[发明专利]水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪及使用方法

权利要求书

1.一种水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：包括竖向升降加压系统、环向转动系统、剪切室和监测系统；

所述竖向升降加压系统包括竖向动力装置（101）和龙门支架；所述竖向动力装置（101）连接龙门支架的两个立柱（102），施加竖直方向的载荷；所述龙门支架的横梁（103）上设置有竖向压力杆（104）；所述竖向压力杆（104）的下端面设置有环状压盘结构（105）；

所述环向转动系统包括转动盘（201）和环向动力装置（202）；所述环向动力装置（202）连接转动盘（201），驱动转动盘（201）转动；所述转动盘（201）上固定有用于放置土体试样（500）的透明的圆环剪切盒；所述圆环剪切盒的轴心、转动盘（201）的转动轴心及竖向压力杆（104）同轴；所述环状压盘结构（105）可间隙配合嵌入圆环剪切盒内，与圆环剪切盒内的土体试样（500）相接；所述圆环剪切盒的下端与转动盘（201）之间设置有透水层（203）；

所述剪切室包括位于转动盘（201）外周的固定座（301）和固定在固定座（301）上的剪切室外罩（302）；所述剪切室外罩（302）罩在圆环剪切盒及环状压盘结构（105）外，用于盛放水体；

所述监测系统用于监测环状压盘结构（105）与土体试样（500）连接界面；

所述剪切室外罩（302）上设置有排气孔（303）；所述固定座（301）内设置有进/回水管（304），连通至剪切室外罩（302）内腔；

所述透水层（203）为透水石；所述转动盘（201）上还设置有排水孔（204）；

所述圆环剪切盒包括透明的中心圆柱（205）和套装在中心圆柱（205）外周的透明的圆环套筒（206）；土体试样（500）置于中心圆柱（205）与圆环套筒（206）的环状间隙内；

所述监测系统包括位于剪切室外罩（302）内的内窥放大镜（401）和位于剪切室外罩（302）外的电子显微镜（402）；所述内窥放大镜（401）用于观察环状压盘结构（105）与土体试样（500）连接界面处的土体颗粒在剪切过程中的运动；所述电子显微镜（402）用于监测环状压盘结构（105）与土体试样（500）连接界面处的界面水带形成并测定其厚度的变化。

2.根据权利要求1所述的水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述竖向压力杆（104）上设置有扭矩传感器和竖向位移传感器。

3.一种如权利要求2所述的水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、打开排气孔（303），从进/回水管（304）向剪切室注入水；直至排气孔（303）中有水溢出时，关闭排气孔（303）；直至剪切室的水压达到预设压力，关闭进/回水管（304）；预设压力可模拟不同水深的水压；

步骤2、通过竖向升降加压系统将环状压盘结构（105）与土体试样（500）接触并施加一定的压力使其固结；

步骤3、通过竖向升降加压系统向环状压盘结构（105）施加竖向的往复载荷，环状压盘结构（105）产生竖向的往复位移；通过所述环向转动系统向土体试样（500）施加剪切力，并使其往复转动；

步骤4、利用扭矩传感器实时测定的扭矩推算出环状压盘结构（105）与土体试样（500）的接触界面剪切应力τ = M /A，其中M为扭矩传感器测得的接触界面所受到的扭矩，A为接触界面面积；当竖向位移传感器测定环状压盘结构（105）产生竖直向上位移，环状压盘结构（105）与土体试样（500）分离，则扭矩传感器测得的接触界面的扭矩为0；

步骤5、通过内窥放大镜（401）动态观察环状压盘结构（105）与土体试样（500）接触界面处的土体颗粒在剪切过程中的运动；

步骤6、当环状压盘结构（105）与土体试样（500）分离，环状压盘结构（105）与土体试样（500）之间形成界面水带；电子显微镜（402）在视域内测定界面水带的形成及其厚度的变化。

4.根据权利要求3所述的水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪的使用方法，其特征在于，步骤6的界面水带厚度测量步骤如下：

步骤6.1、在剪切试验过程中提取各个试验阶段的界面图像，并保存；

步骤6.2、在使用电子显微镜（402）测量功能之前，选用一个或多个放大倍率进行对应校准；校准时，对同一个实际值进行多次测量取平均值；

步骤6.3、在测量软件中打开步骤6.1保存的界面图像；选择步骤6.2校准对应的放大倍率，输入对应放大倍率下的校准值，进行水带厚度的测量。