一种恒荷加载或卸载的智能三联土工三轴仪的制作方法

本发明属于土木工程领域，涉及一种恒荷加载或卸载的智能三联土工三轴仪。

背景技术：

三轴剪切试验和固结压缩试验是岩土力学和工程中最重要和最常用的试验。前者在均等的周围压力作用下测定轴向应力与应变之间的关系，以研究土的应力应变和强度性质，后者在无侧向变形的条件下测量轴向应力与变形(孔隙比)之间的关系，以研究土的压缩性质。两者所用的设备分别是土工三轴仪和固结压缩仪。

常规三轴仪主要由三轴压力室、轴向加载系统、围压加载系统、力和变形测量等装置组成。轴向加载系统通常采用电机作为加载的动力源，能实现均匀等速加载、应力控制式加载和位移控制式加载。土样变形测量则多采用接触式测量方法，测量精度不够高。

用常规三轴仪进行恒荷加卸载的三轴试验有以下问题：以交流电机作为动力源的传统三轴试验仪难以实现恒荷载控制；以步进电机或者伺服电机作为动力源的三轴试验仪在保持恒荷加卸载时会出现荷载波动，同时会损害电机的寿命。固结压缩试验是测定土的压缩性指标，主要包括土的压缩系数a_v、压缩指数Cc及固结系数Cv等。多联固结压缩仪是常规的土工仪器，能同时做三组土样的试验，其轴向载荷采用砝码和杠杆人工加载，可以实现恒荷加卸载。将固结压缩仪的加载方式与三轴试验结合起来，则可以很容易实现三轴试验的恒荷载分级加卸载和循环加卸载，且加载稳定无波动。另一方面，现有的三轴仪都只拥有一套试验系统，即每次只能完成一个试样的试验。三联三轴仪则可以一次完成三个试样的试验。

综上所述，集成这两种土工仪器的优势，发明一种恒荷加卸载、多联三轴压力室、配套土样非接触全表面变形数字图像测量系统、具有多功能的智能全自动砝码加(卸)载的土工三轴仪可以支持土力学研究，也具有工程应用价值。

技术实现要素：

本发明提供一种恒荷加载或卸载的智能三联土工三轴仪，该智能三联土工三轴仪采用三联三轴压力室，用砝码逐级施加恒定垂直荷载，可以同时进行三个土样的三轴试验，能一次完成相同围压不同轴压/不同围压相同轴压/不同围压不同轴压的三轴试验，且砝码加载自动化，同时集成了自动围压控制系统和土样变形数字图像测量系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种恒荷加载或卸载的智能三联土工三轴仪，该智能三联土工三轴仪采用往复移动的工业相机实现对三个三轴压力室内土样变形的图像测量；轴向荷载的施加采用杠杆砝码加载，避免电机加载的载荷波动实现加载稳定。该智能三联土工三轴仪包括轴向加载系统、反馈式自动围压控制系统、往复移动图像测量系统、助力系统和适用于土样变形数字图像测量的三轴压力室。该智能三联土工三轴仪包括轴向加载系统、反馈式自动围压控制系统、往复移动图像测量系统、助力系统和适用于土样变形数字图像测量的三轴压力室；所述的轴向加载系统、反馈式自动围压控制系统、往复移动图像测量系统分别通过导线与计算机30相连。

所述的助力系统包括一个电动葫芦11和一个实验桌。所述的实验桌分上层13、中层16和下层19；所述的实验桌的中层16的两个边角固定安装两个竖直梁15,所述的竖直梁15上分布多个通孔，所述的上层13的两侧拉杆与竖直梁15的通孔连接；所述的中层16和下层19通过四个实验桌的桌腿1固定；所述的电动葫芦11挂在两个竖直梁15之间的横梁12上，能够在横梁12上自由滑动。

所述往复移动图像测量系统包括工业相机8、两个导轨A7、两个导轨B18、步进电机17、步进电机座6和激光对射开关5。所述的两个导轨B18固定安装在实验桌中层16上；所述的两个步进电机座6分别固定安装在导轨B18上；所述的步进电机17安装在步进电机座6上，随步进电机座6能够在导轨B18前后滑动；所述的两个导轨A7并排安装在两个步进电机座6之间；所述的工业相机8安装在导轨A7上，能够在导轨A7上往复滑动；所述的激光对射开关5成对对称安装在导轨A7的两侧，与三轴压力室9的中心处于同一平面，激光对射开关5用于工业相机8定位，所述的工业相机8在导轨A7上移动和定位，分别采集各个三轴压力室内土样的图像。

所述的适用于土样变形数字图像测量的三轴压力室9安装在实验桌的中层16上；所述的包裹橡皮膜的试样31安装三轴压力室9内，荷载经过加载杆10传递到试样31。

所述的轴向加载系统包括砝码系统、杠杆4、加载杆10、力传感器14、传力杆件27、杠杆支持座28和传力梁29。所述的砝码系统包括砝码组件2和电磁铁组件3，所述的砝码系统的个数与三轴压力室9个数相同。所述的砝码组件2包括砝码托盘21、砝码22和砝码挂钩23，所述的砝码组件2通过砝码挂钩23与杠杆4的一侧相连，杠杆4的另一侧分别与传力梁29铰链接，与杠杆支持座28滑动连接，所述杠杆支持座28固定在实验桌的中层16下表面；所述传力梁29两侧与传力杆件27螺纹连接；所述传力杆件27上端与加载杆10螺纹连接，加载杆10通过螺纹实现位置可调；所述加载杆10中部与力传感器14固定连接，加载杆10下端与三轴压力室9内的试样帽连接，使荷载通过加载杆10传递到三轴压力室9内的试样上。

所述的电磁铁组件3包括电磁铁24、电磁铁座25和电磁铁固定板26，用于实现砝码22的自动加载或卸载；所述的砝码系统通过电磁铁固定板26的下方固定在下层19，电磁铁座25的一侧固定在电磁铁固定板26上，电磁铁座25的下表面固定电磁铁24，砝码挂钩23穿过电磁铁座25和电磁铁24的中心悬挂在杠杆4上。

所述反馈式自动围压控制系统包括一个水压强控制器20和管路；所述的水压强控制器20固定在实验桌的下层19，通过管路与三轴压力室9连接，用于提供围压。

本发明的有益效果为：1)本发明能逐级施加恒定垂直荷载，解决电机加载产生的载荷波动以及电机持续正反转降低寿命的问题，可以同时进行三个土样的三轴试验，能一次完成相同围压不同轴压/不同围压相同轴压/不同围压不同轴压的三轴试验，且砝码加载自动化。2)本发明同时集成了自动反馈围压控制系统和土样变形数字图像测量系统。采用RC电路对电磁铁的通断电控制，实现砝码的全自动加卸载，用单片机控制多个电磁铁实现砝码的全自动循环加卸载。围压动力源采用自主研发的反馈式自动水压强控制器，结构简单体积小。土样变形测量采用自主研发的全表面数字图像测量系统，由一个可以往复移动的工业相机采集土样图像数据，利用激光对射开关实现导轨上相机的精确定位。

附图说明

图1为本发明总体结构图；

图2为砝码系统组成图；

图3为电磁铁组件图；

图4为砝码组件图；

图5为轴向加载系统结构和组成图

图6为数字图像测量系统图；

图7为往复移动图像测量系统组成图；

图中：1实验桌桌腿；2砝码组件；3电磁铁组件；4杠杆；5激光对射开关；6步进电机座；7导轨A；8工业相机；9三轴压力室；10加载杆；11电动葫芦；12横梁；13实验桌上层；14力传感器；15竖直梁；16实验桌中层；17步进电机；18导轨B；19实验桌下层；20水压强控制器；21砝码托盘；22砝码；23砝码挂钩；24电磁铁；25电磁铁座；26电磁铁固定板；27传力杆件；28杠杆支持座；29传力梁；30计算机；31试样。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。

一种恒荷加载或卸载的智能三联土工三轴仪，包括轴向加载系统、反馈式自动围压控制系统、往复移动图像测量系统分别通过导线与计算机30相连。

实验桌1中层16的两个边角固定安装两个竖直梁15,上层13的两侧拉杆与竖直梁15的通孔连接；中层16和下层19通过四个实验桌的桌腿1固定；电动葫芦11挂在两个竖直梁15之间的横梁12上。两个导轨B18固定安装在实验桌中层16上，两个步进电机座6分别固定安装在导轨B18上，步进电机17安装在步进电机座6上，两个导轨A7并排安装在两个步进电机座6上，工业相机8安装在导轨A7上，激光对射开关5成对对称安装在导轨A7的两侧，与三轴压力室9的中心处于同一平面。三轴压力室9安装在实验桌的中层16上；所述的包裹橡皮膜的试样31安装三轴压力室9内，荷载经过加载杆10传递到试样31。砝码组件2通过砝码挂钩23与杠杆4的一侧相连，杠杆4的另一侧与传力梁29铰链接，与杠杆支持座28滑动连接，杠杆支持座28固定在实验桌的中层16下表面，传力梁29两侧与传力杆件27螺纹连接，传力杆件27上端与加载杆10螺纹连接，加载杆10与力传感器14固定连接，加载杆10下端与三轴压力室9内的试样帽连接，使荷载通过加载杆10传递到三轴压力室9内的试样上。所述的电磁铁组件3包括电磁铁24、电磁铁座25和电磁铁固定板26，用于实现砝码22的自动加载或卸载；所述的砝码系统通过电磁铁固定板26的下方固定在下层19，电磁铁座25的一侧固定在电磁铁固定板26上，电磁铁座25的下表面固定电磁铁24，砝码挂钩23穿过电磁铁座25和电磁铁24的中心悬挂在杠杆4上。水压强控制器20固定在实验桌的下层19，通过管路与三轴压力室9连接，用于提供围压。

为试验周期较长的试验任务提供稳定的技术支持；三个独立的三轴压力室，配套三个体积小、结构巧妙、响应速率快的围压自动控制系统。

1)三联三轴压力室

现存的常规三轴仪都是一个三轴压力室，一次只能做一个试样，试验的工作效率受到仪器的限制。本发明的三轴仪采用三联三轴压力室，可以同时做三个试样的试验。比如要研究不同围压对试样变形的影响时，可以同时做三个不同围压的试验，不仅效率上得到很大的提升，而且方便作对比试验。

2)轴向加载系统

现存的三轴仪轴向加载主要以电机加载为主，这样加载方式能实现连续均匀加载，但是当需要保持荷载恒定时，由于电机的调节会出现载荷波动现象。比如在保持轴向应力不变研究土的蠕变特性时，电机必须持续正反转进行反馈调节以维持荷载不变。于是，荷载输出会有波动，而且电机的寿命也会降低。这一现象在施加大荷载的三轴试验上表现更为明显。因此为实现恒荷加载本发明轴向加载方式采用杠杆砝码加载，其优点一是载荷稳定不变，二是不使用电机驱动。全自动砝码加卸载结构如图2所示。每个砝码挂钩上等间距地安装有5个砝码托盘，并且在机架上对应砝码挂钩的位置上安装电磁铁挂板。挂板上有5个等间距的电磁铁，每个电磁铁通过RC电路控制一个砝码，由单片机来同时控制三套这样的砝码加卸载系统，可以实现砝码的自动循环加卸载。

自动加卸载砝码的过程是：初始状态时控制电磁铁的RC电路保持通电状态，电磁铁和砝码是吸合状态，通过单片机的时序指令来控制RC电路中电磁铁按顺序通断电，实现施加不同的砝码得到不同的轴向压力。考虑到电磁铁断电时砝码会对砝码托盘有冲击载荷，在RC电路中有储能电容，当外部电源断开时，靠储在电容里的电量延缓砝码的下降，减小冲击。卸载时，电磁铁通电，砝码脱离砝码托盘，储能电容充电。

3)高精度数字图像测量系统

本发明在土样变形测量上采用了基于数字图像技术的土样全表面变形测量系统，由改进的三轴压力室9、工业相机8、以及计算机30组成，系统组成如图4所示。和传统的圆柱体三轴压力室不同的是，改进的三轴压力室前面板为平面玻璃，并在试样的后方固定了两面镜子来同时捕捉试样全表面的图像，三轴压力室内顶部和底部安装有环形LED灯，用来为相机拍摄提供稳定光源。试样31为圆柱体，直径39.1mm，高80mm，它被包裹在黑色橡胶膜内，黑色橡胶模上印有64个白色方格，共8行8列，其尺寸为7mm×7mm。这样，试样的全表面就被划分网格并离散成若干个四节点有限单元。网格的角点作为有限单元的节点。以亚像素的识别精度实时跟踪和记录每一节点的坐标信息，则可以得到各个测点的变形过程。土样全表面变形和应变计算的数据处理过程是：首先把相机拍摄的圆柱体的前表面和镜中的后表面曲面图像展开投影到X-Y平面上；然后将三幅图像进行拼接和误差修正，由于三幅图像的边缘部分存在重叠列，从而得到试样全表面的单元节点图像并进行节点重新编号；最后根据节点位移数据用基于四节点等参元的有限元方法完成试样全表面应变场和整体应变的计算。这是一种非接触式的测量方法，可以实时监测试样的轴向、径向和体积变形，应变测量精度可达到10^-4，该测量方法的具体细节可参考文献Shao et al.(2012)，Liu et al.(2012)。

现有的三轴仪是一个三轴压力室配一个土样全表面变形测量系统。本发明中三联三轴压力室采用一套土样全表面变形测量系统，原理和结构如图5所示。利用步进电机带动精密滚珠丝杆使固定在螺帽上相机在A7导轨上移动，在B18导轨两侧有三对激光对射开关5，通过设置激光对射开关的发射端和接收端，来控制相机的移动和停止。当步进电机正转时，相机触发第一对激光对射开关时相机会停止，此时对第一个三轴压力室的试样进行图像测量，之后继续移动直到触发下一对激光对射开关进行对第二个三轴压力室试样的图像测量，以此类推到第三个三轴压力室的试样测量。对第三个三轴压力室试样测量完成后步进电机反转实现复位进入下一个循环。本发明采用激光对射开关对相机进行定位，相机的下一个定位不受上一个定位的影响即相机运动没有累计误差。

移动图像测量系统的运行过程：设置相机采集数据点时间间隔为30s。假设t＝0时相机采集了第一个试样的变形数据，相机从第一个激光对射开关处(t＝0)移动到第二个激光对射开关处运行时间为15s(t＝15s)，停留15s(t＝30s)，此时相机采集第二个试样的变形数据，t＝45s时相机移动到第二个采集处，t＝60s时相机采集第二个试样的变形数据，t＝75s时，相机移动到第三个采集处，t＝90s时相机采集第三个试样的变形数据，t＝105s电机反转相机反向移动，t＝120s时相机回到起点完成复位准备进入下一个循环。

4)围压系统

本发明中三轴仪三轴压力室的围压控制采用自主研发的水压力控制器。具有结构紧凑、体积小、响应时间短、智能反馈等特点。

5)助力系统

试验开始或者实验结束，实验员可通过电动葫芦11升降三轴压力室9，使三轴压力室放在实验桌的上层13上。助力系统减少实验员的体力劳动。