CN120404427A - 一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程基础物性测量技术领域，公开了一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法。该含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置包括空心圆柱扭剪斧、内压力室控制系统、外压力室控制系统、温度控制系统、气水控制系统、轴向‑扭剪控制系统以及数据采集及控制系统。本发明利用内压力室控制系统、外压力室控制系统以及温度控制系统调节空心圆柱扭剪斧内部的温压条件，从而实现不同分解方式/分解时间/分解梯度下的水合物海洋土不同中主应力大小的定向剪切试验、非共轴试验、倾斜固结试验等复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。

Description

一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程基础物性测量技术领域，涉及一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法。

背景技术

准确获取真实应力状态下含水合物海洋土的力学参数，是实现水合物资源安全高效开采的首要前提，更是保障开采钻井隔水导管、浮式海洋平台的吸力桩（桶）等海工结构可靠设计和运行的关键条件。已有公告号CN114252351B（环剪试验装置）、CN112710554B（三轴剪切、渗流一体化试验装置）、CN118746502B（水合物海洋土与结构界面剪切特性试验装置）以及CN104833582B（水合物海洋土三轴试验装置）对获得含水合物海洋土的力学参数和变形特性提供了有效手段，然而这些仪器条件下的含水合物海洋土的应力状态相对简单，无法真实还原含水合物海洋土储层的复杂的应力状态，难以支撑后续水合物资源商业化开采，增加发生地质灾害（如触发海啸和地震）和生态环境连锁反应（加剧温室效应等）概率。

在水合物资源的长期开采工程中，风暴、波浪等复杂的海洋环境荷载持续通过开采钻井隔水导管传递至浅层的水合物海洋土储层，这使得含水合物海洋土处于时刻处于复杂的应力状态，甚至发生主应力方向的旋转。有研究（Brosse等.TheundrainedshearstrengthanisotropyoffourJurassictoEocenestiffclays.Géotechnique,2017,67(8):653-671.）指出，土体的抗剪切强度可能随着主应力方向的旋转呈现出先下降再略微上升的趋势，表现出强度各向异性行为。空心圆柱扭剪试验被认为是最适合研究土的强度各向异性的室内试验设备，也是为数不多的能够精确控制任意主应力方向的试验手段之一。然而，现有CN202411942283.1公布的基于冻融-非饱和动荷载空心圆柱扭剪仪，仅可实现温度控制，无法满足低温、高压等含水合物海洋土赋存的条件，并缺少水合物独特的气源环境。因此，目前国内外针对于含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的研发尚属空白。

因此，本发明创新性的研发了一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法，精确描绘含水合物海洋土在复杂的应力状态下的宏观力学特性，是推动含水合物海洋土特殊土力学发展的关键前提，为资源开发以及区域地质灾害的防控提供坚实的科学依据和技术支撑。

发明内容

本发明目的在于填补国、内外关于水合物海洋土空心圆柱扭剪测试的空白，提供一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置及测试方法。

本发明的技术方案：

一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，包括空心圆柱扭剪斧1、内压力室控制系统2、外压力室控制系统3、温度控制系统4、气水控制系统5、轴向-扭剪控制系统6以及数据采集及控制系统7；

所述空心圆柱扭剪斧1，包括高压反应斧1-1、上承台1-2、上压头1-3、环形金属透水石1-4、环形滤纸1-5、内膜1-6、外膜1-7、下压头1-8、内膜固定器1-9、O型垫片1-10、O型密封圈1-11、连接螺栓1-12、下承台1-13、操作台1-14、密封螺栓1-15和含水合物海洋土1-16；高压反应斧1-1通过密封螺栓1-15密封连接于操作台1-14上，为空心圆柱扭剪斧1提供密封环境；上承台1-2位于高压反应斧1-1上部，通过金属连接杆刚性连接在高压反应斧1-1的内壁面上，其上设有螺栓孔和O型密封圈卡槽；上压头1-3上端设有承台结构，为内膜1-6提供上端约束，其通过连接螺栓1-12连接于上承台1-2上，共同为含水合物海洋土1-16提供试样上端约束，上压头1-3内部设排气水通道以及排油通道；内膜1-6下端通过内膜固定器1-9和O型垫片1-10固定于下压头1-8上，其上端通过O型密封圈1-11和连接螺栓1-12固定于上压头1-3上；外膜1-7下端通过O型密封圈1-11固定于下压头1-8，其上端同样通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3；外膜1-7与高压反应斧1-1之间的空间形成外压力室，注满硅油后内膜1-6的内部空间则形成内压力室，通过内压力室控制系统2以及外压力室控制系统3分别调节内压力室和外压力室的压力；下压头1-8通过连接螺栓1-12连接于下承台1-13上，共同为含水合物海洋土1-16提供试样下端约束，下压头1-8内部设有内压力室硅油通道以及进气水通道；环形金属透水石1-4设置在含水合物海洋土1-16上，其表面设有防滑刀片，为了避免扭剪试验过程中环形金属透水石1-4和含水合物海洋土1-16发生脱离现象，影响试验结果。

试验过程中，首先将将内膜1-6下端固定于下压头1-8上，在内膜1-6内放入内承膜桶并将内膜1-6上端外翻至内承膜桶上，使得内膜1-6的内表面紧贴内承膜桶；将外膜1-7下端固定于下压头1-8的外侧，在外膜1-7内放入外承膜桶并将外膜1-7上端外翻至外承膜桶上，使得外膜1-7的内表面紧贴外承膜桶；将下压头1-8上依次放置环形金属透水石1-4以及环形滤纸1-5后，通过以上步骤实现空心圆柱制样空间，后向其内部分层填装含水合物海洋土1-16的基质材料，填装完成后，在含水合物海洋土1-16上依次放置环形滤纸1-5以及环形金属透水石1-4后，再放置上压头1-3；将内膜1-6的上端通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除内承膜桶，将外膜1-7通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除外承膜桶，通过连接螺栓1-12将填装完成后含水合物海洋土1-16连同下压头1-8固定于下承台1-13，通过装置最底部的轴向-扭转伺服器调节下承台1-13的高度直至上压头1-3与上承台1-2紧密连接，上承台1-2内部的O型密封圈1-11和连接螺栓1-12一同为形成封闭的内压力室服务。

所述内压力室控制系统2，包括内压力室体积控制器2-1、内压力室硅油存储罐2-2、内压力室调压阀2-3、阀门a2-4、阀门b2-5、阀门c2-6、上排油管线2-7以及排油阀门2-8；内压力室体积控制器2-1通过阀门b2-5后的管路与内压力室硅油存储罐2-2依次通过内压力室调压阀2-3、阀门a2-4后的管路汇合；汇合管路通过下压头1-8内部设有的内压力室硅油通道至内压力室内部，汇合管路上设置有内压力室传感器7-5和阀门c2-6，共同为空心圆柱扭剪斧1的内压力室提供压力保障，上排油管线2-7以及排油阀门2-8依次与上压头1-3内部设置排油通道连接，目的是确保内压力室充满硅油；

所述外压力室控制系统3，包括外压力室体积控制器3-1、外压力室硅油存储罐3-2、外压力室调压阀3-3、阀门d3-4、阀门e3-5以及阀门f3-6；外压力室体积控制器3-1通过阀门e3-5后的管路与外压力室硅油存储罐3-2依次通过外压力室调压阀3-3、阀门d3-4后的管路汇合，汇合管路通过操作台1-14内部的布线通道至外压力室，汇合管路上设置有外压力室传感器7-6和阀门f3-6，共同为空心圆柱扭剪斧1的外压力室提供压力保障；

所述的温度控制系统4主要为合成含水合物海洋土1-16提供合适的温度环境，包括水域装置4-1、水域夹套4-2以及保温管路4-3；水域装置4-1通过保温管路4-3密封连接于水域夹套4-2，水域夹套4-2位于高压反应斧1-1内壁内部，二者协同实现温度控制，为空心圆柱扭剪斧1提供温度保障；

所述的气水控制系统5，包括水合物气体存储罐5-1、调压阀5-2、无气水体积控制器5-3、阀门g5-4、阀门h5-5、阀门i5-6、排气水管线5-7和排气水阀5-8；水合物气体存储罐5-1过调压阀5-2和阀门g5-4后分为两个支路，一支路经过阀门h5-5和气水压力传感器7-4后与下压头1-8上的进气水通道相连，共同为合成含水合物海洋土1-16提供水合物气体，并提供合成水合物所需的气压；另一支路经过阀门i5-6与无气水体积控制器5-3的入口端相连，无气水体积控制器5-3、阀门h5-5与阀门i5-6协同工作用于含水合物海洋土1-16的驱气饱和；排气水管线5-7与上压头1-3内部设有排气水通道相连接，其上设有排气水阀5-8；具体操作为，在合成含水合物海洋土1-16后，关闭调压阀5-2、阀门g5-4以及阀门h5-5，调节无气水体积控制器5-3的压力控制至与含水合物海洋土1-16内部孔隙压力一致后，打开阀门h5-5与阀门i5-6，通过多次打开与排气水管线5-7与上压头1-3内部设排气水通道相连接的排气水阀5-8，为含水合物海洋土1-16驱气饱和的过程中提供水合物气体和无气水的通道；

所述的轴向-扭剪控制系统6，包括轴向-扭剪伺服控制系统6-1、导向环6-2、动密封圈6-3和轴向-扭剪传力杆6-4，主要为含水合物海洋土1-16试样施加复杂的剪切应力；具体问言，轴向-扭剪传力杆6-4上端通过连接螺栓1-12连接下承台1-13，其下端连接于轴向-扭剪伺服控制系统6-1上，中间经过导向环6-2以及动密封圈6-3通过操作台1-14，动密封圈6-3在承受35MPa压力下仍可保证密封的有效性；

所述的数据采集及控制系统7，包括各个传感器、数据采集仪7-9以及上位机7-10，主要实现含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的自动化控制与采集，保证试验数据的可靠性。具体而言，轴向位移传感器7-1以及扭转角度传感器7-2固定于轴向-扭剪传力杆6-4上，分别用于监测含水合物海洋土1-16试验过程中的轴向位移以及扭转角度；轴力扭矩传感器7-3固定于上承台1-2连接的金属连接杆之上，用于监测含水合物海洋土1-16试验过程中的轴向力以及扭矩；气水压力传感器7-4用于监测含水合物海洋土1-16内部的孔隙压力，位于阀门h5-5和下压头1-8上的进气水通道相连的管路上；内压力室传感器7-5用于监测内压力室内部的围压，位于阀门c2-6与下压头1-8连接的管路上；外压力室传感器7-6用于监测高压反应斧1-1内部的围压；温度传感器7-7固定于上承台1-2连接的金属连接杆之上，用于监测高压反应斧1-1内部的温度；这些传感器通过数据采集线7-8共同连接于数据采集仪7-9，试验数据经过数据采集仪7-9信号的转换后输入至上位机7-10，实现数据的自动化采集和控制。

作为优选，高压反应斧1-1的材料为7075航空铝合金，上承台1-2、上压头1-3、下压头1-8、下承台1-13以及操作台1-14均为1-1316L不锈钢特制；水域夹套4-2，内部采用有螺旋式纹路设计，确保空心圆柱扭剪斧1快速换热。

作为优选，水合物气体存储罐5-1中水合物气体可以是纯度99.99%的甲烷气体、纯度99.99%的二氧化碳气体、纯度99.99%的氙气气体；

作为优选，所有涉及管路均为软制不锈钢管路，均采用柔性较好的1/16不锈钢无缝卡套管及高压气动管线。

作为优选，内压力室体积控制器2-1、外压力室体积控制器3-1以及无气水体积控制器5-3均为由微处理器控制的螺旋泵，可精确控制和测量流体压力及体积变化，可提供不小于35MPa的压力；

作为优选，所述的传感器均可实现高低压差（5kPa-35MPa）高低温差（-20-65℃）环境下的使用，测量精度为±0.1%。

作为优选，内压力室控制系统2、外压力室控制系统3、温度控制系统4、气水控制系统5以及轴向-扭剪控制系统6都可以由计算机手动或自动控制。仪器的数据采集及控制系统7采用应力控制和应变控制两套控制方法，其中，应力控制通过应力增量变化率为控制方法，而应变控制通过位移变化率为控制方法。

一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪装置的测试方法，包括：

S1.线路连通：将含水合物海洋土空心圆柱扭剪装置的管路搭接完毕后，将数据采集及控制系统7中各传感器依次通过数据采集线7-8与数据采集仪7-9及上位机7-10连接，通过上位机7-10中的数据采集控制软件进行数字控制系统连接，即通过上位机7-10控制内压力室控制系统2、外压力室控制系统3、温度控制系统4、气水控制系统5以及轴向-扭剪控制系统6的运行。必须注意的是，由于位移控制相对稳定所以各个系统均由位移来控制，从而防止试验事故的发生。在确保所有系统稳定运行之后，再对各个传感器进行归零处理。

S2.试样制备安装和气密性检测：升起空心圆柱扭剪斧1的高压反应斧1-1，将下压头1-8从下承台1-13上卸除后放置空场区域，首先将内膜1-6下端通过内膜固定器1-9、O型垫片1-10以及连接螺栓1-12固定于下压头1-8上，在内膜1-6内放入内承膜桶并将内膜1-6上端外翻至内承膜桶上，使得内膜1-6的内表面紧贴内承膜桶；将外膜1-7下端固定于下压头1-8外侧，在外膜1-7内外承膜桶并将外膜1-7上端外翻至外承膜桶上，使得外膜1-7的外表面紧贴外承膜桶；将下压头1-8上依次放置环形金属透水石1-4以及环形滤纸1-5后，通过以上步骤实现空心圆柱制样空间，依次放置环形金属透水石1-4以及环形滤纸1-5后，分层填装含水合物海洋土1-16的基质材料至设计高度，在基质材料上表面依次放置环形滤纸1-5以及环形金属透水石1-4后，放置上压头1-3，将内膜1-6上端通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除内承膜桶，将外膜1-7通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除外承膜桶，通过连接螺栓1-12将填装完成后含水合物海洋土1-16连同下压头1-8固定于下承台1-13，通过装置最底部的轴向-扭转伺服器调节下承台1-13的高度直至上压头1-3与上承台1-2紧密连接，上承台1-2内部的O型密封圈1-11和连接螺栓1-12一同为形成封闭的内压力室服务。随后，下落高压反应斧1-1，通过密封螺栓1-15固定于操作台1-14。为消除填装含水合物海洋土1-16的基质材料过程中各个传感器的扰动，再次进行传感器清零，提高试验的精确性。

S3.含水合物海洋土试样的合成：首先对内压力室注油，打开阀门c2-6、控制阀门b2-5和阀门a2-4为内压力室内部注入硅油，同时调节内压力室体积控制器2-1至最大量程，待硅油从上排油管线2-7排出0.5倍内压力室体积的油量后，表示内压力室已注满，关闭阀门a2-4以及排油阀门2-8。位移控制内压力室体积控制器2-1施加5kPa的内压力；其次对空心圆柱扭剪斧1注油，打开阀门f3-6、控制阀门e3-5和阀门d3-4为空心圆柱扭剪斧1注入硅油，同时调节外压力室体积控制器3-1至最大量程，待硅油注满后，关闭阀门d3-4。同样位移控制外压力室体积控制器3-1施加5kPa的外压力；同时压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1对空心圆柱形的含水合物海洋土1-16的基质材料施加500kPa的预压力，同时打开水域装置4-1，调节温度为2℃。温度调节过程应持续6小时左右，待空心圆柱扭剪斧1内部温度稳定后，关闭阀门i5-6，依次打开调压阀5-2、阀门g5-4以及阀门h5-5，为含水合物海洋土1-16提供所需的水合物气体（纯度99.99%的甲烷气体或纯度99.99%的二氧化碳气体或纯度99.99%的氙气气体）和设计的孔隙压力（7900kPa），于此同时，相应地压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1的压力值，保证气水压力传感器7-4的示数要时刻小于内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6，且内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6示数时刻相等，最终气水压力传感器7-4的示数为7900kPa，内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6的示数均为8000kPa，关闭阀门g5-4以及阀门h5-5。此时的温压条件被认为室满足含水合物海洋土1-16内部甲烷水合物固体的生成。当气水压力传感器7-4的示数稳定后，认为含水合物海洋土1-16生成完毕，记录终止气压，利用气体消耗法确定含水合物海洋土1-16真实的水合物饱和度。

S4.水合物海洋土试样的饱和与固结：含水合物海洋土1-16内部水合物生成结束后，需要用氮气驱除试样中的水合物气体，目的是防止多余的水合物气体与水饱和过程中的无气水在稳定的温压条件下再次生成水合物。将无气水体积控制器5-3的无气水压调整至含水合物海洋土1-16内部的孔隙压力，打开阀门i5-6和阀门h5-5，待气水压力传感器7-4示数稳定后，多次打开排气水阀5-8，直至排气水阀5-8出现含水合物海洋土1-16内孔隙体积3倍的无气水，并确保每个含水合物海洋土1-16试样的孔隙水压力系数B超过0.95，则认为含水合物海洋土1-16为水饱和试样。根据具体实验工况，同时调节压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1至目标值，并对含水合物海洋土1-16进行固结，待含水合物海洋土1-16轴向位移小于0.05%/min时，认为固结完成，可继续试验。

S5.含水合物海洋土空心圆柱扭剪试验：试验过程中维持空心圆柱扭剪斧1内温度恒定，保证扭剪过程中含水合物海洋土1-16内部的水合物不分解。在试验过程中，利用上位机7-10调节轴向-扭剪控制系统6、内压力室控制系统2以及外压力室控制系统3，分别对空心圆柱形状的含水合物海洋土1-16试样两端分别施加轴力和扭矩，内、外压力室分别施加内外围压，通过独立地改变四种外荷载（轴力W、扭矩T、内围压力P_i和外围压力P_o）的大小，可以实现含水合物海洋土1-16试样内部主应力大小和方向的控制。

含水合物海洋土1-16试样的单元体应力（轴向应力σ_z、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、扭剪应力τ_θz）应按如下公式计算：

式中R和r分别是含水合物海洋土1-16试样的外径和内径。

根据这些单元体应力分量，含水合物海洋土1-16试样的最大、最小和中间主应力分别为：

为方便起见，一般采用如下四个与主应力的大小和方向有关的参数进行试验控制和数据处理：

式中，平均主应力s和偏应力t是应力参数；α为主应力方向角，是最大主应力σ₁与竖直方向的夹角；b为中主应力系数，取值在0到1之间。利用仪器的应力路径模块，可以直接对平均主应力、偏应力、主应力方向角、中主应力系数进行任意路径的应力或应变控制。

此处以不排水定向剪切试验为例详细地展开说明，不排水定向剪切试验是指在恒定的主应力方向角α下进行的剪切试验，剪切过程中保持平均主应力s、中主应力系数b不变。α=90°和α=0°的情形分别对应与由于含水合物海洋土1-16试样拉伸和压缩试验，此时含水合物海洋土1-16试样采用应变控制模式。对于α=45°的含水合物海洋土1-16试样，在仪器的应力路径模块内直接控制偏应力t线性增大以达到剪切试样的目的，对于其他主应力角度的试验，由于扭剪应变和轴向应变均有发展，同样采用应变控制方式。大多数试验在偏应变达到20%时停止，但为了详细观察试样的破坏模式特别是剪切带的发育过程，个别水合物海洋土1-16试样设定了更大的最终应变值。

S6.试验结束后，关闭水域装置4-1，相应地压力控制卸除内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1的压力，保证气水压力传感器7-4的示数要时刻小于内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6，且内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6示数时刻相等，避免内膜1-6以及外膜1-7涨破，污染硅油液体。最终气水压力传感器7-4的示数为50kPa，内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6的示数均为60kPa，依次打开控制内压力室硅油存储罐2-2的阀门a2-4以及控制外压力室硅油存储罐3-2的阀门d3-4，将空心圆柱扭剪斧1内、外压力室的硅油排尽。拆卸密封螺栓1-15后升起高压反应斧1-1，依次拆除含水合物海洋土1-16，清理试验台。通过上位机7-10关闭各个系统后，退出软件并关上位机7-10，保存试验数据并处理。

通过以上的测试方法即可实现含水合物海洋土空心圆柱扭剪状态下的不排水定向定向剪切力学试验。

优选的，在S5步骤，调节试验程序的应力路径模块，即可实现不同中主应力大小的定向剪切试验、非共轴试验、倾斜固结试验等复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。

优选的，在S5步骤，利用温压控制系统调节空心圆柱扭剪斧1内部的温压条件，从而实现不同分解方式/分解时间/分解梯度下的水合物海洋土复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。

本发明的有益效果：

（1）创新性地开发首套含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，填补国内、外含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置测试装置研发的空白，完善实现水合物海洋土空心圆柱扭剪测试方法，仪器操作便捷，测试方法系统且简单。

（2）可利用内压力室控制系统、外压力室控制系统以及温度控制系统调节空心圆柱扭剪斧内部的温压条件，从而实现不同分解方式/分解时间/分解梯度下的含水合物海洋土在不同中主应力大小的定向剪切试验、非共轴试验、倾斜固结试验等复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。具备多功能、综合性强等显著特点，为保障海洋平台等海上设施的可靠设计与运行以及我国未来水合物商业化开采提供硬件支持。

附图说明

图1是本发明的空心圆柱扭剪斧的结构示意图；

图2是本发明所述的一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的结构示意图；

图3是本发明所述的一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的整体系统示意图；

图4是本发明所述的一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的实施例1试验结果示意图。

图中：1空心圆柱扭剪斧、2内压力室控制系统、3外压力室控制系统、4温度控制系统、5气水控制系统、6轴向-扭剪控制系统、7数据采集及控制系统。1-1高压反应斧，1-2上承台，1-3上压头，1-4环形金属透水石，1-5环形滤纸，1-6内膜，1-7外膜，1-8下压头，1-9内膜固定器，1-10O型垫片，1-11O型密封圈，1-12连接螺栓，1-13下承台，1-14操作台，1-15密封螺栓，1-16含水合物海洋土；2-1内压力室体积控制器，2-2内压力室硅油存储罐，2-3内压力室调压阀，2-4阀门a，2-5阀门b，2-6阀门c、2-7上排油管线、2-8排油阀门；3-1外压力室体积控制器，3-2外压力室硅油存储罐，3-3外压力室调压阀，3-4阀门d，3-5阀门e，3-6阀门f；4-1水域装置，4-2水域夹套，4-3保温管路；5-1水合物气体存储罐，5-2调压阀，5-3无气水体积控制器，5-4阀门g，5-5阀门h，5-6阀门i，5-7排气水管线，5-8排气水阀；6-1轴向-扭剪伺服控制系统，6-2导向环，6-3动密封圈，6-4轴向-扭剪传力杆；7-1轴向位移传感器，7-2扭转角度传感器，7-3轴力扭矩传感器，7-4气水压力传感器，7-5内压力室传感器，7-6外压力室传感器，7-7温度传感器，7-8数据采集线，7-9数据采集仪，7-10上位机。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，包括：

如图1所示，空心圆柱扭剪斧1，包括高压反应斧1-1、上承台1-2、上压头1-3、环形金属透水石1-4、环形滤纸1-5、内膜1-6、外膜1-7、下压头1-8、内膜固定器1-9、O型垫片1-10、O型密封圈1-11、连接螺栓1-12、下承台1-13、操作台1-14以及密封螺栓1-15、含水合物海洋土1-16；高压反应斧1-1通过密封螺栓1-15密封连接于操作台1-14，为空心圆柱扭剪斧1提供密封的环境；上承台1-2位于高压反应斧1-1上部，通过金属连接杆刚性连接，其设有螺栓孔和O型密封圈卡槽，上压头1-3上端设有承台，为内膜1-6提供上端约束，其通过连接螺栓1-12连接于上承台1-2，共同为含水合物海洋土1-16提供试样上端约束，上压头1-3内部设排气水通道以及排油通道；内膜1-6底端通过内膜固定器1-9和O型垫片1-10固定于下压头1-8，上端通过O型密封圈1-11和连接螺栓1-12固定于上压头1-3；下压头1-8通过连接螺栓1-12连接于下承台1-13，共同为含水合物海洋土1-16提供试样下端约束，下压头1-8内部设有内压力室硅油通道以及进气水通道；环形金属透水石1-4表面设有防滑刀片，为了避免扭剪试验过程中，环形金属透水石1-4和含水合物海洋土1-16发生脱离现象，影响试验结果。试验过程中，首先将内膜1-6下端通过内膜固定器1-9、O型垫片1-10以及连接螺栓1-12固定于下压头1-8，放入内承膜桶并外翻内膜1-6，紧接着将外膜1-7上下外翻2厘米左右固定于外承膜桶内部，利用O型密封圈1-11将外膜1-7下段固定于下压头1-8，依次放置环形金属透水石1-4以及环形滤纸1-5后，分层填装含水合物海洋土1-16的基质材料，依次放置环形滤纸1-5以及环形金属透水石1-4后，放置上压头1-3至基质材料表面，将内膜1-6上端通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3上端承台后，撤除内承膜桶，将外膜1-7通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除外承膜桶，通过连接螺栓1-12将其固定于下承台1-13，通过轴向-扭转伺服器调节下承台1-13的高度直至上压头1-3于上承台1-2紧密连接，上承台1-2内部的O型密封圈1-11和连接螺栓1-12一同为形成封闭的内压力室服务。作为优选，高压反应斧1-1的材料为7075航空铝合金，上承台1-2、上压头1-3、下压头1-8、下承台1-13以及操作台1-14均为1-1316L不锈钢特制；

如图2所示，内压力室控制系统2，包括内压力室体积控制器2-1、内压力室硅油存储罐2-2、内压力室调压阀2-3、阀门a2-4、阀门b2-5、阀门c2-6、上排油管线2-7以及排油阀门2-8；内压力室体积控制器2-1和内压力室硅油存储罐2-2分别通过内压力室调压阀2-3、阀门a2-4以及阀门b2-5后管路汇合，汇合管路通过下压头1-8内部设有的内压力室硅油通道至内压力室内部，汇合管路上设置有内压力室传感器7-5和阀门c2-6，共同为空心圆柱扭剪斧1的内压力室提供压力保障，上排油管线2-7以及排油阀门2-8依次与上压头1-3内部设置排油通道连接，目的是确保内压力室充满硅油；内压力室体积控制器2-1是一种由微处理器控制的螺旋泵，可精确控制和测量流体压力及体积变化，可提供不小于35MPa的围压力；

如图2所示，外压力室控制系统3，包括外压力室体积控制器3-1、外压力室硅油存储罐3-2、外压力室调压阀3-3、阀门d3-4、阀门e3-5以及阀门f3-6；外压力室体积控制器3-1和外压力室硅油存储罐3-2分别通过外压力室调压阀3-3、阀门d3-4以及阀门e3-5后管路汇合，汇合管路通过操作台1-14内部的布线通道至外压力室，汇合管路上设置有外压力室传感器7-6和阀门f3-6，共同为空心圆柱扭剪斧1的外压力室提供压力保障；作为优选，所有涉及管路均为软制不锈钢管路，均采用美国世伟洛克公司生产的柔性较好的1/16不锈钢无缝卡套管及美国派克公司生产的高压气动管线。所有阀门均采用美国世伟洛克公司生产的高压活塞调节阀；外压力室体积控制器3-1是一种由微处理器控制的螺旋泵，可精确控制和测量流体压力及体积变化，可提供不小于35MPa的围压力；

如图2所示，温度控制系统4主要为合成含水合物海洋土1-16提供合适的温度环境，包括水域装置4-1、水域夹套4-2以及保温管路4-3；水域装置4-1通过软制不锈钢管路密封连接于水域夹套4-2，水域夹套4-2位于高压反应斧1-1内部，二者协同实现温度控制，为空心圆柱扭剪斧1提供温度保障；水域夹套4-2，内部采用有螺旋式纹路设计，确保空心圆柱扭剪斧1快速换热；

如图2所示，气水控制系统5，包括水合物气体存储罐5-1、调压阀5-2、无气水体积控制器5-3、阀门g5-4、阀门h5-5、阀门i5-6、排气水管线5-7、排气水阀5-8、水合物气体存储罐5-1过调压阀5-2和阀门g5-4后分为两个支路，一支路经过阀门h5-5和气水压力传感器7-4后与下压头1-8上的进气水通道相连，共同为合成含水合物海洋土1-16提供水合物气体，并提供合成水合物所需的气压；另一支路经过阀门i5-6与无气水体积控制器5-3的入口端相连，无气水体积控制器5-3、阀门h5-5与阀门i5-6协同工作用于含水合物海洋土1-16的驱气饱和；具体操作为，在合成含水合物海洋土1-16后，关闭调压阀5-2、阀门g5-4以及阀门h5-5，调节无气水体积控制器5-3压力控制至与含水合物海洋土1-16内部孔隙压力一致后，打开阀门h5-5与阀门i5-6，通过多次少许的打开与排气水管线5-7与上压头1-3内部设排气水通道相连接的排气水阀5-8，为含水合物海洋土1-16驱气饱和的过程中提供水合物气体和无气水的通道；作为优选，水合物气体存储罐5-1中水合物气体可以是纯度99.99%的甲烷气体、纯度99.99%的二氧化碳气体、纯度99.99%的氙气气体；无气水体积控制器5-3是一种由微处理器控制的螺旋泵，可精确控制和测量流体压力及体积变化，可提供不小于35MPa的围压力；

如图2所示，轴向-扭剪控制系统6，包括轴向-扭剪伺服控制系统6-1、导向环6-2、动密封圈6-3、轴向-扭剪传力杆6-4，主要为含水合物海洋土1-16试样施加复杂的剪切应力。具体问言，轴向-扭剪传力杆6-4上端通过连接螺栓1-12连接下承台1-13，下端连接于轴向-扭剪伺服控制系统6-1，中间经过导向环6-2以及动密封圈6-3通过操作台1-14，动密封圈6-3在承受35MPa压力下仍可保证密封的有效性；轴向-扭剪控制系统6都可以由计算机手动或自动控制；

如图2所示，数据采集及控制系统7，包括各个传感器、数据采集仪7-9以及上位机7-10，主要实现含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的自动化控制与采集，保证试验数据的可靠性。具体而言，轴向位移传感器7-1以及扭转角度传感器7-2固定于轴向-扭剪传力杆6-4，分别用于监测含水合物海洋土1-16试验过程中的轴向位移以及扭转角度；轴力扭矩传感器7-3固定于上承台1-2连接的金属连接杆之上，用于监测含水合物海洋土1-16试验过程中的轴向力以及扭矩；气水压力传感器7-4用于监测含水合物海洋土1-16内部的孔隙压力，位于阀门h5-5和下压头1-8上的进气水通道相连的管路之上；内压力室传感器7-5用于监测内压力室内部的围压，位于阀门c2-6与下压头1-8连接的管路；外压力室传感器7-6用于监测高压反应斧1-1内部的围压；温度传感器7-7固定于上承台1-2连接的金属连接杆之上，用于监测高压反应斧1-1内部的温度；这些传感器通过数据采集线7-8共同连接于数据采集仪7-9，试验数据经过数据采集仪7-9信号的转换后输入至上位机7-10，实现数据的自动化采集和控制。作为优选，所述的传感器均可实现高低压差（5kPa-35MPa）高低温差（-20-65℃）环境下的使用，测量精度为±0.1%。仪器的数据采集及控制系统7采用应力控制和应变控制两套控制方法，其中，应力控制通过应力增量变化率为控制方法，而应变控制通过位移变化率为控制方法。

实施例1

本发明提供一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置测试方法，具体为一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪复杂应力状态下的不排水定向定向剪切试验的方法说明，包括以下步骤：

S1.线路连通：将各个系统的管路搭接完毕后，将数据采集及控制系统7中各传感器依次通过数据采集线7-8与数据采集仪7-9及上位机7-10连接，通过上位机7-10中的数据采集控制软件进行数字控制系统连接，即通过上位机7-10控制内压力室控制系统2、外压力室控制系统3、温度控制系统4、气水控制系统5以及轴向-扭剪控制系统6的运行。必须注意的是，由于位移控制相对稳定所以各个系统均由位移来控制，从而防止试验事故的发生。在确保所有系统稳定运行之后，再对各个传感器进行归零处理。

S2.试样制备安装和气密性检测：升起空心圆柱扭剪斧1系统的高压反应斧1-1，将下压头1-8从下承台1-13上卸除后放置空场区域，首先将内膜1-6下端通过内膜固定器1-9、O型垫片1-10以及连接螺栓1-12固定于下压头1-8，放入内承膜桶并外翻内膜1-6，紧接着将外膜1-7上下外翻2厘米左右固定于外承膜桶内部，利用O型密封圈1-11将外膜1-7下段固定于下压头1-8，依次放置环形金属透水石1-4以及环形滤纸1-5后，分层填装含水合物海洋土1-16的基质材料至设计高度，在基质材料上表面依次放置环形滤纸1-5以及环形金属透水石1-4后，放置上压头1-3至基质材料上表面，将内膜1-6上端通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3上端承台后，撤除内承膜桶，将外膜1-7通过O型密封圈1-11固定于上压头1-3后，撤除外承膜桶，通过连接螺栓1-12将其固定于下承台1-13，通过轴向-扭转伺服器调节下承台1-13的高度直至上压头1-3于上承台1-2紧密连接，上承台1-2内部的O型密封圈1-11和连接螺栓1-12一同为形成封闭的内压力室服务。随后，下落高压反应斧1-1；通过密封螺栓1-15固定于操作台1-14。为消除填装含水合物海洋土1-16的基质材料过程中各个传感器的扰动，再次进行传感器清零，提高试验的精确性。

S3.含水合物海洋土试样的合成：首先对内压力室注油，打开内压力室体积控制器2-1和内压力室硅油存储罐2-2汇合连接至下压头1-8内部设有的内压力室硅油通道管路上的阀门c2-6、控制内压力室体积控制器2-1的阀门b2-5和内压力室硅油存储罐2-2的阀门a2-4为内压力室内部注入硅油，同时调节内压力室体积控制器2-1至最大量程，待硅油从上排油管线2-7排出0.5倍内压力室体积的油量后，表示内压力室已注满，关闭内压力室硅油存储罐2-2的阀门a2-4以及排油阀门2-8。位移控制内压力室体积控制器2-1施加5kPa的内压力；其次对空心圆柱扭剪斧1注油，打开外压力室体积控制器3-1和外压力室硅油存储罐3-2汇合连接至操作台1-14内部的布线通道上的阀门f3-6、控制外压力室体积控制器3-1的阀门e3-5和外压力室硅油存储罐3-2的阀门d3-4为空心圆柱扭剪斧1注入硅油，同时调节外压力室体积控制器3-1至最大量程，待硅油注满后，关闭外压力室硅油存储罐3-2的阀门d3-4。同样位移控制外压力室体积控制器3-1施加5kPa的外压力；同时压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1对空心圆柱形的含水合物海洋土1-16的基质材料施加500kPa的预压力，同时打开水域装置4-1，调节温度为2℃。温度调节过程应持续6小时左右，待空心圆柱扭剪斧1内部温度稳定后，关闭控制无气水体积控制器5-3的阀门i5-6，依次打开水合物气体存储罐5-1的调压阀5-2、水合物气体存储罐5-1与下压头1-8上的进气水通道相连管路上的阀门h5-5以及阀门g5-4，为含水合物海洋土1-16提供所需的水合物气体（纯度99.99%的甲烷气体或纯度99.99%的二氧化碳气体或纯度99.99%的氙气气体）和设计的孔隙压力（7900kPa），于此同时，相应地压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1的压力值，保证气水压力传感器7-4的示数要时刻小于内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6，且内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6示数时刻相等，最终气水压力传感器7-4的示数为7900kPa，内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6的示数均为8000kPa，关闭阀门g5-4以及阀门h5-5。此时的温压条件被认为室满足含水合物海洋土1-16内部甲烷水合物固体的生成。当气水压力传感器7-4的示数稳定后，认为含水合物海洋土1-16生成完毕，记录终止气压，利用气体消耗法确定含水合物海洋土1-16真实的水合物饱和度。

S4.水合物海洋土试样的饱和与固结：含水合物海洋土1-16内部水合物生成结束后，需要用氮气驱除试样中的水合物气体，目的是防止多余的水合物气体与水饱和过程中的无气水在稳定的温压条件下再次生成水合物。将无气水体积控制器5-3的无气水压调整至含水合物海洋土1-16内部的孔隙压力，打开阀门i5-6和阀门h5-5，待气水压力传感器7-4示数稳定后，多次少许打开排气水阀5-8，直至出现含水合物海洋土1-16内孔隙体积3倍的无气水，并确保每个含水合物海洋土1-16试样的孔隙水压力系数B超过0.95，则认为含水合物海洋土1-16为水饱和试样。根据具体实验工况，同时调节压力控制内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1至目标值，并在该状态下对含水合物海洋土1-16进行固结，待含水合物海洋土1-16轴向位移小于0.05%/min时，认为固结完成，可继续试验。

S5.含水合物海洋土空心圆柱扭剪试验：试验过程中维持空心圆柱扭剪斧1内温度恒定，保证扭剪过程中含水合物海洋土1-16内部的水合物不分解。在试验过程中，利用上位机7-10调节轴向-扭剪控制系统6、内压力室控制系统2以及外压力室控制系统3，分别对空心圆柱形状的含水合物海洋土1-16试样两端分别施加轴力和扭矩，内壁和外壁分别施加内外围压，通过独立地改变四种外荷载（轴力W、扭矩T、内围压力P_i和外围压力P_o）的大小，可以实现含水合物海洋土1-16试样内部主应力大小和方向的控制。

含水合物海洋土1-16试样地单元体应力（轴向应力σ_z、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、扭剪应力τ_θz）应按如下公式计算：

式中R和r分别是含水合物海洋土1-16试样的外径和内径。

根据这些单元体应力分量，含水合物海洋土1-16试样的最大、最小和中间主应力分别为：

为方便起见，一般采用如下四个与主应力的大小和方向有关的参数进行试验控制和数据处理：

式中，平均主应力s和偏应力t是应力参数；α为主应力方向角，是最大主应力σ₁与竖直方向的夹角；b为中主应力系数，取值在0到1之间。利用仪器的应力路径模块，可以直接对平均主应力、偏应力、主应力方向角、中主应力系数进行任意路径的应力或应变控制。

此处以不排水定向剪切试验为例详细地展开说明，不排水定向定向剪切试验是指在恒定的主应力方向角α下进行的剪切试验，剪切过程中保持平均主应力s、中主应力系数b不变。α=90°和α=0°的情形分别对应与由于含水合物海洋土1-16试样拉伸和压缩试验，此时含水合物海洋土1-16试样采用应变控制模式。对于α=45°的含水合物海洋土1-16试样，在仪器的应力路径模块内直接控制偏应力t线性增大以达到剪切试样的目的，对于其他主应力角度的试验，由于扭剪应变和轴向应变均有发展，同样采用应变控制方式。大多数试验在偏应变达到20%时停止，但为了详细观察试样的破坏模式特别是剪切带的发育过程，个别水合物海洋土1-16试样设定了更大的最终应变值。

S6.试验结束后，关闭水域装置4-1，相应地压力控制卸除内压力室体积控制器2-1和外压力室体积控制器3-1的压力，保证气水压力传感器7-4的示数要时刻小于内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6，且内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6示数时刻相等，避免内膜1-6以及外膜1-7涨破，污染硅油液体。最终气水压力传感器7-4的示数为50kPa，内压力室传感器7-5和外压力室传感器7-6的示数均为60kPa，依次打开控制内压力室硅油存储罐2-2的阀门a2-4以及控制外压力室硅油存储罐3-2的阀门d3-4，将空心圆柱扭剪斧1内、外压力室的硅油排尽。拆卸密封螺栓1-15后升起高压反应斧1-1，依次拆除含水合物海洋土1-16，清理试验台。通过上位机7-10关闭各个系统后，退出软件并关上位机7-10，保存试验数据并处理。

通过以上的测试方法即可实现含水合物海洋土空心圆柱扭剪状态下的不排水定向定向剪切力学试验。

优选的，在S5步骤，调节试验程序的应力路径模块，即可实现不同中主应力大小的定向剪切试验、非共轴试验、倾斜固结试验等复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。

优选的，在S5步骤，利用温压控制系统调节空心圆柱扭剪斧1内部的温压条件，从而实现不同分解方式/分解时间/分解梯度下的含水合物海洋土1-16在不同中主应力大小的定向剪切试验、非共轴试验、倾斜固结试验等复杂应力状态下的静态力学试验和动态力学试验。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，其特征在于，该含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置包括空心圆柱扭剪斧（1）、内压力室控制系统（2）、外压力室控制系统（3）、温度控制系统（4）、气水控制系统（5）、轴向-扭剪控制系统（6）以及数据采集及控制系统（7）；

所述空心圆柱扭剪斧（1），包括高压反应斧（1-1）、上承台（1-2）、上压头（1-3）、环形金属透水石（1-4）、环形滤纸（1-5）、内膜（1-6）、外膜（1-7）、下压头（1-8）、下承台（1-13）、操作台（1-14）和含水合物海洋土（1-16）；高压反应斧（1-1）密封连接于操作台（1-14）上，为空心圆柱扭剪斧（1）提供密封环境；上承台（1-2）和下承台（1-13）之间分别通过上压头（1-3）和下压头（1-8）固定有内膜（1-6）和外膜（1-7），用于为含水合物海洋土（1-16）提供约束；环形金属透水石（1-4）、环形滤纸（1-5）布置在含水合物海洋土（1-16）的上、下表面；

所述内压力室控制系统（2），包括内压力室体积控制器（2-1）、内压力室硅油存储罐（2-2）、内压力室调压阀（2-3）、上排油管线（2-7）以及排油阀门（2-8）；内压力室体积控制器（2-1）过阀门b（2-5）后的管路与内压力室硅油存储罐（2-2）依次过内压力室调压阀（2-3）、阀门a（2-4）后的管路汇合；汇合管路通过下压头（1-8）内部设有的内压力室硅油通道至内压力室内部，汇合管路上设置有内压力室传感器（7-5）和阀门c（2-6），共同为空心圆柱扭剪斧（1）的内压力室提供压力保障，上排油管线（2-7）以及排油阀门（2-8）依次与上压头（1-3）内部设置排油通道连接；

所述外压力室控制系统（3），包括外压力室体积控制器（3-1）、外压力室硅油存储罐（3-2）和外压力室调压阀（3-3）；外压力室体积控制器（3-1）通过阀门e（3-5）的管路与外压力室硅油存储罐（3-2）依次过外压力室调压阀（3-3）、阀门d（3-4）的管路汇合，汇合管路通过操作台（1-14）内部的布线通道至外压力室，汇合管路上设置有外压力室传感器（7-6）和阀门f（3-6），共同为空心圆柱扭剪斧（1）的外压力室提供压力保障；

所述的温度控制系统（4）为合成含水合物海洋土（1-16）提供合适的温度环境；

所述的气水控制系统（5），包括水合物气体存储罐（5-1）、调压阀（5-2）、无气水体积控制器（5-3）、排气水管线（5-7）和排气水阀（5-8）；水合物气体存储罐（5-1）过调压阀（5-2）和阀门g（5-4）后分为两个支路，一支路经过阀门h（5-5）和气水压力传感器（7-4）后与下压头（1-8）上的进气水通道相连，共同为合成含水合物海洋土（1-16）提供水合物气体，并提供合成水合物所需的气压；另一支路经过阀门i（5-6）与无气水体积控制器（5-3）的入口端相连，无气水体积控制器（5-3）、阀门h（5-5）与阀门i（5-6）协同工作用于含水合物海洋土（1-16）的驱气饱和；排气水管线（5-7）与上压头（1-3）内部设有排气水通道相连接，其上设有排气水阀（5-8）；

所述的轴向-扭剪控制系统（6），包括轴向-扭剪伺服控制系统（6-1）、导向环（6-2）、动密封圈（6-3）和轴向-扭剪传力杆（6-4），主要为含水合物海洋土（1-16）试样施加复杂的剪切应力；轴向-扭剪传力杆（6-4）上端连接下承台（1-13），其下端连接于轴向-扭剪伺服控制系统（6-1）上，中间经过导向环（6-2）以及动密封圈（6-3）通过操作台（1-14）；

所述的数据采集及控制系统（7），包括各个传感器、数据采集仪以及上位机，主要实现含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置的自动化控制与采集；各个传感器通过数据采集线（7-8）共同连接于数据采集仪（7-9），试验数据经过数据采集仪（7-9）信号的转换后输入至上位机（7-10），实现数据的自动化采集和控制。

2.根据权利要求1所述的含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，其特征在于，

所述的空心圆柱扭剪斧（1）内部的具体结构如下：上承台（1-2）连接在高压反应斧（1-1）的上壁面上；上压头（1-3）上端设有承台结构，为内膜（1-6）提供上端约束，其连接于上承台（1-2）上，共同为含水合物海洋土（1-16）提供上端约束，上压头（1-3）内部设排气水通道以及排油通道；内膜（1-6）下端固定于下压头（1-8）上，其上端固定于上压头（1-3）上；外膜（1-7）下端固定于下压头（1-8），其上端固定于上压头（1-3）；外膜（1-7）与高压反应斧（1-1）之间的空间形成外压力室，内膜（1-6）的内部空间形成内压力室；下压头（1-8）连接于下承台（1-13）上，共同为含水合物海洋土（1-16）提供下端约束，下压头（1-8）内部设有内压力室硅油通道以及进气水通道；环形金属透水石（1-4）设置在含水合物海洋土（1-16）上，其表面设有防滑刀片。

3.根据权利要求2所述的含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，其特征在于，

所述的温度控制系统（4）包括水域装置（4-1）、水域夹套（4-2）以及保温管路（4-3）；水域装置（4-1）通过保温管路（4-3）密封连接于水域夹套（4-2），水域夹套（4-2）位于高压反应斧（1-1）内壁内部，二者协同实现温度控制，为空心圆柱扭剪斧（1）提供温度保障。

4.根据权利要求3所述的含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，其特征在于，

所述的上承台（1-2）通过金属连接杆刚性连接在高压反应斧（1-1）的上壁面上。

5.根据权利要求4所述的含水合物海洋土空心圆柱扭剪测试装置，其特征在于，

所述的传感器具体如下：

轴向位移传感器（7-1）以及扭转角度传感器（7-2）固定于轴向-扭剪传力杆（6-4）上，分别用于监测含水合物海洋土（1-16）试验过程中的轴向位移以及扭转角度；轴力扭矩传感器（7-3）固定于上承台（1-2）连接的金属连接杆上，用于监测含水合物海洋土（1-16）试验过程中的轴向力以及扭矩；气水压力传感器（7-4）用于监测含水合物海洋土（1-16）内部的孔隙压力，位于阀门h（5-5）和下压头（1-8）上的进气水通道相连的管路上；内压力室传感器（7-5）用于监测内压力室内部的围压，位于阀门c（2-6）与下压头（1-8）连接的管路上；外压力室传感器（7-6）用于监测高压反应斧（1-1）内部的围压；温度传感器（7-7）固定于上承台（1-2）连接的金属连接杆上，用于监测高压反应斧（1-1）内部的温度。

6.一种权利要求5所述的含水合物海洋土空心圆柱扭剪装置的测试方法，其特征在于，步骤如下：

S1.线路连通：将含水合物海洋土空心圆柱扭剪装置的管路搭接完毕后，将数据采集及控制系统（7）中各个传感器依次通过数据采集线（7-8）与数据采集仪（7-9）及上位机（7-10）连接，通过上位机（7-10）中的数据采集控制软件进行数字控制系统连接，即通过上位机（7-10）控制内压力室控制系统（2）、外压力室控制系统（3）、温度控制系统（4）、气水控制系统（5）以及轴向-扭剪控制系统（6）的运行；

S2.试样制备安装和气密性检测：升起空心圆柱扭剪斧（1）的高压反应斧（1-1），将下压头（1-8）从下承台（1-13）上卸除，首先将内膜（1-6）下端固定于下压头（1-8）上，在内膜（1-6）内放入内承膜桶并将内膜（1-6）上端外翻至内承膜桶上，使得内膜（1-6）的内表面紧贴内承膜桶；将外膜（1-7）下端固定于下压头（1-8）的外侧，在外膜（1-7）内放入外承膜桶并将外膜（1-7）上端外翻至外承膜桶上，使得外膜（1-7）的内表面紧贴外承膜桶；下压头（1-8）上依次放置环形金属透水石（1-4）以及环形滤纸（1-5）后，形成空心圆柱制样空间，分层填装含水合物海洋土（1-16）的基质材料至设计高度，在基质材料上表面依次放置环形滤纸（1-5）以及环形金属透水石（1-4）后，放置上压头（1-3），再将内膜（1-6）上端固定于上压头（1-3）后，撤除内承膜桶，将外膜（1-7）固定于上压头（1-3）后，撤除外承膜桶，将填装完成后含水合物海洋土（1-16）连同下压头（1-8）固定于下承台（1-13）上，通过轴向-扭转伺服器调节下承台（1-13）的高度直至上压头（1-3）与上承台（1-2）紧密连接；随后，下落高压反应斧（1-1）并固定于操作台（1-14）上；

S3.含水合物海洋土试样的合成：打开阀门c（2-6）、控制阀门b（2-5）和阀门a（2-4）为内压力室注入硅油，同时调节内压力室体积控制器（2-1）至最大量程，待硅油从上排油管线（2-7）排出0.5倍内压力室体积的油量后，表示内压力室已注满，关闭阀门a（2-4）以及排油阀门（2-8）；对位移控制内压力室体积控制器（2-1）施加5kPa的内压力；打开阀门f（3-6）、控制阀门e（3-5）和阀门d（3-4）为空心圆柱扭剪斧（1）注入硅油，同时调节外压力室体积控制器（3-1）至最大量程，待硅油注满后，关闭阀门d（3-4）；同样位移控制外压力室体积控制器（3-1）施加5kPa的外压力；同时压力控制内压力室体积控制器（2-1）和外压力室体积控制器（3-1）对含水合物海洋土（1-16）的基质材料施加500kPa的预压力，同时打开水域装置（4-1），调节温度为2℃；温度调节过程应持续6小时，待空心圆柱扭剪斧（1）内部温度稳定后，关闭阀门i（5-6），依次打开调压阀（5-2）、阀门g（5-4）以及阀门h（5-5），为含水合物海洋土（1-16）提供所需的水合物气体和设计的孔隙压力；于此同时，控制内压力室体积控制器（2-1）和外压力室体积控制器（3-1）的压力值，保证气水压力传感器（7-4）的示数要时刻小于内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6），且内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6）示数时刻相等，最终气水压力传感器（7-4）的示数为7900kPa，内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6）的示数均为8000kPa，关闭阀门g（5-4）以及阀门h（5-5）；当气水压力传感器（7-4）的示数稳定后，认为含水合物海洋土（1-16）生成完毕，记录终止气压，利用气体消耗法确定含水合物海洋土（1-16）真实的水合物饱和度；

S4.水合物海洋土试样的饱和与固结：含水合物海洋土（1-16）内部水合物生成结束后，用氮气驱除含水合物海洋土（1-16）试样中的水合物气体；将无气水体积控制器（5-3）的无气水压调整至含水合物海洋土（1-16）内部的孔隙压力，打开阀门i（5-6）和阀门h（5-5），待气水压力传感器（7-4）示数稳定后，多次打开排气水阀（5-8），直至出现含水合物海洋土（1-16）内孔隙体积3倍的无气水，并确保每个含水合物海洋土（1-16）试样的孔隙水压力系数B超过0.95，则认为含水合物海洋土（1-16）为水饱和试样；根据具体实验工况，同时调节压力控制内压力室体积控制器（2-1）和外压力室体积控制器（3-1）至目标值，并对含水合物海洋土（1-16）进行固结，待含水合物海洋土（1-16）轴向位移小于0.05%/min时，认为固结完成；

S5.含水合物海洋土空心圆柱扭剪试验：试验过程中维持空心圆柱扭剪斧（1）内的温度恒定，保证扭剪过程中含水合物海洋土（1-16）内部的水合物不分解；在试验过程中，利用上位机（7-10）调节轴向-扭剪控制系统（6）、内压力室控制系统（2）以及外压力室控制系统（3），分别对含水合物海洋土（1-16）试样两端分别施加轴力和扭矩，内压力室、外压力室分别施加内、外围压，通过独立地改变轴力W、扭矩T、内围压力P_i和外围压力P_o的大小，实现含水合物海洋土（1-16）试样内部主应力大小和方向的控制；

含水合物海洋土（1-16）试样的单元体应力按如下公式计算，单元体应力包括轴向应力σ_z、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、扭剪应力τ_θz：

，式中，R和r分别是含水合物海洋土（1-16）试样的外径和内径；

根据这些单元体应力分量，含水合物海洋土（1-16）试样的最大、最小和中间主应力分别为：

，采用如下四个与主应力的大小和方向有关的参数进行试验控制和数据处理：

，式中，平均主应力s和偏应力t是应力参数；α为主应力方向角，是最大主应力σ₁与竖直方向的夹角；b为中主应力系数，取值在0到1之间；

S6.试验结束后，关闭水域装置（4-1），控制卸除内压力室体积控制器（2-1）和外压力室体积控制器（3-1）的压力，保证气水压力传感器（7-4）的示数要时刻小于内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6），且内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6）示数时刻相等，避免内膜（1-6）以及外膜（1-7）涨破，污染硅油液体；最终气水压力传感器（7-4）的示数为50kPa，内压力室传感器（7-5）和外压力室传感器（7-6）的示数均为60kPa，依次打开控制内压力室硅油存储罐（2-2）的阀门a（2-4）以及控制外压力室硅油存储罐（3-2）的阀门d（3-4），将空心圆柱扭剪斧（1）内、外压力室的硅油排尽；升起高压反应斧（1-1），依次拆除含水合物海洋土（1-16），清理试验台；通过上位机（7-10）关闭各个系统后，退出软件并关上位机（7-10），保存试验数据并处理。