CN110534005B - 一种土壤液化灾害的模拟演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤液化灾害的模拟演示装置，包括箱体，其内部盛装有易于液化的土层；坍塌模拟气囊，其设置在所述土层内，通过所述坍塌模拟气囊的收缩辅助模拟土壤液化时土层的沉降现象；冒水模拟喷嘴，其设置在所述土层内部，通过所述冒水模拟喷嘴在所述土层内喷水模拟土壤液化时土层的喷砂冒水现象；振动模拟装置，其固定设置在所述箱体的底部，通过所述振动模拟装置的水平晃动模拟地震时土壤液化时的震动。本发明设计合理，可以从宏观上直观的演示土壤液化的宏观现象和主要灾害特征，易于理解，可操作性强，演示成本低，展示效果好，并且可以多次重复循环使用，可重复性强。

Description

一种土壤液化灾害的模拟演示装置

技术领域

本发明涉及教学仪器技术领域，具体为一种土壤液化灾害的模拟演示装置。

背景技术

土壤液化是地震工程和土动力学中的一个术语，指在动载荷的作用下，原本是固态的土壤变成液态，甚至是粘稠的流质。土壤液化主要发生在饱和、疏松的砂土、粉土等无粘性土中。通常在外力反覆震荡下（如地震），松散的土骨架遭到破坏，土颗粒之间孔隙减小，孔隙水短时间内无法排出，引起超静孔隙水压力升高，导致土的有效应力下降，进而土体抗剪强度大幅度下降，就会产生土壤液化。

土壤液化是国际上具有普遍意义的典型震害现象，对各类工程结构具有显著破坏作用。除地震荷载外，在机械、波浪荷载下，土体也能发生液化。我国是全球大陆地震最为活跃、地震灾害频发的国家之一。建国以来我国发生的多次地震均发生过大面积的土壤液化现象，并造成了严重的经济财产损失。

在实际场地中，饱和的砂土、粉土等可液化土，在一定的动荷载作用的条件下会产生较高的超静孔隙水压力，发生液化，同时也常会产生喷砂冒水、地表沉降等宏观液化现象，甚至造成地面建筑的倾斜、不均匀沉降等破坏现象，随着超静孔隙水压力的逐步消散和排水，砂土等液化土体发生固结而趋于密实。

对于缺乏专业知识背景的人，往往难以对土壤液化产生直观、形象的认识。所以，了解和学习土壤液化这一灾害，具有十分重要的意义。现有技术中的土壤液化模拟演示装置结构如下：

采用专门的振动台，在振动台上方设置箱体，箱体内盛放易液化的饱和砂土，通过振动台的震动来模拟地震，使箱体内的砂土发生液化，以此模拟地震中的土壤液化灾害。实际中，这种方式产生的液化现象往往不突出，不具备专业知识背景的人很难直观地感受这一灾害的特点。

这种液化演示装置来模拟土壤液化，不但演示效果不够形象直观，而且主要存在无法进行方便、高效的可重复性演示的缺陷。因为，经过一次或者几次的演示后，砂土渐渐趋于密实，将无法发生液化，必须重新制备可液化的土体模型。而这种模型的制备，不但费时费力，而且对操作人员的专业性也有一定要求，否则很容易导致模型制备失败（即无法或者难以发生液化）。在演示中，特别是防震减灾的科普教育中（需要密集地反复演示），显然这种装置的可操作性不强，难以在一定时间内完成多次密集的展示，导致了现有的土壤液化演示装置成为“摆设”，难以达到地震科普教育的初衷目的。

发明内容

为克服上述技术问题，更快、更好地展示液化灾害及现象，本发明的目的在于提供一种土壤液化灾害的模拟演示装置，具有可操作性强、演示成本低、高效且可重复演示的特点，可以方便简单的反复演示土壤液化的宏观现象和主要灾害特征。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种土壤液化灾害的模拟演示装置，包括

箱体，其内部盛装有易于液化的土层；

坍塌模拟气囊，其设置在所述土层内，通过所述坍塌模拟气囊的收缩辅助模拟土壤液化时土层的沉降现象；

冒水模拟喷嘴，其设置在所述土层内部，通过所述冒水模拟喷嘴在所述土层内喷水辅助模拟土壤液化时土层的喷砂冒水现象；

振动模拟装置，其固定设置在所述箱体的底部，通过所述振动模拟装置的水平晃动模拟地震时土壤液化时的震动。

进一步地，所述坍塌模拟气囊包括设置在所述土层内部的一个或多个中间气囊，和/或设置在所述土层底部的一个或多个底部气囊。通过底部气囊在箱体底部放气收缩，使得土层随之下沉来模拟土壤液化时土层的整体沉降现象；通过中间气囊在土层内部放气收缩，使土层内部局部坍塌沉降以模拟土壤液化的局部坍塌沉降现象。

进一步地，所述坍塌模拟气囊连接有充气管路和放气管路，所述充气管路与充气装置连接，所述充气管路上安装有充气阀，所述放气管路上安装有放气阀。通过所述充气管路或放气管路实现所述中间气囊或所述底部气囊的充气或放气。

进一步地，所述冒水模拟喷嘴包括埋设在所述土层中的一个或多个喷嘴，所述喷嘴分别设置在所述中间气囊的上方。通过喷嘴在土层内喷水以模拟喷砂冒水现象。

进一步地，所述喷嘴与供水管路连接，所述喷嘴与所述供水管路之间安装有供水阀门。通过供水阀门控制喷嘴是否喷水。

进一步地，所述箱体的侧壁上开设有一个通孔，所述充气管路、放气管路和所述供水管路均通过所述通孔穿过所述箱体，所述通孔与所述箱体之间通过橡胶垫或防水胶密封，防止箱体漏水。

进一步地，所述箱体底部具有坡度，在所述箱体底部较低一侧设有排水孔，所述排水孔上安装有排水阀，通过所述排水阀以将所述箱体内存蓄的水排出。

进一步地，所述振动模拟装置设置在所述箱体的下方并与所述箱体的底侧固定连接，所述振动模拟装置为水平向的电磁振动台。通过电磁振动台即可以实现箱体的水平晃动。

进一步地，所述箱体的一个侧面为透明侧壁，且在所述透明侧壁上设有用以遮挡所述坍塌模拟气囊的不透明体，所述箱体透明侧壁上设有用于标注所述土层位置的网格线。通过网格线可以在整个演示过程中清晰的查看土层位置的变化。

进一步地，所述土层的上方设置有多个简易房屋建筑模型，所述简易房屋建筑模型放置在所述土层的上表面。在模拟土壤液化过程中，随着土层的变化，出现房屋倾斜、沉降现象。

本申请实施例提供的土壤液化灾害的模拟演示装置，设计合理，可以从宏观上直观的演示和突出土壤液化的宏观现象和主要灾害特征，易于理解，可操作性强，演示成本低，展示效果好，并且可以多次重复循环使用，可重复性强。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1中箱体的结构示意图；

图3本发明实施例1充气管路和放气管路连接示意图；

图4本发明实施例1供水管路连接示意图；

图5本发明实施例1操作面板的控制原理结构示意图；

图6为本发明实施例1箱体在演示过程中的结构示意图。

图中，1-箱体，2-土层，3-简易房屋建筑模型，4-振动模拟装置，5-底部气囊，6-中间气囊，7-放气管路，8-充气管路，9-充气装置，10-网格线，11-放气阀，12-充气阀，13-操作面板，14-演示开始按键，15-恢复按键，16-喷嘴，17-供水管路，18-供水阀门，20-排水阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，

一种土壤液化灾害的模拟演示装置，包括用于演示土壤液化的箱体1，箱体1至少用于观察演示的一个侧面为透明侧壁，箱体1内盛装有饱和的砂土或其他可液化土等组成的土层2，土层2用以模拟容易出现土壤液化现象土壤的物质。箱体1用于观察的透明侧壁上设置有用于标注土层2位置的网格线10，通过网格线10可以在整个演示过程中清晰的查看土层2位置的变化。

为了演示土壤液化造成地面建筑的倾斜的影响，在土层2的上方设置简易房屋建筑模型3，简易房屋建筑模型3放置在土层2的上表面，在模拟土壤液化过程中，随着土层2的变化，出现房屋倾斜、沉降现象。

为了演示土壤液化时发生的震动现在，在箱体1的下方设置有一个振动模拟装置4，振动模拟装置4与箱体1的底侧固定连接，振动模拟装置4可产生周期性晃动，箱体1随振动模拟装置4晃动来演示土壤液化时的震动现象。振动模拟装置4采用市购的水平向的电磁振动台，即可以实现箱体1的水平晃动。

为了演示土壤液化时液化土壤的沉降现象，在箱体1的底部设有一个或多个底部气囊5，底部气囊5平铺在箱体1内侧底部，土层2位于底部气囊5的上方，通过底部气囊5的排气收缩来模拟实现土层2整体的沉降。

箱体1底部即底部气囊5所处的位置处为不透明，保证底部气囊5在整个演示过程中均为不可见状态。事实上，对于土壤液化现象的认知教育来说，真实的土壤液化现象十分复杂，主要是直观现象地复现土壤液化所述产生的灾害现象，而不必拘泥于真实发生的过程，通过装置可以实现土壤液化现象的直观演示即可，形成“暗箱”演示。因为本装置的目的是为了构建一个逼真形象的演示过程，演示的是土壤液化时所产生的宏观现象，是在专业知识的基础上，经过合理的设计和考虑，使最终的展示结果与真实液化灾害基本一致。但是这个土壤液化的过程是通过人为辅助的方式制造出来的，并不是完全模拟土壤液化的真实过程。为了不产生误导性认识，因此，必须将底部气囊5遮挡起来，使其在整个过程中为不可见状态，同样地，下述的中间气囊6、喷嘴在整个过程中始终处在土层内部，也为不可见状态。

为了演示液化土壤的局部坍塌现象，在土层2中埋设有一个、两个或者多个中间气囊6，中间气囊6呈球形或倒圆锥体型，中间气囊6埋设在土层2中，在演示过程中并不可见。为了使中间气囊6在放气以及充气过程中始终维持在箱体1内的固定位置处，可以通过支架将中间气囊6与箱体固定，支架的一端可以通过吸盘吸附在箱体的侧壁上，然后将中间气囊6固定在支架的另一端即可，使得中间气囊6始终处于土层2中的固定位置处。

如图3所示，

底部气囊5和中间气囊均连接有放气管路7和充气管路8，通过放气管路7对底部气囊5和中间气囊6放气，随着底部气囊5的放气，其体积逐渐收缩，高度逐渐下降，位于底部气囊5上方的土层2由于自身重量随底部气囊5下沉，用于模拟土壤液化的沉降现象。为更好的演示液化土壤的沉降现象，一般将底部气囊5放气收缩的整个过程中的高度下降范围控制在土层高度的5%左右为最佳。

在底部气囊5排气收缩的过程中，放气管路7对中间气囊6也同时进行排气，使中间气囊6排气收缩，将土层2内部局部收缩以模土壤液化的局部坍塌现象。

充气管路8与充气装置9连接，通过充气装置9为底部气囊5或中间气囊6充气，使其恢复膨胀状态，土层2随之上升而恢复原始状态。充气装置9可以是采用人工打气筒进行人工打气，也可以采用电动充气机或具有一定压力的储气罐或其它具有一定压力可以为底部气囊5或中间气囊6进行充气的装置。

为了方便控制底部气囊5或中间气囊6的充气或放气进程，充气管路8上安装有充气阀12，放气管路7上安装有放气阀11。通过放气阀11或充气阀12的设置，可以方便控制底部气囊5或中间气囊6的充气或排气过程，方便操作。

放气阀11和充气阀12均采用电磁阀，并且在操作面板13上设置控制对应充气阀12或放气阀11的控制按钮，通过操作面板13上的控制按钮控制相应的电磁阀控制底部气囊5和中间气囊6的充气或排气。

如图5所示，具体的，可以通过在操作面板13上设置一个排气按键用于同时控制底部气囊5和中间气囊6的排气过程，即采用一个排气按键（设定为演示开始按键14）用于控制放气阀11开启为底部气囊5和中间气囊6进行排气。

同样的，可以在操作面板13上设置另一个充气按键用于同时控制底部气囊5和中间气囊6的充气过程，即采用一个充气按键（设定为恢复按键15）用于控制充气阀12开启为底部气囊5和中间气囊6进行充气。

如图1和图2所示，

为了模拟土壤液化时的喷砂冒水现象，在土层2中埋设喷嘴16，喷嘴16沿竖直方向设置，在土层2内部喷水以模拟喷砂冒水效果，喷嘴16最好设置在中间气囊6的上方，根据演示过程的需要，喷嘴16可以设计成一个，也可以是两个、三个或者更多，但是数量要与气囊9保持一致，以使得每个中间气囊6的上方均设有一个喷嘴。

如图4所示，

喷嘴16与供水管路17连接，供水管路17与自来水管或其它供水装置连接，供水管路17沿箱体1的侧壁固定，喷嘴16与供水管路17之间安装有供水阀门18，通过供水阀门18控制喷嘴16是否喷水，可以为每一个喷嘴16设置一个供水阀门18，也可以通过一个供水阀门18控制所有喷嘴16是否喷水。

如图4和图5所示，供水阀门18同样采用电磁阀，供水阀门18同样是通过操作面板13进行控制，并且为了更好的控制演示的操作，可以将供水阀门18的控制与上述演示开始按键14集成到一起，即通过一个控制按键（演示开始按键14）同时控制放气阀11开启和供水阀门18的开启，实现一键控制底部气囊5和中间气囊6排气以及喷嘴16喷水。反之亦然，通过恢复按键15控制充气阀13开启为底部气囊5和中间气囊6进行充气，同时供水阀门18关闭喷嘴16停止供水。

至于上述操作面板控制各类电磁阀的开启或关闭操作，可以采用相应的单片机或控制器进行控制，属于本领域技术人员所熟知的技术方案，是非常常见的设计方案，而且可以实现该功能的电子控制装置和方案也很成熟，功能上无需专门设计。因此，对于操作面板以及控制按键等方面的控制原理在此不在赘述。

为了保证箱体1的密封程度，防止在演示过程中箱体1出现漏水，上述放气管路7、充气管路8以及供水管路均汇集到箱体1的一侧，在箱体的侧壁上开设有一个通孔，上述各种管路均通过该通孔穿过箱体1，通孔与箱体之间通过橡胶垫或防水胶密封，防止箱体漏水。

为了排出箱体1内喷嘴16喷出的水，箱体1底部具有坡度，可以在箱体底部较低的一侧设有一个排水孔，在排水孔上安装有个排水阀20，排水阀20采用一般水龙头即可，通过手动打开水龙头可以将箱体内存蓄的水排出箱体1。

如图1和图6所示，

本发明在使用时：将本装置各部分装配好，连接好各控制面板、放气管路、充气管路和供水管路，演示开始，观看人员站在箱体用于演示的透明一侧。通过操作面板13上的演示开始按键14启动演示装置，此时，在操作面板13内部单片机设定的控制程序的控制下，放气阀11开启，底部气囊5和中间气囊6通过放气管路7进行排气，底部气囊5排气体积缩小，位于底部气囊5上方的土层2下沉，此时为模拟土壤液化时的沉降现象。

在底部气囊5排气收缩的过程中，中间气囊6也同时进行排气，使中间气囊6排气收缩，将土层2内部局部收缩以模土壤液化的局部坍塌现象。

于此同时，供水阀门18开启，供水管路17为喷嘴16供水，喷嘴16在土层2内喷水，水从土层2喷出，配合中间气囊6导致的局部坍塌沉降现象，一并演示喷水冒砂现象。

此时，设置在土层2上方的简易房屋建筑模型3在此过程中倾斜或倒塌，模拟土壤液化过程中出现房屋倾斜、沉降现象。

在上述演示的过程中，可以开启振动模拟装置4，使箱体1随振动模拟装置4晃动来演示土壤液化时的震动现象。

上述为本发明一种土壤液化灾害的模拟演示装置的演示过程。在演示完成后，启动操作面板13上的恢复按键15，使得控制充气阀13开启，充气装置为底部气囊5和中间气囊6进行充气，使底部气囊5和中间气囊6充满气土层2也一并上升恢复原状。同时，供水阀门18关闭，喷嘴16停止供水。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，包括

箱体，其内部盛装有易于液化的土层；

坍塌模拟气囊，其设置在所述土层内，通过所述坍塌模拟气囊的收缩辅助模拟土壤液化时土层的沉降现象；

冒水模拟喷嘴，其设置在所述土层内部，用以在所述土层内部喷水、并使水从土层中喷出，通过所述冒水模拟喷嘴在所述土层内喷水辅助模拟土壤液化时土层的喷砂冒水现象；

振动模拟装置，其固定设置在所述箱体的底部，通过所述振动模拟装置的水平晃动模拟地震时土壤液化时的震动。

2.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述坍塌模拟气囊包括设置在所述土层内部的一个或多个中间气囊，和/或设置在所述土层底部的一个或多个底部气囊。

3.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述坍塌模拟气囊连接有充气管路和放气管路，所述充气管路与充气装置连接，所述充气管路上安装有充气阀，所述放气管路上安装有放气阀。

4.根据权利要求2所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述冒水模拟喷嘴包括埋设在所述土层中的一个或多个喷嘴，所述喷嘴分别设置在所述中间气囊的上方。

5.根据权利要求4所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述喷嘴与供水管路连接，所述喷嘴与所述供水管路之间安装有供水阀门。

6.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述箱体的侧壁上开设有一个通孔，充气管路、放气管路和供水管路均通过所述通孔穿过所述箱体，所述通孔与所述箱体之间通过橡胶垫或防水胶密封。

7.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述箱体底部具有坡度，在所述箱体底部较低一侧设有排水孔，所述排水孔上安装有排水阀，通过所述排水阀以将所述箱体内存蓄的水排出。

8.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述振动模拟装置设置在所述箱体的下方并与所述箱体的底侧固定连接，所述振动模拟装置为水平向的电磁振动台。

9.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述箱体的一个侧面为透明侧壁，所述箱体透明侧壁上设有用于标注所述土层位置的网格线。

10.根据权利要求1所述的一种土壤液化灾害的模拟演示装置，其特征在于，所述土层的上方设置有多个简易房屋建筑模型，所述简易房屋建筑模型放置在所述土层的上表面。

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