[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

说明书

本发明提出一种水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪及使用方法，包括竖向升降加压系统、环向转动系统、剪切室和监测系统；竖向升降加压系统包括竖向动力装置和龙门支架；龙门支架的横梁上设置有环状压盘结构；环向转动系统包括转动盘和环向动力装置；转动盘上固定有用于放置土体试样的透明的圆环剪切盒；环状压盘结构可间隙配合嵌入圆环剪切盒内，与土体试样相接；剪切室包括罩在圆环剪切盒及环状压盘结构外的剪切室外罩，用于盛放水；监测系统用于监测环状压盘结构与土体试样连接界面。本发明能够模拟测定水下基础结构与土体接触界面的受力状态，并实时观测结构—土体界面处土体的运动状态和界面水带的形成和变化。

技术领域

本发明涉及土木测试仪器技术领域，具体地说是涉及一种水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪及使用方法。

背景技术

深海自然环境复杂恶劣，荷载作用复杂。海底基础结构物（主要包括吸力桶基础、吸力锚和平板锚等）在服役期间，将承受自身重力、浮力以及风、波浪、水流等通过系泊缆传递的荷载作用力。海底基础承载性能主要由结构与土之间的界面强度控制；在长期循环动荷载作用下，结构—土体界面强度逐渐弱化，且结构—土体界面还会形成界面水带，这将威胁到整个海洋平台的安全和稳定。

传统界面剪切仪用于监测土体界面的剪切实验及分析，无法用于水下的结构—土体界面的实验，且存在应力应变不均匀、只能满足小位移剪切等。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪及使用方法，能够模拟测定水下基础结构与土体接触界面的抗剪强度、摩擦角、粘聚力，并实时观测在剪切过程中结构—土体界面处土体的运动状态和界面水带的形成和变化，且应力施加均匀，剪切位移范围大。

技术方案：本发明提出一种水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，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和龙门支架；所述竖向动力装置连接龙门支架的两个立柱，施加竖直方向的载荷；所述龙门支架的横梁上设置有竖向压力杆；所述竖向压力杆的下端面设置有环状压盘结构；

所述环向转动系统包括转动盘和环向动力装置；所述环向动力装置连接转动盘，驱动转动盘转动；所述转动盘上固定有用于放置土体试样的透明的圆环剪切盒；所述圆环剪切盒、转动盘的转动轴心及竖向压力杆同轴；所述环状压盘结构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相接；所述圆环剪切盒的下端与转动盘之间设置有透水层；

所述剪切室包括位于转动盘外周的固定座和固定在固定座上的剪切室外罩；所述剪切室外罩罩在圆环剪切盒及环状压盘结构外，用于盛放水体；

所述监测系统用于监测环状压盘结构与土体试样连接界面。

进一步，所述剪切室外罩上设置有排气孔；所述固定座内设置有进/回水管，连通至剪切室外罩内腔。

进一步，所述透水层为透水石；所述转动盘上还设置有排水孔。

进一步，所述圆环剪切盒包括中心圆柱和套装在中心圆柱外周的圆环套筒；土体试样置于中心圆柱与圆环套筒的环状间隙内。

进一步，所述监测系统包括位于剪切室外罩内的内窥放大镜和位于剪切室外罩外的电子显微镜；所述内窥放大镜用于观察环状压盘结构与土体试样连接界面处的土体颗粒在剪切过程中的运动；所述电子显微镜用于监测环状压盘结构与土体试样连接界面处的界面水带形成并测定其厚度的变化。

进一步，所述竖向压力杆上设置有扭矩传感器和竖向位移传感器。

一种上述的水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪的使用方法，包括以下步骤：

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