CN114550565A - 一种地基破坏和变形的可视化教学模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基破坏和变形的可视化教学模型，其包括开口模型槽、地基土模拟系统、加载系统和自动绘图系统；所述开口模型槽由钢板和有机玻璃板围成，所述的地基土模拟系统包括透明土和天然土，其中透明土和天然土分层交替平铺于开口模型槽内，加载系统的加载杆上相连接的可折叠承压板位于地基模型上，以模拟不同基础条件下的一维加载，且可折叠承压板前后两端与开口模型槽前后两端的有机玻璃板接触。本发明根据所加荷载的不同以及地基模型中混合土性质的不同可以模拟包括整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏等多种破坏模式。根据承压板的折叠与否以及折叠程度，可模拟不同基础作用下地基的破坏与变形特点。

Description

一种地基破坏和变形的可视化教学模型

技术领域

本发明涉及一种地基破坏和变形的可视化教学模型，属于岩土工程相关领域。

背景技术

土力学作为土木工程专业的一门基础课程，为了使学生更好地掌握该课程的知识点，为基础工程课程的学习打好基础，教师应该在教学的过程中不只是传授书面知识，还应带领学生深刻体验工程实际，让学生在实践中学习知识，感知土力学的魅力。因此，加深学生对地基承载力及地基破坏这一重要知识点的理解，教师可以借助实物为学生演示地基土的整体剪切破坏、局部剪切破坏以及冲剪破坏，并使这些过程实现可视化与可操作化。

为了解决这一问题，学者们先后提出各种解决办法。如中国专利文献(申请号201810141644.0)公开了浅基础低级破坏的模拟装置，其发明虽然在一定程度上提高了土力学地基承载力及地基破坏这一知识点的教学质量，但因其加载系统占地过于庞大，混合土体与天然土性质差别较大，故仍有一定提升空间。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种地基破坏和变形的可视化教学模型，能够指直观便捷地模拟并可视化地基破坏和变形的过程，并提供应力与变形的曲线。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种地基破坏和变形的可视化教学模型，所述教学模型包括开口模型槽、地基土模拟系统、加载系统和自动绘图系统；

所述开口模型槽由钢板和有机玻璃板围成，钢板作为所述开口模型槽的底面和左右两侧面，有机玻璃板组成开口模型槽的前后两侧面；所述的地基土模拟系统包括透明土和天然土，其中透明土和天然土分层交替平铺于开口模型槽内，相邻的透明土层和天然土层的体积比为2:1；所述加载系统包括传力杠杆、支撑、马达、移动砝码、移动杆、拉杆、固定砝码；所述自动绘图系统包括反压力装置、变形指示器、带压力盒的加荷轭、操作器及自动绘图装置；

支撑竖直放置，其下端固定于底板上，上端通过销钉与传力杠杆的端部相连；移动杆为螺纹杆，且与其传力杠杆相互平行设置，移动杆的一端通过轴承连接于支撑的上部，另一端通过轴承连接于传力杠杆远离支撑一端的弯折部分；马达固定于传力杠杆上，同时马达与移动杆相连可驱动移动杆绕自身轴线转动；移动砝码通过内部开孔套设于传力杠杆上可沿传力杠杆移动，同时移动砝码还具有内螺纹孔，内螺纹孔与移动杆通过螺纹配合连接，移动杆的转动可带动移动砝码运动；拉杆的上端通过销钉与传力杠杆的弯折部分相连，拉杆的下端通过销钉与固定砝码相连；反压力装置固定连接于传力杠杆上，变形指示器通过带压力盒的加荷轭与加载杆的上端固定相连；反压力装置、变形指示器和带压力盒的加压轭皆由操作器及自动绘图装置控制。

进一步地，所述开口模型槽的前后两有机玻璃板面上左右两侧皆刻有分度值为1mm的竖向刻度。

进一步地，所述开口模型槽为钢板焊接而成，所用钢板为1-8×400×100、2-14×250×100，钢材型号选用Q355A级钢。1-8×400×100钢板作为开口模型槽的底板2-14×250×100钢板作为开口模型槽的两侧面。

进一步地，所述三片钢板通过角焊缝焊接成开口模型槽的左右侧面与底面部分，所用焊接方法为手工电弧焊，焊条型号为E50型，角焊缝尺寸为6mm。

进一步地，所述开口模型槽前后两有机玻璃板面上中间偏上位置自对称轴开始向两侧刻有分度值为1mm的水平刻度。

进一步地，所述缀条为∠56×36×3号不等边角钢，该不等边角钢的短边通过高强螺栓连接于有机玻璃板。

进一步地，所述承压板折叠后尺寸为100×100mm²，完全开展后尺寸为100×500mm²。

进一步地，所述承压板上所开四个孔洞，每个孔洞圆心与相邻两边距离分别为25mm、25mm，孔洞直径皆为10mm。

进一步地，所述反压力装置固定于传力杠杆上，其距离传力杠杆与支撑相连的一端的距离为传力杠杆总长的三分之一。

进一步地，所述加载杆高度为200mm，加载杆上装有变形指示器和带压力盒的加荷轭。

进一步地，所述传力杠杆上安装有反压力装置与固定砝码。固定砝码通过拉杆连接于传力杠杆。

进一步地，所述移动砝码由马达控制可沿移动杆连续移动，以连续控制施加在加载杆上的压力。

进一步地，所述马达、反压力装置、变形指示器和带压力盒的加荷轭通过电子系统与操作器及自动绘图装置有效连接，并由操作器及自动绘图装置控制。

进一步地，所述四个钢钉，钢钉尺寸皆为直径10mm，高125mm。

进一步地，天然土层每层高度为4mm、透明图层每层高度为2mm，且顶层为天然土层。

进一步地，所述自动绘图系统可结合加载系统实时绘出受压图样应力变形曲线。

所述可视化教学模型的地基破坏和变形实验方法，其特征在于：

首先，按天然土与透明土体积比2:1分层布置于开口模型槽，以形成地基土模拟系统；

然后，组装加载杆、钢钉、承压板、变形指示器与带压力盒的加荷轭，若模拟矩形基础则无需展开承压板，若模拟条形基础则展开承压板，若模拟桩基础则使钢钉穿过承压板插入土中，再调整加载杆的位置使其轴线刚好位于开口模型槽的中轴线处，此时变形指示器的上端应恰好可与反压力装置对牢并接触；

然后根据需要选择一定重量的固定砝码与拉杆连接，通过拉杆对传力杠杆的弯折端加载，即给支撑施加力臂；再操作操作器及自动绘图装置启动马达，通过马达的动力使移动杆绕其自身轴旋转再通过螺纹带动移动砝码沿移动杆移动，从而通过杠杆定理得出反压力装置对变形指示器的压力并可求出承压板对地基土模拟系统施加的压强；

实验过程中，反压力装置和带压力盒的加压轭收集加载过程中的施加在透明土模拟系统上的压力传递给操作器和自动绘图装置，变形指示器收集透明土的形变传递给操作器和自动绘图装置，操作器和自动绘图装置绘制p-s图像；

实验结束后操作者可自行查看实验过程中的p-s曲线；而直观的压密阶段、剪切阶段和破坏阶段可通过有机玻璃板及水平刻度和竖直刻度观察得到；为了使每次加载时承压板都会放在开口模型槽的中间位置，开口模型槽与支撑固定于底板上。

此外，加载过程中有机玻璃板不可避免地会出现较大的形变，这会导致实验不再接近一维加载，而缀条21的存在可在一定程度上减小这种形变，从而减小误差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以直观地在土力学课堂上展示地基破坏与变形的过程。本发明根据所加荷载的不同以及地基模型中混合土性质的不同可以模拟包括整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏等多种破坏模式；根据承压板的折叠与否以及折叠程度，可模拟不同基础作用下地基的破坏与变形特点。

2、本发明可以有效约束有机玻璃板在土侧压力作用下产生的变形，可以提供连续变化的基地附加压力，可以通过计算自动得到临塑荷载p_cr和极限荷载p_u。

3、本发明具有高度智能化的特点，可以节省很大一部分人力和时间，并且可以减少因操作者失误而造成的实验效果不明显。本发明具有占地空间小、质量轻、易组装和便携带等特点。本发明可直接得出土体p-s曲线，将本发明用于课堂教学，可以在很大程度上提高课堂教学效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为开口模型槽示意图；

图3为加载杆与承压板细部构造图；

附图标记说明：

1-传力杠杆、2-支撑、3-马达、4-反压力装置、5-变形指示器、6-带压力盒的加荷轭、7-操作器及自动绘图装置、8-钢钉、9-可折叠承压板、10-加载杆、11-移动砝码、12-移动杆、13-拉杆、14-固定砝码、15-地基土、16-钢板、17-底板、18-水平刻度、19-有机玻璃板、20-竖直刻度、21-缀条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-3所示，一种地基破坏和变形的可视化教学模型，包括开口模型槽、地基土模拟系统、加载系统和自动绘图系统，所述开口模型槽由钢板和有机玻璃板围成，钢板作为所述开口模型槽的底面和左右两侧面，有机玻璃板组成开口模型槽的前后两侧面；所述的地基土模拟系统包括透明土和天然土，其中透明土和天然土分层交替平铺于开口模型槽内，相邻的透明土层和天然土层的体积比为2:1；所述加载系统包括传力杠杆1、支撑2、马达3、移动砝码11、移动杆12、拉杆13、固定砝码14；所述自动绘图系统包括反压力装置4、变形指示器5、带压力盒的加荷轭6、操作器及自动绘图装置7；

支撑2竖直放置，其下端固定于底板上，上端通过销钉与传力杠杆1的端部相连；移动杆12为螺纹杆，且与其传力杠杆相互平行设置，移动杆的一端通过轴承连接于支撑的上部，另一端通过轴承连接于传力杠杆远离支撑一端的弯折部分；马达3固定于传力杠杆1上，同时马达3与移动杆12相连可驱动移动杆绕自身轴线转动；移动砝码11通过内部开孔套设于传力杠杆1上可沿传力杠杆移动，同时移动砝码11还具有内螺纹孔，内螺纹孔与移动杆12通过螺纹配合连接，移动杆的转动可带动移动砝码运动；拉杆13的上端通过销钉与传力杠杆的弯折部分相连，拉杆13的上端通过销钉与传力杠杆的弯折部分相连，拉杆的下端通过销钉与固定砝码14相连。反压力装置4固定连接于传力杠杆与支撑相连的一端起传力杠杆总长三分之一位置处，变形指示器5通过带压力盒的加荷轭6与加载杆10的上端固定相连。反压力装置、变形指示器和带压力盒的加压轭皆由操作器及自动绘图装置控制。

在本发明的一个优选实施例中，所述天然土层和透明土层交替布置，天然土层每层高度为4mm、透明图层每层高度为2mm，且天然土在顶层。所述加载杆上相连接的可折叠承压板位于地基模型上，以模拟不同基础条件下的一维加载，且可折叠承压板前后两端与开口模型槽前后两端的有机玻璃板接触。

此外，作为本领域的常用技术手段，所述承压板为可折叠的条形基础、矩形基础及桩基础模拟系统。所述矩形玻璃窗前壁具有竖直的刻度可用于观测基础下沉距离以及地基变形程度，进而观测整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏的现象，提供形象的教学模型。

在一个优选实施例中，所述开口模型槽的前后两有机玻璃板面上左右两侧皆刻有分度值为1mm的竖向刻度。所述开口模型槽前后两有机玻璃板面上中间偏上位置自对称轴开始向两侧刻有分度值为1mm的水平刻度。

在一个优选实施例中，所述开口模型槽为钢板焊接而成，所用钢板为1-8×400×100、2-14×250×100，钢材型号选用Q355A级钢。1-8×400×100钢板作为开口模型槽的底板2-14×250×100钢板作为开口模型槽的两侧面。所述三片钢板通过角焊缝焊接成开口模型槽的左右侧面与底面部分，所用焊接方法为手工电弧焊，焊条型号为E50型，角焊缝尺寸为6mm。

在一个优选实施例中，所述缀条为∠56×36×3号不等边角钢，该不等边角钢的短边通过高强螺栓连接于有机玻璃板。

在一个优选实施例中，所述承压板折叠后尺寸为100×100mm²，完全开展后尺寸为100×500mm²。进一步地，所述承压板上所开四个孔洞，每个孔洞圆心与相邻两边距离分别为25mm、25mm，孔洞直径皆为10mm。

在一个优选实施例中，所述加载杆高度为200mm。所述四个钢钉，钢钉尺寸皆为直径10mm，高125mm。

在空载时，天然土与透明土的分界面均为水平面，对于整体剪切破坏，在逐级加载过程中，土体先后经历压密阶段、剪切阶段、破坏阶段。在压力不超过临塑荷载时，土体变形处于线性阶段，此阶段土体内各点的剪应力均小于土的抗剪强度，土体处于弹性平衡状态，具体表现为土体被逐渐压密，基础底面一定范围的分界线由于压力地逐级增加而下移、弯曲。当荷载继续增加，直至超过临塑荷载时，从基底边缘开始出现塑性变形区，并且随着荷载的增大，塑性变形区不断加深，土体变形速率随着荷载的增大而增加，表现为具体p-s曲线开始弯曲，土体塑性变形区附近的土体分界面的曲线发生一定错位，即形成局部的剪切滑动面，并且发生错位的曲线数目越多，塑性区范围越大，剪切滑动面越长。当荷载继续增大，直至超过极限荷载时，形成连续的剪切滑动面，基础急剧下降，即使不增加荷载，沉降也不能停止，此时土体即发生整体剪切破坏。当基础埋置较深或采用桩基础，并且采用一定压缩性的砂土或一般粘性土，可模拟局部剪切破坏及冲剪破坏。本教学模型用于课堂教学中可以使学生直观地观察到条形基础、矩形基础以及桩基础破坏过程和破坏模式，滑动面的形成位置和发展历程以及地基破坏过程实时绘制的p-s曲线，有利于丰富教学形式，提高教学质量。

使用本发明的装置时，首先按天然土与透明土体积比2:1分层布置于开口模型槽16，以形成地基土模拟系统15，然后组装加载杆10、钢钉8、承压板9、变形指示器5与带压力盒的加荷轭6，若模拟矩形基础则无需展开承压板9、若模拟条形基础则展开承压板9、若模拟桩基础则使钢钉8穿过承压板插入土中，再调整加载杆的位置使其轴线刚好位于开口模型槽的中轴线处，此时变形指示器5的上端应恰好可与反压力装置4对牢并接触。然后根据需要选择一定重量的固定砝码14与拉杆13连接，通过拉杆13对传力杠杆1的弯折端加载，即给支撑2施加力臂。再操作操作器及自动绘图装置7启动马达3，通过马达3的动力使移动杆12绕自身轴旋转再通过螺纹使移动砝码11沿移动杆移动即调整对支撑2的力臂，从而通过杠杆定理得出反压力装置4对变形指示器5的压力并可求出承压板9对地基土模拟系统15施加的压强；

实验过程中，反压力装置4和带压力盒的加压轭6收集加载过程中的施加在透明土模拟系统上的压力传递给操作器和自动绘图装置7，变形指示器5收集透明土的形变传递给操作器和自动绘图装置7，有关计算部分及p-s图像的绘制皆由操作器和自动绘图装置7，实验结束后操作者可自行查看实验过程中的p-s曲线；而直观的土体压密变形基础沉降即压密阶段、土中形成连续的滑移面即剪切阶段和基础急剧下沉或土体大量挤出隆起即破坏阶段可通过有机玻璃板19及水平刻度18和竖直刻度19观察得到。此外，加载过程中有机玻璃板不可避免地会出现较大的形变，这会导致实验不再接近一维加载，而缀条21的存在可在一定程度上减小这种形变，从而减小误差；为了使每次加载时承压板都会放在开口模型槽的中间位置，开口模型槽16与支撑2固定于底板17上。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，所述教学模型包括开口模型槽、地基土模拟系统、加载系统和自动绘图系统；

所述开口模型槽由钢板和有机玻璃板围成，钢板作为所述开口模型槽的底面和左右两侧面，有机玻璃板组成开口模型槽的前后两侧面；所述的地基土模拟系统包括透明土和天然土，其中透明土和天然土分层交替平铺于开口模型槽内，相邻的透明土层和天然土层的体积比为2:1；所述加载系统包括传力杠杆、支撑、马达、移动砝码、移动杆、拉杆、固定砝码；所述自动绘图系统包括反压力装置、变形指示器、带压力盒的加荷轭、操作器及自动绘图装置；

支撑竖直放置，其下端固定于底板上，上端通过销钉与传力杠杆的端部相连；移动杆为螺纹杆，且与其传力杠杆相互平行设置，移动杆的一端通过轴承连接于支撑的上部，另一端通过轴承连接于传力杠杆远离支撑一端的弯折部分；马达固定于传力杠杆上，同时马达与移动杆相连可驱动移动杆绕自身轴线转动；移动砝码通过内部开孔套设于传力杠杆上可沿传力杠杆移动，同时移动砝码还具有内螺纹孔，内螺纹孔与移动杆通过螺纹配合连接，移动杆的转动可带动移动砝码运动；拉杆的上端通过销钉与传力杠杆的弯折部分相连，拉杆的下端通过销钉与固定砝码相连；反压力装置固定连接于传力杠杆A，变形指示器通过带压力盒的加荷轭与加载杆的上端固定相连；反压力装置、变形指示器和带压力盒的加压轭皆由操作器及自动绘图装置控制。

2.根据权利要求1所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，所述的开口模型槽是由槽形钢作为本开口模型槽的框架，其中正对观察者前后侧面的为透明有机玻璃板，有机玻璃板通过高强螺栓与槽钢框架固定连接，在连接处用胶水密封。

3.根据权利要求2所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，有机玻璃板以底边为零点，向上水平刻有高度标尺。

4.根据权利要求3所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，通过设置缀条约束有机玻璃板在土侧压力作用下发生的变形。

5.根据权利要求4所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，采用的缀条为不等边角钢，短边通过高强螺栓连接于有机玻璃板。

6.根据权利要求1所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，所述反压力装置固定于传力杠杆上，其距离传力杠杆与支撑相连的一端的距离为传力杠杆总长的三分之一。

7.根据权利要求1所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，所述可折叠承压板上与加载杆相焊接的板面部分在焊缝四周等间距地开有四个孔洞，孔洞内安放有可上下移动并随时固定的钢钉。

8.根据权利要求1所述的地基破坏和变形的可视化教学模型，其特征在于，自动加载系统通过支撑与底板相连，其中传力杠杆与支撑之间为铰接，底板与支撑之间为固结。

9.一种权利要求1所述可视化教学模型的地基破坏和变形实验方法，其特征在于：

首先，按天然土与透明土体积比2:1分层布置于开口模型槽，以形成地基土模拟系统；

然后，组装加载杆、钢钉、承压板、变形指示器与带压力盒的加荷轭，若模拟矩形基础则无需展开承压板，若模拟条形基础则展开承压板，若模拟桩基础则使钢钉穿过承压板插入土中，再调整加载杆的位置使其轴线刚好位于开口模型槽的中轴线处，此时变形指示器的上端应恰好可与反压力装置对牢并接触；

然后根据需要选择一定重量的固定砝码与拉杆连接，通过拉杆对传力杠杆的弯折端加载，即给支撑施加力臂；再操作操作器及自动绘图装置启动马达，通过马达的动力使移动杆绕其自身轴旋转再通过螺纹带动移动砝码沿移动杆移动，从而通过杠杆定理得出反压力装置对变形指示器的压力并可求出承压板对地基土模拟系统施加的压强；

实验过程中，反压力装置和带压力盒的加压轭收集加载过程中的施加在透明土模拟系统上的压力传递给操作器和自动绘图装置，变形指示器收集透明土的形变传递给操作器和自动绘图装置，操作器和自动绘图装置绘制p-s图像；

实验结束后操作者可自行查看实验过程中的p-s曲线；而直观的压密阶段、剪切阶段和破坏阶段可通过有机玻璃板及水平刻度和竖直刻度观察得到；为了使每次加载时承压板都会放在开口模型槽的中间位置，开口模型槽与支撑固定于底板上。

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