CN113702208B - 一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法 - Google Patents

一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法，其中，三维空间条件下的剪切控制仪包括：用于加载土体试验样本的加载系统、与所述加载系统锚固连接且用于调节所述加载系统方向的转置系统以及与所述转置系统锚固连接且用于控制所述转置系统及监测试验数据的控制监测系统。本发明通过加载系统加载土体试验样本，并在转置系统和控制监测系统的协同调节下，控制土体试验样本的剪应力和正应力协调变化，可以实现不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验，从而可以克服现阶段土力学试验中仅能控制三个主应力大小量和单一方向量的问题。

Description

一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法
技术领域
本发明涉及剪切控制仪应用领域，尤其涉及的是一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法。
背景技术
岩土工程领域中像路基回填、基坑开挖，隧道开挖、交通振动、地震等都遇到土体处于应力诱导各项异性的情况，复杂的应力状态是各项异性产生的外界条件，而实际解决方案的假设与实际土体情况存在较大误差，导致存在引发岩土工程事故的风险，因此需要从机理研究上突破。
但长期以来土力学的研究中都是基于平均理论和均匀化理论，将土体假定为各项同性材料进行分析，但是土体实际中是许多大小不一的土颗粒按照一定排序组合而成，在各个方向上存在物理力学差异，呈现各项异性的特点，可分为材料各项异性和应力各项异性。
现有的土力学试验仪器中，主要将两类各项异性进行分开考虑，比如：采用真三轴仪器进行考虑应力各项异性，采用空心圆柱扭剪仪来考虑材料的各向异性，两者试验仪器和方法都不能将材料和应力进行综合考虑进行试验，然而越来越多的研究表明材料各向异性和应力主轴旋转之间存在某种密切的关联。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法，以解决现有的土力学试验仪器无法对材料和应力进行综合试验的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种三维空间条件下的剪切控制仪，包括：用于加载土体试验样本的加载系统、与所述加载系统锚固连接且用于调节所述加载系统方向的转置系统以及与所述转置系统锚固连接且用于控制所述转置系统及监测试验数据的控制监测系统。
在一种实现方式中，所述加载系统包括：加载机械臂、加载板以及主体加载钢架；
所述加载机械臂的一端与所述加载板转动连接，另一端与所述控制监测系统转动连接；所述加载机械臂及所述加载板通过所述转置系统与所述主体加载钢架固定连接。
在一种实现方式中，所述加载板的一侧设置有内球状凹槽，所述加载机械臂的一端设置有球状体，所述内球状凹槽的大小与所述球状体的大小适配；
所述球状体嵌入所述内球状凹槽内，所述加载机械臂通过所述球状体与所述加载板转动连接。
在一种实现方式中，所述主体加载钢架包括：矩形试验箱和上覆盖板；所述矩形试验箱与所述上覆盖板可拆卸式连接。
在一种实现方式中，所述转置系统包括：用于伸缩控制所述加载板的方向的可伸缩机械杆和用于供所述可伸缩机械杆滑动的滑移板；
所述滑移板通过螺栓与所述矩形试验箱固定连接；所述滑移板通过螺栓与所述上覆盖板固定连接；所述可伸缩机械杆与所述滑移板滑动连接。
在一种实现方式中，所述可伸缩机械杆设置于所述滑移板与所述加载板之间，所述可伸缩机械杆的一端与所述滑移板滑动连接，所述可伸缩机械杆的另一端与所述加载板转动连接。
在一种实现方式中，所述控制监测系统包括：用于调节所述可伸缩机械杆和所述加载机械臂的控制装置以及用于监测三维空间加载剪切与倾斜固结材料异性相关应变数据的监测装置；
所述控制装置和所述监测装置分别与计算机系统连接；
所述监测装置包括：光纤传感器和/或CCD相机；所述光纤传感器设置于所述滑移板的内侧，且与所述滑移板固定连接；所述CCD相机设置于所述主体加载钢架上，且与所述主体加载钢架固定连接；所述光纤传感器与所述CCD 相机为相互独立的监测装置。
第二方面，本发明还提供一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，包括：
将土体试验样本放置于加载板上，并根据加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度，以实现不同沉积倾斜面的试验固结过程；
对可伸缩机械杆进行还原，并通过控制装置控制加载机械臂的角度和所述可伸缩机械杆的伸缩量，以对所述土体试验样本进行加载；
记录加载过程中的变量，并根据所述变量计算各方向加载的应力和应变数据；
根据光纤传感器采集的应变数据和温度数据形成第一文本数据，并根据 CCD相机拍摄的图像形成第二文本数据，结合所述第一文本数据、所述第二文本数据、土体试验样数据以及所述加载参数绘制所述土体试验样的动态试验图像。
在一种实现方式中，所述将土体试验样本放置于加载板上，并根据加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度，包括：
将所述土体试验样本放置于主体加载钢架内部的加载板上；
调节所述控制装置，控制所述可伸缩机械杆，将所述加载板调节至与所述土体试验样本完全接触并固定；
获取所述加载参数，并根据所述加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度。
在一种实现方式中，所述记录加载过程中的变量，并根据所述变量计算各方向加载的应力和应变数据，包括：
获取所述土体试验样本的尺寸参数和重量参数；
记录加载过程中的所述加载机械臂的角度、所述可伸缩机械杆的伸缩量以及所述土体试验样本的应变量；
计算各方向加载的应力和应变数据，并根据所述应力和所述应变数据形成计算文件，以导出或显示所述计算文件。
本发明采用上述技术方案具有以下效果：
本发明通过加载系统加载土体试验样本，并在转置系统和控制监测系统的协同调节下，控制土体试验样本的剪应力和正应力协调变化，可以实现不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验，从而可以克服现阶段土力学试验中仅能控制三个主应力大小量和单一方向量的问题，实现三维空间中方向和大小同时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的一种实现方式中三维空间条件下的剪切控制仪(安装状态)的结构示意图。
图2是本发明的一种实现方式中三维空间条件下的剪切控制仪(试验状态)的结构示意图。
图3是本发明的一种实现方式中加载机械臂的结构示意图。
图4是本发明的一种实现方式中加载板的结构示意图。
图5是本发明的一种实现方式中加载系统与转置系统的装配示意图(第一视角)。
图6是本发明的一种实现方式中加载系统与转置系统的装配示意图(第二视角)。
图7是本发明的一种实现方式中滑移板的结构示意图。
图8是本发明的一种实现方式中三维空间条件下的剪切控制仪控制方法的流程图。
图中：1、主体加载钢架；2、滑移板；3、加载机械臂；4、加载板；5、可伸缩机械杆；6、控制装置；7、土体试验样本；21、锚固件；22、螺栓； 31、球状体；41、内球状凹槽。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
示例性装置
请参见图1～图7。
如图1和图2所示，本实施例提供一种三维空间条件下的剪切控制仪，包括：加载系统、转置系统以及控制监测系统；其中，所述加载系统用于加载土体试验样本7(即立方体试样)；所述转置系统与所述加载系统锚固连接，且所述转置系统在所述控制监测系统的调节下，可用于调节所述加载系统方向；所述控制监测系统与所述转置系统锚固连接，可用于控制所述转置系统及监测试验数据。
如图2所示，本实施例可以通过所述控制监测系统以及所述转置系统调节所述加载系统的加载方向和力度，从而控制立方体试样的剪-正应力协调变化，可以实现了不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验，克服现阶段土力学试验中仅能控制三个主应力大小量和单一方向量的问题，实现三维空间中方向和大小同时控制。
具体地，如图1和图2所示，所述加载系统包括：加载机械臂3、加载板 4以及主体加载钢架1；所述加载机械臂3的一端与所述加载板4转动连接，另一端与所述控制监测系统转动连接；所述加载机械臂3及所述加载板4通过所述转置系统与所述主体加载钢架1固定连接。
进一步地，如图3和图4所示，所述加载板4的一侧设置有内球状凹槽 41，所述加载机械臂3的一端设置有球状体31，所述内球状凹槽41的大小与所述球状体31的大小适配；所述球状体31嵌入所述内球状凹槽41内，所述加载机械臂3通过所述球状体31与所述加载板4转动连接。
在本实施例中，所述加载系统可以包括：6个加载机械臂3、6个加载板 4以及主体加载钢架1，6个加载机械臂3分别设置在所述主体加载钢架1的内侧6个面上，6个加载板4与6个加载机械臂3一一对应设置；所述主体加载钢架1可以包括：矩形试验箱和上覆盖板，所述矩形试验箱与所述上覆盖板可拆卸式连接；所述矩形试验箱的内侧5个面设置有16个螺栓孔，以便安装所述转置系统的滑移板2。
所述加载机械臂3与所述加载板4连接的一端，可以在连接处实现转动，从而调节所述加载板4的加载方向；所述加载机械臂3与所述控制监测系统连接的一端，可以通过所述控制监测系统调节所述加载板4的加载力度大小；所述加载板4的一端与所述加载机械臂3连接，所述加载板4的另一端与土体试验样本7连接。
具体地，如图5和图6所示，所述转置系统包括：可伸缩机械杆5和滑移板2；其中，所述可伸缩机械杆5可以用于伸缩控制所述加载板4的方向；所述滑移板2用于供所述可伸缩机械杆5滑动；所述滑移板2通过螺栓22与所述矩形试验箱固定连接；所述滑移板2通过螺栓22与所述上覆盖板固定连接；所述可伸缩机械杆5与所述滑移板2滑动连接。
在本实施例中，所述转置系统可以包括：24根可伸缩机械杆5和24块滑移板2，24根可伸缩机械杆5与24块滑移板2一一对应设置；24块滑移板2 通过螺栓22固定在所述矩形试验箱和所述上覆盖板上，即所述上覆盖板上安装4根可伸缩机械杆5和4块滑移板2(如图7所示)，所述矩形试验箱的每个内侧面上安装4根可伸缩机械杆5和4块滑移板2。
进一步地，如图5所示，所述可伸缩机械杆5设置于所述滑移板2与所述加载板4之间，所述可伸缩机械杆5的一端与所述滑移板2滑动连接，所述可伸缩机械杆5的另一端与所述加载板4转动连接；在所述滑移板2上设置有滑动组件(例如，滑轨和滑块)，所述可伸缩机械杆5的一端通过所述滑动组件与所述滑移板2滑动连接；所述可伸缩机械杆5可通过自身特性达到伸缩的效果，以及通过所述滑移板2之间的连接件可以在所述滑移板2面上进行二维平面滑移。
亦或者，所述可伸缩机械杆5设置于所述滑移板2与所述加载板4之间，通过螺栓22以及锚固件22进行锚固连接。
具体地，所述控制监测系统包括：控制装置6和监测装置；其中，所述控制装置6可以用于调节所述可伸缩机械杆5和所述加载机械臂3，所述监测装置可以用于监测三维空间加载剪切与倾斜固结材料异性相关应变数据；所述控制装置6和所述监测装置分别与计算机系统连接。
进一步地，所述监测装置包括：光纤传感器和/或CCD相机；所述光纤传感器设置于所述滑移板2的内侧，且通过Z型连接件分别与所述滑移板2和所述加载机械臂3固定连接；所述CCD相机设置于所述主体加载钢架上，且与所述主体加载钢架固定连接；所述光纤传感器与所述CCD相机为相互独立的监测装置。
在试验的加载过程中，利用所述滑移板2内侧的光纤传感器，记录6个加载机械臂3的角度和伸缩量，以及观测记录所述土体试验样本7的连续应变量和温度变化情况，计算出各个方向加载的应力和相关参数结果，以及计算所述土体试验样本7的应力路径，利用固定在所述主体加载框架1上的CCD 相机进行连续自动拍照采集，观测剪切变形形态等影像数据；光纤传感器和 CCD相机均可选择相应的记录频率，根据需求选定，例如：0.02Hz等，以此来调节采集间隔，光纤传感器和CCD相机为相互独立的监测系统，可单一或组合使用。
在本实施例中，所述控制装置6受控于所述计算机系统，所述控制装置6 可以通过计算机系统调节24根可伸缩机械杆5的滑移方向、滑移距离以及伸缩长度；而且，所述控制装置6还可以通过计算机系统调节6个所述加载机械臂3的转动角度、伸缩长度以及加载力度大小。
在所述控制装置6调节6个所述加载机械臂3的转动角度和加载力度大小的过程中，所述监测装置可以采集转动角度、伸缩长度以及加载力度大小等数据，计算出土体试验样本7在其方向上的应力和应变，形成时域文件，并在计算机中导出文件；而且，在所述控制装置6调节24根可伸缩机械杆5 的滑移方向、滑移距离以及伸缩长度的过程中，所述监测装置还可以采集滑移方向、滑移距离以及伸缩长度等数据，并储存土体试验样本7的固结沉积倾斜状态，以计算三维空间加载剪切与倾斜角固结材料异性相关应力和应变数据，形成计算文件，并在计算机中导出文件。
在本实施例中，所述三维空间条件下的剪切控制仪的控制方法为：
步骤1：
先制备好一个立方体土体试样，放置在主体加载钢架内部的下方位置的内球状凹槽加载板上，然后盖好可拆卸式上覆盖板，接下来通过调节控制系统，控制24根可伸缩机械杆，将6面内球状凹槽加载板调节至与立方体土体试样完全接触并固定。安装好立方体土体试样后，可根据试验设计要求调节不同三维空间角度，实现不同沉积倾斜面的立方体土体试样固结过程，通过加载实现主方向上固结加载。
步骤2：
立方体土体试样完成固结后，将24根可伸缩机械杆进行还原，通过控制装置，根据试验设计要求，调整6个加载机械臂的加载角度和伸缩量，进行加载。
其中，可进行的加载方式包括但不限于：
1、可以实现主应力的任意旋转的加载方式；
2、可以实现各主应力方向围压任意大小的加载方式；
3、可以实现非等向剪切的加载方式；
4、其他非上述及但本装置能完成的所有加载模式。
步骤3：
在控制监测系统中输入立方体土体试样的尺寸、重量等参数后，点击开始试验，试验在加载过程中，利用滑移板内侧的光纤传感器，记录6个加载机械臂的角度和伸缩量，以及观测记录立方体土体试样连续的应变量和温度，计算出各个方向加载的应力和相关参数结果和立方体土体试样的应力路径，利用固定在主体加载框架上的CCD相机进行连续自动拍照采集，观测剪切变形形态等影像数据，光纤传感器和CCD相机均可选择记录的频率，例如，根据需求选定0.02Hz等，以此来调节光纤传感器和CCD相机的采集间隔，光纤传感器和CCD相机为相互独立的监测系统，可单一或组合使用。
步骤4：
待试验加载结束后，点击停止采集，光纤传感器在温度与应变的作用下，光纤传感器的纤芯发生电致伸缩效应，根据应变/温度的测量数据形成文本数据；同时，CCD相机按照一定的时间间隔进行连续拍照，采集某一时刻的模型图像，以初始时刻的图像为基准，根据像素位移的比例关系，推算出立方体土体试样的网格中心点的实际位移。根据网格中心点的实际位移的计算方式，对所有的初始网格点进行计算，得到整个测试区域立方体土体试样的位移场，形成文本数据；再结合试验前输入的相关试样和加载参数，可在立方体土体试样试验过程中绘制形成动态图像，图像的坐标轴可以自行选择，调制成需要的图形，以观察立方体土体试样的试验现象。
本实施例通过加载系统加载土体试验样本，并在转置系统和控制监测系统的协同调节下，控制土体试验样本的剪应力和正应力协调变化，可以实现不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验，从而可以克服现阶段土力学试验中仅能控制三个主应力大小量和单一方向量的问题，实现三维空间中方向和大小同时控制。
示例性方法
如图8所示，本发明实施例提供一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，包括以下步骤：
步骤S100，将土体试验样本放置于加载板上，并根据加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度，以实现不同沉积倾斜面的试验固结过程。
在本实施例中，需要先安装立方体土体试样(即所述土体试验样本)，在安装所述立方体土体试样时，先制备好一个立方体土体试样，放置在主体加载钢架内部的下方位置的内球状凹槽加载板上，然后盖好可拆卸式上覆盖板，接下来通过调节控制系统，控制24根可伸缩机械杆，将6面内球状凹槽加载板调节至与立方体土体试样完全接触并固定。安装好立方体土体试样后，可根据试验设计要求调节不同三维空间角度，实现不同沉积倾斜面的立方体土体试样固结过程，通过加载实现主方向上固结加载。
即在一种实现方式中，所述步骤S100具体包括：
步骤S110，将所述土体试验样本放置于主体加载钢架内部的加载板上；
步骤S120，调节所述控制装置，控制所述可伸缩机械杆，将所述加载板调节至与所述土体试验样本完全接触并固定；
步骤S130，获取所述加载参数，并根据所述加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度。
本实施例根据加载参数调节加载系统的不同三维空间角度，实现不同沉积倾斜面的土体试验样本的固结过程，通过机械力臂实现主方向上固结加载。
如图8所示，本发明实施例提供一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，包括以下步骤：
步骤S200，对可伸缩机械杆进行还原，并通过控制装置控制加载机械臂的角度和所述可伸缩机械杆的伸缩量，以对所述土体试验样本进行加载。
在本实施例中，在立方体土体试样完成固结后，可以将24根可伸缩机械杆进行还原，通过控制装置，根据试验设计要求，调整6个加载机械臂的加载角度和伸缩量，进行加载。
其中，可进行的加载方式包括但不限于：
1、可以实现主应力的任意旋转的加载方式；
2、可以实现各主应力方向围压任意大小的加载方式；
3、可以实现非等向剪切的加载方式；
4、其他非上述及但本装置能完成的所有加载模式。
如图8所示，本发明实施例提供一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，包括以下步骤：
步骤S300，记录加载过程中的变量，并根据所述变量计算各方向加载的应力和应变数据。
在本实施例中，在控制监测系统中输入立方体土体试样的尺寸、重量等参数，试验在加载过程中，记录6个加载机械臂的角度和伸缩量，以及记录立方体土体试样的应变量，计算出各个方向加载的应力和相关参数结果。
在本实施例中，所述控制装置受控于所述计算机系统，所述控制装置可以通过计算机系统调节24根可伸缩机械杆的滑移方向、滑移距离以及伸缩长度；而且，所述控制装置还可以通过计算机系统调节6个所述加载机械臂的转动角度、伸缩长度以及加载力度大小。
具体地，在控制监测系统中输入立方体土体试样的尺寸、重量等参数后，点击开始试验，试验在加载过程中，利用滑移板内侧的光纤传感器，记录6 个加载机械臂的角度和伸缩量，以及观测记录立方体土体试样连续的应变量和温度，计算出各个方向加载的应力和相关参数结果和立方体土体试样的应力路径，利用固定在主体加载框架上的CCD相机进行连续自动拍照采集，观测剪切变形形态等影像数据，光纤传感器和CCD相机均可选择记录的频率，例如，根据需求选定0.02Hz等，以此来调节光纤传感器和CCD相机的采集间隔，光纤传感器和CCD相机为相互独立的监测系统，可单一或组合使用。
即在一种实现方式中，所述步骤S300具体包括：
步骤S310，获取所述土体试验样本的尺寸参数和重量参数；
步骤S320，记录加载过程中的所述加载机械臂的角度、所述可伸缩机械杆的伸缩量以及所述土体试验样本的应变量；
步骤S330，计算各方向加载的应力和应变数据，并根据所述应力和所述应变数据形成计算文件，以导出或显示所述计算文件。
本实施例利用滑移板内侧的光纤传感器采集的数据，可计算出各个方向加载的应力和相关参数结果和立方体土体试样的应力路径，以及利用固定在主体加载框架上的CCD相机进行连续自动拍照采集，可观测剪切变形形态等影像数据，从而形成相应的计算文件，为后续的试验动态图像的绘制以及试验数据分析作出参考。
如图8所示，本发明实施例提供一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，包括以下步骤：
步骤S400，根据光纤传感器采集的应变数据和温度数据形成第一文本数据，并根据CCD相机拍摄的图像形成第二文本数据，结合所述第一文本数据、所述第二文本数据、土体试验样数据以及所述加载参数绘制所述土体试验样的动态试验图像。
具体地，待试验加载结束后，点击停止采集，光纤传感器在温度与应变的作用下，光纤传感器的纤芯发生电致伸缩效应，根据应变/温度的测量数据形成文本数据；同时，CCD相机按照一定的时间间隔进行连续拍照，采集某一时刻的模型图像，以初始时刻的图像为基准，根据像素位移的比例关系，推算出立方体土体试样的网格中心点的实际位移。根据网格中心点的实际位移的计算方式，对所有的初始网格点进行计算，得到整个测试区域立方体土体试样的位移场，形成文本数据；再结合试验前输入的相关试样和加载参数，可在立方体土体试样试验过程中绘制形成动态图像，图像的坐标轴可以自行选择，调制成需要的图形，以观察立方体土体试样的试验现象。
本实施例通过加载系统加载土体试验样本，并在转置系统和控制监测系统的协同调节下，控制土体试验样本的剪应力和正应力协调变化，可以实现不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验。
综上，本发明提供了一种三维空间条件下的剪切控制仪及其控制方法，其中，三维空间条件下的剪切控制仪包括：用于加载土体试验样本的加载系统、与所述加载系统锚固连接且用于调节所述加载系统方向的转置系统以及与所述转置系统锚固连接且用于控制所述转置系统及监测试验数据的控制监测系统。本发明通过加载系统加载土体试验样本，并在转置系统和控制监测系统的协同调节下，控制土体试验样本的剪应力和正应力协调变化，可以实现不同应力主轴方向改变、剪应力逐渐增大的定轴剪切应力路径，并开展偏应力水平不变、大主应力方向角连续变化的剪切试验，从而可以克服现阶段土力学试验中仅能控制三个主应力大小量和单一方向量的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维空间条件下的剪切控制仪，其特征在于，包括：用于加载土体试验样本的加载系统、与所述加载系统锚固连接且用于调节所述加载系统方向的转置系统以及与所述转置系统锚固连接且用于控制所述转置系统及监测试验数据的控制监测系统；
所述加载系统包括：加载机械臂、加载板以及主体加载钢架；
所述加载机械臂的一端与所述加载板转动连接，另一端与所述控制监测系统转动连接；所述加载机械臂及所述加载板通过所述转置系统与所述主体加载钢架固定连接；
所述主体加载钢架包括：矩形试验箱和上覆盖板；所述矩形试验箱与所述上覆盖板可拆卸式连接；
所述转置系统包括：用于伸缩控制所述加载板的方向的可伸缩机械杆和用于供所述可伸缩机械杆滑动的滑移板；
所述滑移板通过螺栓与所述矩形试验箱固定连接；所述滑移板通过螺栓与所述上覆盖板固定连接；所述可伸缩机械杆与所述滑移板滑动连接；
所述滑移板上设置有滑动组件，所述可伸缩机械杆的一端通过所述滑动组件与所述滑移板滑动连接。
2.根据权利要求1所述的三维空间条件下的剪切控制仪，其特征在于，所述加载板的一侧设置有内球状凹槽，所述加载机械臂的一端设置有球状体，所述内球状凹槽的大小与所述球状体的大小适配；
所述球状体嵌入所述内球状凹槽内，所述加载机械臂通过所述球状体与所述加载板转动连接。
3.根据权利要求1所述的三维空间条件下的剪切控制仪，其特征在于，所述可伸缩机械杆设置于所述滑移板与所述加载板之间，所述可伸缩机械杆的一端与所述滑移板滑动连接，所述可伸缩机械杆的另一端与所述加载板转动连接。
4.根据权利要求1所述的三维空间条件下的剪切控制仪，其特征在于，所述控制监测系统包括：用于调节所述可伸缩机械杆和所述加载机械臂的控制装置以及用于监测三维空间加载剪切与倾斜固结材料异性相关应变数据的监测装置；
所述控制装置和所述监测装置分别与计算机系统连接；
所述监测装置包括：光纤传感器和/或CCD相机；所述光纤传感器设置于所述滑移板的内侧，且与所述滑移板固定连接；所述CCD相机设置于所述主体加载钢架上，且与所述主体加载钢架固定连接；所述光纤传感器与所述CCD相机为相互独立的监测装置。
5.一种三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，应用于如权利要求4所述的三维空间条件下的剪切控制仪，其特征在于，包括：
将土体试验样本放置于加载板上，并根据加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度，以实现不同沉积倾斜面的试验固结过程；
对可伸缩机械杆进行还原，并通过控制装置控制加载机械臂的角度和所述可伸缩机械杆的伸缩量，以对所述土体试验样本进行加载；
记录加载过程中的变量，并根据所述变量计算各方向加载的应力和应变数据；
根据光纤传感器采集的应变数据和温度数据形成第一文本数据，并根据CCD相机拍摄的图像形成第二文本数据，结合所述第一文本数据、所述第二文本数据、土体试验样数据以及所述加载参数绘制所述土体试验样的动态试验图像。
6.根据权利要求5所述的三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，其特征在于，所述将土体试验样本放置于加载板上，并根据加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度，包括：
将所述土体试验样本放置于主体加载钢架内部的加载板上；
调节所述控制装置，控制所述可伸缩机械杆，将所述加载板调节至与所述土体试验样本完全接触并固定；
获取所述加载参数，并根据所述加载参数调节所述土体试验样本的三维空间角度。
7.根据权利要求5所述的三维空间条件下的剪切控制仪控制方法，其特征在于，所述记录加载过程中的变量，并根据所述变量计算各方向加载的应力和应变数据，包括：
获取所述土体试验样本的尺寸参数和重量参数；
记录加载过程中的所述加载机械臂的角度、所述可伸缩机械杆的伸缩量以及所述土体试验样本的应变量；
计算各方向加载的应力和应变数据，并根据所述应力和所述应变数据形成计算文件，以导出或显示所述计算文件。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114414401B (zh) * 2021-12-16 2024-02-06 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种用于滑带土残余强度再生试验的大型剪切仪及应用

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103969107A (zh) * 2014-05-06 2014-08-06 广西大学 高压伺服动真三轴试验机
CN204286951U (zh) * 2014-07-13 2015-04-22 西北农林科技大学 一种混凝土剪切试验仪器
CN107576562A (zh) * 2017-10-19 2018-01-12 南京泰克奥科技有限公司 一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法
CN109696363A (zh) * 2019-03-04 2019-04-30 山东科技大学 一种岩石压剪试验装置及试验方法
CN110132719A (zh) * 2019-06-05 2019-08-16 青岛理工大学 土工真三轴试验可变形大尺寸土箱结构
CN110987638A (zh) * 2019-12-11 2020-04-10 山东大学 一种可视化真三轴水力劈裂试验装置及方法
CN111380755A (zh) * 2019-10-16 2020-07-07 中南大学 一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法
CN112198068A (zh) * 2020-11-12 2021-01-08 中机试验装备股份有限公司 一种岩石真三轴应力状态下剪切装置
CN112432850A (zh) * 2020-11-16 2021-03-02 河海大学 一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8800353B2 (en) * 2010-09-10 2014-08-12 The Hong Kong University Of Science And Technology Humidity and osmotic suction-controlled box
WO2015096672A1 (zh) * 2013-12-23 2015-07-02 石家庄铁道大学 测试装置
CN108037016B (zh) * 2017-12-28 2020-08-18 太原理工大学 超临界co2反应釜及岩体蠕变扩散侵蚀试验系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103969107A (zh) * 2014-05-06 2014-08-06 广西大学 高压伺服动真三轴试验机
CN204286951U (zh) * 2014-07-13 2015-04-22 西北农林科技大学 一种混凝土剪切试验仪器
CN107576562A (zh) * 2017-10-19 2018-01-12 南京泰克奥科技有限公司 一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法
CN109696363A (zh) * 2019-03-04 2019-04-30 山东科技大学 一种岩石压剪试验装置及试验方法
CN110132719A (zh) * 2019-06-05 2019-08-16 青岛理工大学 土工真三轴试验可变形大尺寸土箱结构
CN111380755A (zh) * 2019-10-16 2020-07-07 中南大学 一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法
CN110987638A (zh) * 2019-12-11 2020-04-10 山东大学 一种可视化真三轴水力劈裂试验装置及方法
CN112198068A (zh) * 2020-11-12 2021-01-08 中机试验装备股份有限公司 一种岩石真三轴应力状态下剪切装置
CN112432850A (zh) * 2020-11-16 2021-03-02 河海大学 一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪

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