体的水平方向的锁止，竖向T型销栓实现对模拟箱体竖直方向的锁止；当调节竖向T型销栓使得模拟箱体的底部置于弹簧顶盖上时，在竖向钢质弹簧的作用下可以实现模拟箱体的上下震动；当调节水平T型销栓使得水平T型销栓脱离模拟箱体的侧壁时，水平钢质弹簧抵接模拟箱体的侧壁，实现模拟箱体在水平方向的震动；当同时调节竖向T型销栓使得模拟箱体的底部置于弹簧顶盖上，并且调节水平T型销栓使得水平T型销栓脱离模拟箱体的侧壁，使得水平钢质弹簧抵接模拟箱体的侧壁，实现模拟箱体在水平方向上以及竖直方向上的震动。
进一步，所述钢板箱内部的底面上设有L形钢槽，所述竖向T型销栓安装在所述L形钢槽上。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过L形钢槽对竖向T型销栓进行安装，避免了在钢板箱的底部上钻孔。
进一步，所述长条形凹槽的顶部和底部设有若干光源，所述光源通过导电线电路连接用于控制所述光源开启和关闭的电开关。
采用上述进一步方案的有益效果是：光源的设置方便观察长条形凹槽内的情形。
进一步，所述光源采用LED灯。
采用上述进一步方案的有益效果是：光源采用LED灯，LED灯安装面积小，方便光源的安装。
进一步，所述光源的外表面上设有用于保护光源的钢化玻璃罩，对光源进行保护。
进一步，还包括电控振动台，所述钢板箱设在所述电控振动台上。
采用上述进一步方案的有益效果是：将钢板箱设置在电控振动台上，可以通过调和电控振动台的震动大小以及频率来演示不同地震强度下的情况。
一种地下工程地质灾害教学演示装置的演示方法，采用上述所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置进行地下工程地质灾害教学演示，包括以下步骤：
步骤一，调节振动控制装置，将所述模拟箱体锁紧在所述钢板箱内；
步骤二，打开用于封堵所述长条形凹槽的槽口的玻璃板，将多个石膏块分上下两层依次置于长条形凹槽内；关闭泥水运移通道，然后关闭玻璃板；
步骤三，在钢丝网上填筑处于可塑状态的粘土；
步骤四，先在所述漏斗形凹槽内填筑可塑状态的粘土，然后从下至上依次填筑含砾青砂、含砾红砂；
步骤五，向所述泥水槽内倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙的混合物；
步骤六，依次从长条形凹槽中拖出钢丝网下方的石膏块，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽内的粘土在重力的作用下与钢丝网一起往下发生沉降变形，打开光源，通过玻璃板观察变形过程；
步骤七，继续向外拖出石膏块，漏斗形凹槽内的粘土、含砾青砂、含砾红砂在重力的作用下往下坠落，模拟隧道塌方过程，通过玻璃板观察模拟隧道塌方形成过程；
步骤八，待塌方稳定后，打开模拟箱体的玻璃板，清除塌方体，清除完毕后，关闭玻璃板，在长条形凹槽中继续拖出石膏块；
步骤九，开启泥水运移通道，通过玻璃板观察模拟的突水突泥过程。
采用上述方案的有益效果是：本方法能方便演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程，演示工程地质学基本地质现象，揭示工程地质学中地下工程地质灾害形成机制，从而帮助教师完成日常教学任务。
一种地下工程地质灾害教学演示装置的演示方法，采用上述所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置进行地下工程地质灾害教学演示，包括以下步骤：
步骤一，向模拟箱体方向拧紧水平T型销栓，向上拧紧竖向T型销栓；
步骤二，打开用于封堵所述长条形凹槽的槽口的玻璃板，将多个石膏块分上下两层依次置于长条形凹槽内；关闭泥水运移通道，然后关闭玻璃板；
步骤三，在钢丝网上填筑处于可塑状态的粘土；
步骤四，先在所述漏斗形凹槽内填筑硬塑状态的粘土，然后从下至上依次填筑含砾青砂、含砾红砂；
步骤五，向所述泥水槽内倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙的混合物；
步骤六，依次从长条形凹槽中拖出钢丝网下方的石膏块，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽内的粘土在重力的作用下与钢丝网一起往下发生沉降变形，打开光源，通过玻璃板观察变形过程；
步骤七，继续向外拖出石膏块，由于漏斗形凹槽内填筑硬塑状态的粘土，漏斗形凹槽内的粘土、含砾青砂、含砾红砂不会出现下坠；
步骤八，继续拖出石膏块，直到保留最内侧的一列石膏块，确保泥水运移通道处于关闭状态；
步骤九，若模拟地震水平作用下模拟箱体动力响应时，松开水平T型销栓，使模拟箱体搁置于竖向T型销栓上，给模拟箱体施加水平动荷载，使模拟箱体沿着竖向T型销栓上的小钢珠来回做水平运动，使长条形凹槽内侧的石膏块发生水平运动，导致泥水运移通道开启，模拟地震诱发突水突泥；
若模拟地震垂直作用下模拟箱体动力响应时，松开竖向T型销栓，给模拟箱体施加竖向动荷载，使模拟箱体沿着水平T型销栓上的小钢珠来回做竖向运动，观察沉降槽内的粘土的进一步变形情况、漏斗地面塌陷及隧道塌方；
若模拟地震水平及垂直同时作用下模拟箱体动力响应时，松开水平T型销栓以及竖向T型销栓，给模拟箱体同时施加水平及竖向动荷载，使模拟箱体同时作水平和竖向运动，观察模拟地震诱发突水突泥、地面沉降、塌方等地下工程地质灾害。
采用上述方案的有益效果是：本方法能方便演示地下工程地震诱发的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程，演示工程地质学基本地质现象，揭示工程地质学中地下工程地质灾害形成机制，从而帮助教师完成日常教学任务。
附图说明
图1本发明的俯视图；
图2本发明的主视图，附图中未画出铁钩；
图3本发明的左视图；
图4本发明的右视图；
图5本发明图2中的的A-A剖面图；
图6本发明图2中的的B-B剖面图；
图7本发明模拟箱体的三维结构示意图，附图中基岩模拟填料未画出。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、模拟箱体，2、钢板箱，3、长条形凹槽，4、玻璃板，5、漏斗形凹槽，6、水平T型销栓，7、电开关，8、泥水槽，9、泥水运移通道，10、沉降槽，11、钢丝网，12、基岩模拟填料，13、石膏块，14、竖向钢质弹簧，15、钢珠，16、光源，17、L形钢槽，18、竖向T型销栓，19、挡片，20、压缩弹簧，21杠杆，22、连接杆，23、工形安装座，24、滚珠，25、导电线，26、粘土，27、含砾青砂，28含砾红砂，29、水平钢质弹簧，30、杠杆座，31、弹簧顶盖，32、第一缺口，33、第二缺口，34、铁钩。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图7所示，本发明包括顶部设有敞口的钢板箱2，所述钢板箱2内设有模拟箱体1，所述模拟箱体1的底部设在所述钢板箱2内；所述钢板箱2与所述模拟箱体1之间设有用于控制所述模拟箱体1振动方向的振动控制装置；所述模拟箱体1内填充有用于模拟未开挖基岩的基岩模拟填料12；所述模拟箱体1的侧壁上设有用于模拟隧道开挖的长条形凹槽3，所述模拟箱体1的侧壁上设有用于封堵所述长条形凹槽3的槽口的玻璃板4，在本发明的实施例中，为了方便玻璃板4的固定以及方便玻璃板4的开启和关闭，所述玻璃板4的顶部通过铰链活动连接在所述模拟箱体1的侧壁、所述长条形凹槽3的槽口的顶部，从而实现玻璃板4的翻转开启和关闭，所述长条形凹槽3上方设有用于模拟地面沉降的沉降槽10，所述沉降槽10的底端与所述长条形凹槽3连通，且所述沉降槽10的底部与所述长条形凹槽3之间设有钢丝网11；所述长条形凹槽3的上方设有用于模拟塌方的漏斗形凹槽5，所述漏斗形凹槽5的底部与所述长条形凹槽3连通；所述长条形凹槽3的上方设有用于模拟突水突泥的泥水槽8以及用于将所述泥水槽8与所述长条形凹槽3连通的泥水运移通道9，所述长条形凹槽3内设有用于填充所述长条形凹槽3的石膏块13。
如图2、图5、图6所示，在本发明的实施例中，所述长条形凹槽3的两端分别延伸出所述模拟箱体1，即所述长条形凹槽3的两端分别延伸至所述模拟箱体1相对的两端面上，且所述长条形凹槽3的一端为模拟隧道入口的第一缺口32，另一端为模拟隧道出口的第二缺口33，所述第一缺口32和所述第二缺口33均与所述长条形凹槽3实现连通；所述沉降槽10设在所述长条形凹槽3靠近所述第一缺口32的一端的上方，所述漏斗形凹槽5设在所述长条形凹槽3的长度方向的中部的上方；所述泥水槽8和所述泥水运移通道9设在所述长条形凹槽3靠近所述第二缺口33的一端的上方。采用上述技术方案，设置第一缺口32和第二缺口33，然后从长条形凹槽3靠近第一缺口32的上方至第二缺口33的上方的方向依次设置沉降槽10、漏斗形凹槽5以及上下设置的泥水槽8和泥水运移通道9，在从第一缺口32处依次向外抽取石膏块13时，能依次在长条形凹槽3位于沉降槽10的下方处模拟地面沉降，在位于漏斗形凹槽5的下方处模拟塌方，在位于泥水槽8和泥水运移通道9的下方处模拟突水突泥。
如图2所示，本发明优选的实施例为：所述石膏块13朝向所述第一缺口32的一端设有用于向外拖移所述石膏块13的铁钩34。所述石膏块13的数量为多个，多个所述石膏块13上下叠放成两层结构，两层所述石膏块13上下叠放在所述长条形凹槽3内。铁钩34的设置方便向外抽取石膏块13，设置多个石膏块13，多个石膏块13堆叠成两层多列，依次从第一缺口32处抽取石膏块13，依次减少沉降槽10下方的支撑、漏斗形凹槽5下方的支撑以及泥水槽8和泥水运移通道9下方的支撑。
如图2所示，优选的，所述泥水运移通道9内设有用于开启和关闭所述泥水运移通道9的弹簧杠杆21开关。所述弹簧杠杆21开关包括挡片19、压缩弹簧20、杠杆21、杠杆座30以及连接杆22，所述杠杆21的中部通过杠杆座30固定在所述模拟箱体1的外壁上，所述杠杆21的一端通过所述压缩弹簧20与所述挡片19固定连接，所述挡片19设在所述泥水运移通道9内，所述压缩弹簧20靠近所述挡片19的一端抵接所述模拟箱体1的外壁；所述杠杆21的另一端固定连接所述连接杆22的一端，所述连接杆22的另一端从所述第二缺口33插入所述长条形凹槽3内。连接杆22的一端从第二缺口33插入到长条形凹槽3内，可以实现通过石膏块13对连接杆22的支撑，通过杠杆21原理，杠杆21的另一端带动挡片19插入到泥水运移通道9内对泥水运移通道9实现关闭，当石膏块13移除时，在压缩弹簧20的作用下，挡块移除泥水运移通道9，实现泥水运移通道9的开启。
如图2至图6所示，优选的实施例为：所述振动控制装置包括竖向T型销栓18、水平T型销栓6、竖向钢质弹簧14、水平钢质弹簧29、工形安装座23以及滚珠24，所述竖向T型销栓18设置在所述钢板箱2的底部，所述竖向T型销栓18的顶部设有多个钢珠15；多个所述水平T型销栓6分别水平设置在所述钢板箱2的各个侧壁上，所述水平T型销栓6朝向所述模拟箱体1的一端的端面上设有多个钢珠15；所述工形安装座23设在所述模拟箱体1的底部，位于所述模拟箱体1的底面与所述钢板箱2的内底面之间，所述工形安装座23的底部安装有所述滚珠24，所述工形安装座23的顶部安装有弹簧顶盖31，所述弹簧顶盖31与所述工形安装座23之间设有所述竖向钢质弹簧14；多个所述水平钢质弹簧29固定在所述钢板箱2的各个内侧壁上，位于所述钢板箱2的内侧壁与所述模拟箱体1的外侧壁之间。水平T型销栓6实现对模拟箱体1的水平方向的锁止，竖向T型销栓18实现对模拟箱体1竖直方向的锁止；当调节竖向T型销栓18使得模拟箱体1的底部置于弹簧顶盖31上时，在竖向钢质弹簧14的作用下可以实现模拟箱体1的上下震动；当调节水平T型销栓6使得水平T型销栓6脱离模拟箱体1的侧壁时，水平钢质弹簧29抵接模拟箱体1的侧壁，实现模拟箱体1在水平方向的震动；当同时调节竖向T型销栓18使得模拟箱体1的底部置于弹簧顶盖31上，并且调节水平T型销栓6使得水平T型销栓6脱离模拟箱体1的侧壁，使得水平钢质弹簧29抵接模拟箱体1的侧壁，实现模拟箱体1在水平方向上以及竖直方向上的震动。
如图2至图6所示，在本发明的实施例中，所述钢板箱2内部的底面上设有L形钢槽17，所述竖向T型销栓18安装在所述L形钢槽17上。通过L形钢槽17对竖向T型销栓18进行安装，避免了在钢板箱2的底部上钻孔。所述长条形凹槽3的顶部和底部设有若干光源16，所述光源16通过导电线25电路连接用于控制所述光源16开启和关闭的电开关7。
本发明的有益效果是：模型实用、操作简单，可视化程度强，在演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程。可实现地下工程开挖效应、水平地震效应、竖向地震效应等各种工况或多种工况耦合条件下的地下工程地质灾害试验演示。
在本发明的一种具体实施例中，模拟箱体1尺寸为150cm(长)×80cm(宽)×90cm(高)，由PC板组合形成模型箱体轮廓，模拟箱体1上预留有模拟隧道的长条形凹槽3的尺寸为150cm(长)×25cm(宽)×20cm(高)，凹槽顶面离模型箱顶面30cm。模拟地面沉降的沉降槽10的尺寸为30cm×30cm×30cm。模拟塌方的漏斗形凹槽5的上口直径约为25cm，下口直径3cm，高30cm。模拟箱右侧的玻璃板4厚度约为6mm，可内外转动。所述钢丝网11为热镀锌钢丝网11，丝径为0.9±0.04mm，网孔大小12.7×12.7mm，钢丝网11上填筑处于可塑状态的粘土26，粘土26顶面与基岩模拟填料12顶面高度一致。在本实施例中，长条形凹槽3内置有2层(上层、下层各6块)带有铁钩34的方形耐水轻质石膏块13，单个石膏块13尺寸约为25cm(长)×25cm(宽)×10cm(高)。
实施例一
本实施例公开了一种地下工程地质灾害教学演示装置的使用方法，能模拟隧道开挖诱发的突水突泥、地面沉降、塌方等工程地质灾害，包括以下步骤：
S1:向模型内拧紧水平T形销栓，向上拧紧竖向T形销栓；
S2:向外翻转模型箱体上的玻璃板4，将若干方形石膏块13分2层依次置于长条形凹槽3内，突水突泥通道自动关闭，石膏块13放置完毕后，将玻璃板4向内翻转至固定位置；
S3:在模拟地面沉降的沉降槽10内，铺设一层钢丝网11，钢丝网11上填筑处于可塑状态的粘土26，直到与基岩模拟填料12顶面高度一致；
S4:在用于模拟塌方的漏斗形凹槽5内，为防止石膏块13与凹槽内嵌入砾砂，故先在凹槽底部敷设约0.5cm厚的处于可塑状态的粘土26，然后在粘土26上方分层依次填筑含砾青砂27、含砾红砂28直到与基岩模拟填料12顶面高度一致；
S5:在模拟突水突泥的泥水槽8内，倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙混合物，直到泥水运移通道9内完成充满且泥水槽8内混合物的高度略低于模型顶面高度；
S6:在模拟隧道出口的缺口处，拖动不透水石膏块13前部的铁钩34，依次从长条形凹槽3中拖出钢丝网11下方的石膏块13，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽10内的粘土26在重力的作用下与钢丝网11一起往下发生沉降变形，打开光源16，通过玻璃板4观察变形过程；
S7:在长条形凹槽3中继续拖出石膏块13，直到模拟塌方区的石膏块13被拖出，漏斗形凹槽5内的砂土在重力的作用下往下坠落，同时地面开始出现塌陷，打开光源16，通过玻璃板4观察模拟隧道塌方形成过程；
S8:待塌方稳定后，向外翻转模型箱右侧的玻璃板4，清除塌方体，清除完毕后，将玻璃板4向内翻转至固定位置，在长条形凹槽3中继续拖出石膏块13；
S9:当最后一块石膏块13被拖出后，压缩弹簧20带动挡片19向模型外运动，开启泥水运移通道9，打开光源16，通过右侧玻璃板4观察突水突泥过程。
本实施例的有益效果为：能方便演示地下工程地质灾害时可以明显观测到岩土体的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程，演示工程地质学基本地质现象，揭示工程地质学中地下工程地质灾害形成机制，从而帮助教师完成日常教学任务。
实施例二：
本实施例中，公开了一种地下工程地质灾害教学演示装置的使用方法，其特征在于：能模拟地震诱发突水突泥、地面沉降、塌方等工程地质灾害，包括以下步骤：
S1:向模型内拧紧水平T形销栓，向上拧紧竖向T形销栓；
S1:向外翻转模型箱体上的玻璃板4，将若干方形石膏块13分2层依次置于长条形凹槽3，突水突泥通道自动关闭，石膏块13放置完毕后，将玻璃板4向内翻转至固定位置；
S2:在模拟地面沉降的沉降槽10内，铺设一层钢丝网11，钢丝网11上填筑处于可塑状态的粘土26，直到与基岩模拟填料12顶面高度一致；
S4:在用于模拟塌方的漏斗形凹槽5内，为防止石膏块13与凹槽内嵌入砾砂，故先在凹槽底部敷设约1cm厚的处于硬塑状态的粘土26，然后在粘土26上方分层依次填筑含砾青砂27、含砾红砂28直到与基岩模拟填料12顶面高度一致。
S4:在模拟突水突泥的泥水槽8内，倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙混合物，直到泥水运移通道9内完成充满且泥水槽8内混合物的高度略低于基岩模拟填料12顶面高度。
S5:在模拟隧道出口的缺口处，拖动不透水石膏块13前部的铁钩34，依次从长条形凹槽3中拖出钢丝网11下方的石膏块13，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽10内的粘土26在重力的作用下与钢丝网11一起往下发生沉降变形，打开光源16，通过右侧玻璃板4观察变形过程。
S6:在长条形凹槽3中继续拖出石膏块13，直到模拟塌方下方的石膏块13被拖出，由于漏斗形凹槽5内铺设的为1cm厚且处于硬塑状态的粘土26，地面未出现塌陷；
S7:在长条形凹槽3中继续拖出石膏块13，直到保留最内侧的一列石膏块13，确保泥水运移通道9处于关闭状态；
S8:若模拟地震水平作用下模型动力响应时，松开水平T形销栓，使模拟箱体1搁置于竖向T形销栓上，给模拟箱体1施加水平动荷载，使模拟箱体1沿着竖向T形销栓上的钢珠15来回做水平运动，使长条形凹槽3内侧的石膏块13发生水平运动，导致泥水运移通道9开启，模拟地震诱发突水突泥；若模拟地震垂直作用下模型动力响应时，松开竖向T形销栓，给模拟箱体1施加竖向动荷载，使模拟箱体1沿着水平T形销栓上的钢珠15来回做竖向运动，观察沉降槽10内的粘土26的进一步变形情况、漏斗地面塌陷及隧道塌方；若模拟地震水平及垂直同时作用下模拟箱体1动力响应时，松开水平及竖向T形销栓，给模拟箱体1同时施加水平及竖向动荷载，使模拟箱体1同时作水平和竖向运动，观察模拟地震诱发突水突泥、地面沉降、塌方等地下工程地质灾害。
在本实施例中，为更好观察地下工程地质灾害发生、发展过程，实验过程中可开启光源16，若实验过程中未出现塌方地质灾害，可增加漏斗形凹槽5内铺设的处于硬塑状态的粘土26的厚度或加大竖向动荷载。
本实施例的有益效果为：本方法能方便演示地下工程地震诱发的变形位移滑塌、地面沉降、地表塌陷以及岩溶区的突水突泥等具体破坏情况，从整体上展示了地下工程地质灾害的形成及运动过程，演示工程地质学基本地质现象，揭示工程地质学中地下工程地质灾害形成机制，从而帮助教师完成日常教学任务。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，包括顶部设有敞口的钢板箱(2)，所述钢板箱(2)内设有模拟箱体(1)，所述模拟箱体(1)的底部设在所述钢板箱(2)内；所述钢板箱(2)与所述模拟箱体(1)之间设有用于控制所述模拟箱体(1)振动方向的振动控制装置；所述模拟箱体(1)内填充有用于模拟未开挖基岩的基岩模拟填料(12)；所述模拟箱体(1)的侧壁上设有用于模拟隧道开挖的长条形凹槽(3)，所述模拟箱体(1)的侧壁上设有用于封堵所述长条形凹槽(3)的槽口的玻璃板(4)，所述长条形凹槽(3)上方设有用于模拟地面沉降的沉降槽(10)，所述沉降槽(10)的底端与所述长条形凹槽(3)连通，且所述沉降槽(10)的底部与所述长条形凹槽(3)之间设有钢丝网(11)；所述长条形凹槽(3)的上方设有用于模拟塌方的漏斗形凹槽(5)，所述漏斗形凹槽(5)的底部与所述长条形凹槽(3)连通；所述长条形凹槽(3)的上方设有用于模拟突水突泥的泥水槽(8)以及用于将所述泥水槽(8)与所述长条形凹槽(3)连通的泥水运移通道(9)，所述长条形凹槽(3)内设有用于填充所述长条形凹槽(3)的石膏块(13)。
2.根据权利要求1所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述长条形凹槽(3)的两端分别延伸出所述模拟箱体(1)，且所述长条形凹槽(3)的一端为模拟隧道入口的第一缺口(32)，另一端为模拟隧道出口的第二缺口(33)；所述沉降槽(10)设在所述长条形凹槽(3)靠近所述第一缺口(32)的一端的上方，所述漏斗形凹槽(5)设在所述长条形凹槽(3)的长度方向的中部的上方；所述泥水槽(8)和所述泥水运移通道(9)设在所述长条形凹槽(3)靠近所述第二缺口(33)的一端的上方。
3.根据权利要求2所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述石膏块(13)朝向所述第一缺口(32)的一端设有用于向外拖移所述石膏块(13)的铁钩(34)。
4.根据权利要求3所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述石膏块(13)的数量为多个，多个所述石膏块(13)上下叠放成两层结构，两层所述石膏块(13)上下叠放在所述长条形凹槽(3)内。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述泥水运移通道(9)内设有用于开启和关闭所述泥水运移通道(9)的弹簧杠杆开关。
6.根据权利要求5所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述弹簧杠杆开关包括挡片(19)、压缩弹簧(20)、杠杆(21)、杠杆座(30)以及连接杆(22)，所述杠杆(21)的中部通过杠杆座(30)固定在所述模拟箱体(1)的外壁上，所述杠杆(21)的一端通过所述压缩弹簧(20)与所述挡片(19)固定连接，所述挡片(19)设在所述泥水运移通道(9)内，所述压缩弹簧(20)靠近所述挡片(19)的一端抵接所述模拟箱体(1)的外壁；所述杠杆(21)的另一端固定连接所述连接杆(22)的一端，所述连接杆(22)的另一端从所述第二缺口(33)插入所述长条形凹槽(3)内。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述振动控制装置包括竖向T型销栓(18)、水平T型销栓(6)、竖向钢质弹簧(14)、水平钢质弹簧(29)、工形安装座(23)以及滚珠(24)，所述竖向T型销栓(18)设置在所述钢板箱(2)的底部，所述竖向T型销栓(18)的顶部设有多个钢珠(15)；多个所述水平T型销栓(6)分别水平设置在所述钢板箱(2)的各个侧壁上，所述水平T型销栓(6)朝向所述模拟箱体(1)的一端的端面上设有多个钢珠(15)；所述工形安装座(23)设在所述模拟箱体(1)的底部，位于所述模拟箱体(1)的底面与所述钢板箱(2)的内底面之间，所述工形安装座(23)的底部安装有所述滚珠(24)，所述工形安装座(23)的顶部安装有弹簧顶盖(31)，所述弹簧顶盖(31)与所述工形安装座(23)之间设有所述竖向钢质弹簧(14)；多个所述水平钢质弹簧(29)固定在所述钢板箱(2)的各个内侧壁上，位于所述钢板箱(2)的内侧壁与所述模拟箱体(1)的外侧壁之间。
8.根据权利要求1至4任一项所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置，其特征在于，所述长条形凹槽(3)的顶部和底部设有若干光源(16)，所述光源(16)通过导电线(25)电路连接用于控制所述光源(16)开启和关闭的电开关(7)。
9.一种地下工程地质灾害教学演示装置的演示方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置进行地下工程地质灾害教学演示，包括以下步骤：
步骤一，调节振动控制装置，将所述模拟箱体(1)锁紧在所述钢板箱(2)内；
步骤二，打开用于封堵所述长条形凹槽(3)的槽口的玻璃板(4)，将多个石膏块(13)分上下两层依次置于长条形凹槽(3)内；关闭泥水运移通道(9)，然后关闭玻璃板(4)；
步骤三，在钢丝网(11)上填筑处于可塑状态的粘土(26)；
步骤四，先在所述漏斗形凹槽(5)内填筑可塑状态的粘土(26)，然后从下至上依次填筑含砾青砂(27)、含砾红砂(28)；
步骤五，向所述泥水槽(8)内倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙的混合物；
步骤六，依次从长条形凹槽(3)中拖出钢丝网(11)下方的石膏块(13)，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽(10)内的粘土(26)在重力的作用下与钢丝网(11)一起往下发生沉降变形，打开光源(16)，通过玻璃板(4)观察变形过程；
步骤七，继续向外拖出石膏块(13)，漏斗形凹槽(5)内的粘土(26)、含砾青砂(27)、含砾红砂(28)在重力的作用下往下坠落，模拟隧道塌方过程，通过玻璃板(4)观察模拟隧道塌方形成过程；
步骤八，待塌方稳定后，打开模拟箱体(1)的玻璃板(4)，清除塌方体，清除完毕后，关闭玻璃板(4)，在长条形凹槽(3)中继续拖出石膏块(13)；
步骤九，开启泥水运移通道(9)，通过玻璃板(4)观察模拟的突水突泥过程。
10.一种地下工程地质灾害教学演示装置的演示方法，其特征在于，采用权利要求7所述的一种地下工程地质灾害教学演示装置进行地下工程地质灾害教学演示，包括以下步骤：
步骤一，向模拟箱体(1)方向拧紧水平T型销栓(6)，向上拧紧竖向T型销栓(18)；
步骤二，打开用于封堵所述长条形凹槽(3)的槽口的玻璃板(4)，将多个石膏块(13)分上下两层依次置于长条形凹槽(3)内；关闭泥水运移通道(9)，然后关闭玻璃板(4)；
步骤三，在钢丝网(11)上填筑处于可塑状态的粘土(26)；
步骤四，先在所述漏斗形凹槽(5)内填筑硬塑状态的粘土(26)，然后从下至上依次填筑含砾青砂(27)、含砾红砂(28)；
步骤五，向所述泥水槽(8)内倒入已用染料染红的且处于流动状态的粘性土与少量细沙的混合物；
步骤六，依次从长条形凹槽(3)中拖出钢丝网(11)下方的石膏块(13)，模拟正常条件下地下工程的分层掘进施工，沉降槽(10)内的粘土(26)在重力的作用下与钢丝网(11)一起往下发生沉降变形，打开光源(16)，通过玻璃板(4)观察变形过程；
步骤七，继续向外拖出石膏块(13)，由于漏斗形凹槽(5)内填筑硬塑状态的粘土(26)，漏斗形凹槽(5)内的粘土(26)、含砾青砂(27)、含砾红砂(28)不会出现下坠；
步骤八，继续拖出石膏块(13)，直到保留最内侧的一列石膏块(13)，确保泥水运移通道(9)处于关闭状态；
步骤九，若模拟地震水平作用下模拟箱体(1)动力响应时，松开水平T型销栓(6)，使模拟箱体(1)搁置于竖向T型销栓(18)上，给模拟箱体(1)施加水平动荷载，使模拟箱体(1)沿着竖向T型销栓(18)上的小钢珠(15)来回做水平运动，使长条形凹槽(3)内侧的石膏块(13)发生水平运动，导致泥水运移通道(9)开启，模拟地震诱发突水突泥；
若模拟地震垂直作用下模拟箱体(1)动力响应时，松开竖向T型销栓(18)，给模拟箱体(1)施加竖向动荷载，使模拟箱体(1)沿着水平T型销栓(6)上的小钢珠(15)来回做竖向运动，观察沉降槽内的粘土的进一步变形情况、漏斗地面塌陷及隧道塌方；
若模拟地震水平及垂直同时作用下模拟箱体(1)动力响应时，松开水平T型销栓(6)以及竖向T型销栓(18)，给模拟箱体(1)同时施加水平及竖向动荷载，使模拟箱体(1)同时作水平和竖向运动，观察模拟地震诱发突水突泥、地面沉降、塌方等地下工程地质灾害。
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