本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一臺帶有數(shù)字圖像測量技術(shù)的多功能凍土三軸儀。

背景技術(shù)：

凍土三軸試驗(yàn)是獲取凍土力學(xué)性能指標(biāo)的重要手段，它能比較完整的模擬巖土在原始地應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，是工程設(shè)計的重要依據(jù)。凍土力學(xué)指標(biāo)與其試驗(yàn)方法密切相關(guān)，同時也與試驗(yàn)采用的儀器密切相關(guān)，為了能準(zhǔn)確的獲取凍土力學(xué)性能指標(biāo)，必須有一套精密的試驗(yàn)儀器和配套的試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括主機(jī)加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、土樣變形采集系統(tǒng)。

常規(guī)凍土單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在某一確定恒溫下對凍結(jié)土樣進(jìn)行剪切，它只能得出某一確定溫度下的凍土樣強(qiáng)度；不能反映出土樣強(qiáng)度特性隨溫度變換的行為。按土樣凍融過程的順序可以將試驗(yàn)分為預(yù)凍融試驗(yàn)和正凍融試驗(yàn)2類，正凍融試驗(yàn)是指土樣凍融過程是在荷載條件下進(jìn)行的，這種試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌虮容^接近地描述天然土層的實(shí)際凍融過程；而現(xiàn)有的凍土三軸儀器在做正凍融試驗(yàn)時，能獲得不同溫度梯度、不同土性下凍結(jié)時補(bǔ)水量、凍脹融沉量等參數(shù)，但無法實(shí)現(xiàn)凍融條件下強(qiáng)度特性研究，不具有非接觸式測量土樣變形，也不能較好的得到土樣全表面的應(yīng)變場；不能做到同時監(jiān)測土樣整體變形和局部點(diǎn)的變形，而且也不能同時進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度測試，需要在凍結(jié)及凍融循環(huán)后取出試樣再進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測試。

凍土試驗(yàn)是眾多土工試驗(yàn)中的一種，凍土三軸儀若只能用于研究凍土特性，勢必造成儀器的利用效率低下，所以能兼做常規(guī)三軸土工試驗(yàn)的凍土三軸儀會有一定的應(yīng)用前景。

因此實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的融化溫度、凍結(jié)溫度、加載速率、荷載大小和類型均可按需設(shè)置，且變形非接觸測量、實(shí)時進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集處理的多功能的凍土三軸儀為推進(jìn)土工試驗(yàn)研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一臺實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像測量技術(shù)的多功能凍土三軸儀，技術(shù)方案為：

一臺帶有數(shù)字圖像測量技術(shù)的多功能凍土三軸儀，包括加載主機(jī)1、獨(dú)立的溫控系統(tǒng)4和數(shù)字圖像測量系統(tǒng)。

所述加載主機(jī)1由常規(guī)土工三軸儀改制而成，由加載橫梁3的上下移動施加軸向力，做常規(guī)的動、靜土工三軸試驗(yàn)。

所述獨(dú)立的溫控系統(tǒng)4包括溫控裝置、絕熱扣蓋19、高精度溫度傳感器9；所述溫控裝置包括溫控內(nèi)側(cè)壁11、溫控外側(cè)壁8、冷凝銅管10、內(nèi)固定板12、真空絕熱板14、外固定板13。所述的溫控裝置通過導(dǎo)軌副移動使溫控內(nèi)側(cè)壁11與壓力室腔體27的側(cè)壁貼合；所述的絕熱扣蓋19蓋在溫控裝置上，形成一個封閉的散熱層；所述的導(dǎo)軌副包括導(dǎo)軌30和滑塊31，所述滑塊31通過內(nèi)六角螺栓與卡板28連接；所述卡板28與溫控外側(cè)壁8軸孔配合，防止整個溫控裝置有旋轉(zhuǎn)的趨勢；所述導(dǎo)軌30固定在平面臺29上；所述平面臺29焊接在加載主機(jī)1上的工作臺上；所述壓力室腔體27中心放置包裹橡皮膜的試樣，所述試樣的底端固定在試樣座23上，試樣的頂端固定在試樣帽22上；所述試樣座23通過螺紋固定在壓力室腔體27的底板上，所述壓力室腔體27的底板通過螺栓與壓力室底座26連接；所述壓力室底座26通過軸孔連接方式與加載機(jī)座25連接；所述加載機(jī)座25與加載主機(jī)1配合使用，組成整個凍土三軸儀。所述試樣帽22與軸向加載桿16相連；所述加載桿16通過直線軸承15的導(dǎo)向?qū)⑤S向荷載傳遞到試樣帽22；所述直線軸承15固定在壓力室上蓋18上；所述壓力室上蓋18通過螺栓固定壓力室腔體27的上板上；所述溫控內(nèi)側(cè)壁11的外側(cè)均勻布滿冷凝銅管10，其內(nèi)側(cè)是通過內(nèi)六角螺栓固定在壓力室腔體27的側(cè)壁上，與側(cè)壁緊密貼合；所述冷凝銅管入口和出口31通向溫控系統(tǒng)的外界；所述高精度溫度傳感器9固定在壓力室底座26上，傳感器的探頭靠近試樣的中部位置，為更加真實(shí)的采集試樣的真實(shí)溫度；所述內(nèi)固定板12與溫控內(nèi)側(cè)壁11焊接；所述真空絕熱板14夾在內(nèi)固定板12和外固定板13之間，形成隔熱層；所述絕熱扣蓋19上下對稱安裝兩個彈簧合頁17，分別用來封閉溫控裝置中外固定板13的缺口，依靠合頁17的彈簧拉伸，封閉缺口，達(dá)到絕熱的目的；所述管路接頭24數(shù)量上有5個，都是通過管螺紋密封安裝在壓力室底座26上，五個管路接頭的作用依次為：往壓力室內(nèi)注水、作為冷光源6的走線、作為試樣帽22的管路接口、作為試樣座23的管路接口、作為高精度溫度傳感器9的走線。

所述數(shù)字圖像測量系統(tǒng)包括相機(jī)密封罩5、兩面成120°的平面反光鏡7、冷光源6、工業(yè)相機(jī)(CMOS)，數(shù)字圖像測量系統(tǒng)通過相機(jī)拍攝土樣橡皮膜上的角點(diǎn)，比較變形過程中橡皮膜角點(diǎn)的位置變化，實(shí)現(xiàn)測量土樣變形的目的；所述相機(jī)密封罩5固定在加載主機(jī)1的立軸2上，并可以旋轉(zhuǎn)，相機(jī)密封罩5內(nèi)放置一個高分辨率的工業(yè)相機(jī)；所述兩面成120°的平面反光鏡7通過銷軸安裝在壓力室腔體27的底板上，通過兩個平面鏡將試樣的表面信息反射到壓力室腔體27的視窗窗口；所述視窗窗口包括外鋼化玻璃20和內(nèi)鋼化玻璃21，所述外鋼化玻璃20和內(nèi)鋼化玻璃21之間抽真空，防止外鋼化玻璃20表面因低溫引起表面的霧化，干涉到工業(yè)相機(jī)的拍攝；所述冷光源6分別安裝在壓力室腔體27的底板和上板，為工業(yè)相機(jī)的拍攝提供穩(wěn)定的光源。

本發(fā)明的有益效果為：該凍土三軸儀既能完成常規(guī)的靜、動三軸土工試驗(yàn)，又能很方便的完成凍土相關(guān)試驗(yàn)；能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的融化溫度、凍結(jié)溫度、試驗(yàn)類型的按需設(shè)置；引入全表面數(shù)字圖像測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)凍土試驗(yàn)時的非接觸試樣變形測量，既能監(jiān)測試樣整體變形信息，又能觀測試樣每個點(diǎn)的局部變形，而且外部測量方法不受內(nèi)部低溫的影響，試樣變形測量更加準(zhǔn)確；溫控裝置與壓力室采用可分離的機(jī)構(gòu)(溫控裝置可在加載主機(jī)導(dǎo)軌上滑動)，不干擾正常的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，可方便拆裝，僅把三軸壓力室置于溫控裝置中，試驗(yàn)機(jī)的其余部分位于常溫下，操作人員在室溫下操作，改善了操作環(huán)境。

附圖說明

圖1為本發(fā)明儀器的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為壓力室與溫控裝置組成的溫控系統(tǒng)剖面圖；

圖3為溫控裝置移動導(dǎo)軌副；

圖中：1加載主機(jī)；2立軸；3加載橫梁；4溫控系統(tǒng)；5相機(jī)密封罩；6冷光源；7兩面成120°的平面鏡；8溫控外側(cè)壁；9高精度溫度傳感器；10冷凝銅管；11溫控內(nèi)側(cè)壁；12內(nèi)固定板；13外固定板；14真空絕熱板；15直線軸承；16軸向加載桿；17彈簧合頁；18壓力室上蓋；19絕熱扣蓋；20外鋼化玻璃；21內(nèi)鋼化玻璃；22試樣帽；23試樣座；24管路接頭；25加載機(jī)座；26壓力室底座；27壓力室腔體；28卡板；29平面臺；30導(dǎo)軌；31滑塊；32冷凝銅管入口和出口。

具體實(shí)施方式

裝完試樣后，將壓力室安裝到加載主機(jī)上，密封后注入干燥無水氣，施加預(yù)設(shè)圍壓，經(jīng)由移動導(dǎo)軌副將溫控裝置移動到壓力室側(cè)壁，通過內(nèi)六角螺栓固定在壓力室上，使之與側(cè)壁緊密貼合，然后蓋上絕熱扣蓋和合頁板，行程封閉的絕熱空間，啟動溫控系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度值；將相機(jī)密封罩通5過立軸旋轉(zhuǎn)到壓力室的視窗窗口，啟動全表面數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，進(jìn)行初始選點(diǎn)；啟動加載主機(jī)，進(jìn)行預(yù)設(shè)類型試驗(yàn)。

以下結(jié)合試驗(yàn)過程對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

準(zhǔn)備好的試樣表面包裹的橡皮膜經(jīng)過特殊處理，其表面進(jìn)行絲網(wǎng)印刷一系列7mmX7mm的網(wǎng)格，相機(jī)密封罩5內(nèi)放置一個高分辨率工業(yè)相機(jī)，通過壓力室的視窗窗口，借助壓力室內(nèi)的冷光源6拍攝橡皮膜各個角點(diǎn)的位移變化，實(shí)現(xiàn)試樣的變形測量，視窗窗口由內(nèi)、外兩層耐壓鋼化玻璃組成，玻璃之間形成真空，避免由于低溫的壓力室與室內(nèi)的水分在視窗表面液化形成水霧，干涉相機(jī)的拍攝；壓力室腔體27、壓力室底座26和壓力室上蓋18行程一個密封的壓力室，通過壓力室底座26上的管路接頭24向壓力室內(nèi)注入干燥的無水氣，施加預(yù)設(shè)的圍壓值；然后通過導(dǎo)軌30將溫控裝置移動到壓力室腔體27的側(cè)壁上，使之與側(cè)壁緊密貼合，并固定在壓力室上，然后將絕熱扣板19與溫控裝置相配合，通過磁性絕熱封條粘接，再將彈簧合頁蓋上缺口，最終形成封閉的絕熱空間，然后啟動溫控系統(tǒng)，通過冷凝銅管10的傳遞形成低溫空間；壓力室內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，啟動全表面數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，開始初始選點(diǎn)(相機(jī)拍攝第一張參考圖)然后啟動加載主機(jī)通過加載橫梁3施加軸向力于試樣帽22上，進(jìn)而傳遞到試樣，即可完成整個試驗(yàn)的操作。完成試驗(yàn)后，關(guān)閉所有試驗(yàn)系統(tǒng)，先拆卸相機(jī)密封罩5，再拆除溫控裝置，等壓力室內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)消散后，即可打開壓力室進(jìn)行試驗(yàn)清理，完成整個凍土三軸儀的使用。