[发明专利]一种模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备及试验方法

权利要求书

1.一种模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，包括反力框架，反力框架内安装有法向加载系统、水平加载系统、试验台和剪切盒，其特征在于：所述试验台上设置水槽，剪切盒放置在水槽内；所述法向加载系统位于试验台上方并对剪切盒内的试样施加从上向下的法向压力，法向加载系统包括顶头朝下的法向千斤顶和连接在法向千斤顶的基座与反力框架之间的滚轴排，所述水平加载系统位于剪切盒的左右两侧并对剪切盒外壁施加剪切力，所述法向加载系统和水平加载系统均从水槽的外壁穿入水槽内，法向加载系统和水平加载系统均与水槽的外壁之间密封滑动连接，水槽外壁为透明材质制成；水槽内注水并配设流速调控系统。

2.根据权利要求1所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：对试样进行剪切破坏试验过程中，所述水槽全封闭且连接有增压系统。

3.根据权利要求1或2所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述法向千斤顶的顶头安装有压盘，剪切盒包括底槽和位于底槽上面的剪切槽，底槽和剪切槽均由侧壁围合而成且上下开口，底槽与剪切槽的侧壁上下对应，压盘与剪切槽内壁之间为间隙配合，压盘与剪切槽内壁的间隙小于等于1cm，法向千斤顶对剪切盒中试样施加的压力为：

式中，F是法向千斤顶对剪切盒中试样施加的压力，C是工况系数，工况系数的值等于包含试样的建筑物水上高度与试样所在位置水下深度的比值，ρ₁是试样密度，S是试样的垂直投影面积，P是水槽内的压强，通过增压系统读取数值，ρ₂是水槽内水的密度，α是边坡角度，即建筑物外表面与水平面的夹角，取值范围为(0°，90°]。

4.根据权利要求3所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述水平加载系统包括依次贯穿所述反力框架和水槽的侧壁并与所述底槽外壁相抵的传力装置和贯穿水槽的侧壁并与剪切槽外壁相抵的水平千斤顶，传力装置与反力框架螺纹连接，传力装置尾端设置转轮；传力装置与水平千斤顶的施力方向相反；

所述法向千斤顶、传力装置和水平千斤顶与水槽的外壁之间均通过四氟密封圈进行密封。

5.根据权利要求4所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述传力装置的顶头通过止推轴承安装有抵接板，抵接板与底槽的外壁轮廓相适配。

6.根据权利要求4所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述水槽的顶板与水槽的侧壁通过搭扣和密封件扣合密封连接，所述水槽的顶板内开设夹层腔，夹层腔内设置平动板，夹层腔的内表面和/或平动板的外表面铺设四氟垫片，四氟垫片将夹层腔的内表面和平动板的外表面之间的间隙密封；平动板和水槽侧壁上均开设过孔，过孔内设置有套筒，所述四氟密封圈设置在套筒的内壁；顶板上在平动板的套筒两侧沿平行于水平加载的方向开设缺口。

7.根据权利要求6所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述平动板与夹层腔之间通过所述四氟垫片达到过盈配合的状态。

8.根据权利要求6所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述缺口在垂直于所述反力框架所在平面方向上的宽度大于等于所述套筒的外径并小于等于所述平动板的宽度，所述平动板始终保持全覆盖所述缺口的状态。

9.根据权利要求1所述的模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验设备，其特征在于：所述水槽连通有注水管道和排水管道，注水管道和排水管道配设水阀；所述流速调节系统包括水泵和流速测量仪。

10.模拟真实水下环境中的岩石剪切破坏试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取试样工况参数：按照设计规划，获取试样拟建造建筑物的工况参数：包括建筑物水上高度、试样所在位置的水下深度、边坡角度、水流速度；

2)制样：将浇注成型的试样放入剪切盒；

3)调整试验设备：将填充试样的剪切盒放入试验台的水槽内并封闭水槽的顶板，法向加载系统、水平加载系统进入水槽，通过转轮调整传力装置的顶头抵接在剪切盒的底槽侧壁，然后水平千斤顶的顶头正对剪切槽的侧壁，最后法向千斤顶顶头上的压盘正对剪切槽的几何中心并向下压紧剪切盒中的试样；

4)注水：打开注水管道的水阀向水槽内注水直到水面淹没剪切盒为止，关闭注水管道的水阀；

5)加压：通过增压系统对水槽内加压；加压分为两种方式：第一种是直接使水槽内的水压达到试样拟施工水深位置的水压值；第二种是梯度加压试验；

6)剪切破坏并记录数据：根据公式(1)计算法向千斤顶的压力，保持法向千斤顶的压力，使水平千斤顶的压力值逐步增大，并记录试样剪切破坏时水平千斤顶的压力值；

7)泄压、排水并进行数据分析：关闭增压系统；打开排水管道的水阀将水槽内的水排出，退回法向加载系统和水平加载系统，清理剪切盒和水槽；通过数据分析，得出岩石试样的抗剪强度参数，即粘聚力和内摩擦角。