一台带有数字图像测量技术的多功能冻土三轴仪的制作方法

本发明属于土木工程领域，涉及一台带有数字图像测量技术的多功能冻土三轴仪。

背景技术：

冻土三轴试验是获取冻土力学性能指标的重要手段，它能比较完整的模拟岩土在原始地应力状态下的力学性能，是工程设计的重要依据。冻土力学指标与其试验方法密切相关，同时也与试验采用的仪器密切相关，为了能准确的获取冻土力学性能指标，必须有一套精密的试验仪器和配套的试验系统，它包括主机加载系统、温度控制系统、土样变形采集系统。

常规冻土单轴无侧限抗压强度试验是在某一确定恒温下对冻结土样进行剪切，它只能得出某一确定温度下的冻土样强度；不能反映出土样强度特性随温度变换的行为。按土样冻融过程的顺序可以将试验分为预冻融试验和正冻融试验2类，正冻融试验是指土样冻融过程是在荷载条件下进行的，这种试验模式能够比较接近地描述天然土层的实际冻融过程；而现有的冻土三轴仪器在做正冻融试验时，能获得不同温度梯度、不同土性下冻结时补水量、冻胀融沉量等参数，但无法实现冻融条件下强度特性研究，不具有非接触式测量土样变形，也不能较好的得到土样全表面的应变场；不能做到同时监测土样整体变形和局部点的变形，而且也不能同时进行相应的力学强度测试，需要在冻结及冻融循环后取出试样再进行力学强度测试。

冻土试验是众多土工试验中的一种，冻土三轴仪若只能用于研究冻土特性，势必造成仪器的利用效率低下，所以能兼做常规三轴土工试验的冻土三轴仪会有一定的应用前景。

因此实现试验过程中的融化温度、冻结温度、加载速率、荷载大小和类型均可按需设置，且变形非接触测量、实时进行力学强度测试、试验数据自动采集处理的多功能的冻土三轴仪为推进土工试验研究具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供一台实现数字图像测量技术的多功能冻土三轴仪，技术方案为：

一台带有数字图像测量技术的多功能冻土三轴仪，包括加载主机1、独立的温控系统4和数字图像测量系统。

所述加载主机1由常规土工三轴仪改制而成，由加载横梁3的上下移动施加轴向力，做常规的动、静土工三轴试验。

所述独立的温控系统4包括温控装置、绝热扣盖19、高精度温度传感器9；所述温控装置包括温控内侧壁11、温控外侧壁8、冷凝铜管10、内固定板12、真空绝热板14、外固定板13。所述的温控装置通过导轨副移动使温控内侧壁11与压力室腔体27的侧壁贴合；所述的绝热扣盖19盖在温控装置上，形成一个封闭的散热层；所述的导轨副包括导轨30和滑块31，所述滑块31通过内六角螺栓与卡板28连接；所述卡板28与温控外侧壁8轴孔配合，防止整个温控装置有旋转的趋势；所述导轨30固定在平面台29上；所述平面台29焊接在加载主机1上的工作台上；所述压力室腔体27中心放置包裹橡皮膜的试样，所述试样的底端固定在试样座23上，试样的顶端固定在试样帽22上；所述试样座23通过螺纹固定在压力室腔体27的底板上，所述压力室腔体27的底板通过螺栓与压力室底座26连接；所述压力室底座26通过轴孔连接方式与加载机座25连接；所述加载机座25与加载主机1配合使用，组成整个冻土三轴仪。所述试样帽22与轴向加载杆16相连；所述加载杆16通过直线轴承15的导向将轴向荷载传递到试样帽22；所述直线轴承15固定在压力室上盖18上；所述压力室上盖18通过螺栓固定压力室腔体27的上板上；所述温控内侧壁11的外侧均匀布满冷凝铜管10，其内侧是通过内六角螺栓固定在压力室腔体27的侧壁上，与侧壁紧密贴合；所述冷凝铜管入口和出口31通向温控系统的外界；所述高精度温度传感器9固定在压力室底座26上，传感器的探头靠近试样的中部位置，为更加真实的采集试样的真实温度；所述内固定板12与温控内侧壁11焊接；所述真空绝热板14夹在内固定板12和外固定板13之间，形成隔热层；所述绝热扣盖19上下对称安装两个弹簧合页17，分别用来封闭温控装置中外固定板13的缺口，依靠合页17的弹簧拉伸，封闭缺口，达到绝热的目的；所述管路接头24数量上有5个，都是通过管螺纹密封安装在压力室底座26上，五个管路接头的作用依次为：往压力室内注水、作为冷光源6的走线、作为试样帽22的管路接口、作为试样座23的管路接口、作为高精度温度传感器9的走线。

所述数字图像测量系统包括相机密封罩5、两面成120°的平面反光镜7、冷光源6、工业相机(CMOS)，数字图像测量系统通过相机拍摄土样橡皮膜上的角点，比较变形过程中橡皮膜角点的位置变化，实现测量土样变形的目的；所述相机密封罩5固定在加载主机1的立轴2上，并可以旋转，相机密封罩5内放置一个高分辨率的工业相机；所述两面成120°的平面反光镜7通过销轴安装在压力室腔体27的底板上，通过两个平面镜将试样的表面信息反射到压力室腔体27的视窗窗口；所述视窗窗口包括外钢化玻璃20和内钢化玻璃21，所述外钢化玻璃20和内钢化玻璃21之间抽真空，防止外钢化玻璃20表面因低温引起表面的雾化，干涉到工业相机的拍摄；所述冷光源6分别安装在压力室腔体27的底板和上板，为工业相机的拍摄提供稳定的光源。

本发明的有益效果为：该冻土三轴仪既能完成常规的静、动三轴土工试验，又能很方便的完成冻土相关试验；能实现试验过程中的融化温度、冻结温度、试验类型的按需设置；引入全表面数字图像测量系统实现冻土试验时的非接触试样变形测量，既能监测试样整体变形信息，又能观测试样每个点的局部变形，而且外部测量方法不受内部低温的影响，试样变形测量更加准确；温控装置与压力室采用可分离的机构(温控装置可在加载主机导轨上滑动)，不干扰正常的试验准备工作，可方便拆装，仅把三轴压力室置于温控装置中，试验机的其余部分位于常温下，操作人员在室温下操作，改善了操作环境。

附图说明

图1为本发明仪器的整体结构图；

图2为压力室与温控装置组成的温控系统剖面图；

图3为温控装置移动导轨副；

图中：1加载主机；2立轴；3加载横梁；4温控系统；5相机密封罩；6冷光源；7两面成120°的平面镜；8温控外侧壁；9高精度温度传感器；10冷凝铜管；11温控内侧壁；12内固定板；13外固定板；14真空绝热板；15直线轴承；16轴向加载杆；17弹簧合页；18压力室上盖；19绝热扣盖；20外钢化玻璃；21内钢化玻璃；22试样帽；23试样座；24管路接头；25加载机座；26压力室底座；27压力室腔体；28卡板；29平面台；30导轨；31滑块；32冷凝铜管入口和出口。

具体实施方式

装完试样后，将压力室安装到加载主机上，密封后注入干燥无水气，施加预设围压，经由移动导轨副将温控装置移动到压力室侧壁，通过内六角螺栓固定在压力室上，使之与侧壁紧密贴合，然后盖上绝热扣盖和合页板，行程封闭的绝热空间，启动温控系统预设温度值；将相机密封罩通5过立轴旋转到压力室的视窗窗口，启动全表面数字图像测量系统，进行初始选点；启动加载主机，进行预设类型试验。

以下结合试验过程对本发明做进一步说明：

准备好的试样表面包裹的橡皮膜经过特殊处理，其表面进行丝网印刷一系列7mmX7mm的网格，相机密封罩5内放置一个高分辨率工业相机，通过压力室的视窗窗口，借助压力室内的冷光源6拍摄橡皮膜各个角点的位移变化，实现试样的变形测量，视窗窗口由内、外两层耐压钢化玻璃组成，玻璃之间形成真空，避免由于低温的压力室与室内的水分在视窗表面液化形成水雾，干涉相机的拍摄；压力室腔体27、压力室底座26和压力室上盖18行程一个密封的压力室，通过压力室底座26上的管路接头24向压力室内注入干燥的无水气，施加预设的围压值；然后通过导轨30将温控装置移动到压力室腔体27的侧壁上，使之与侧壁紧密贴合，并固定在压力室上，然后将绝热扣板19与温控装置相配合，通过磁性绝热封条粘接，再将弹簧合页盖上缺口，最终形成封闭的绝热空间，然后启动温控系统，通过冷凝铜管10的传递形成低温空间；压力室内的温度达到预设值后，启动全表面数字图像测量系统，开始初始选点(相机拍摄第一张参考图)然后启动加载主机通过加载横梁3施加轴向力于试样帽22上，进而传递到试样，即可完成整个试验的操作。完成试验后，关闭所有试验系统，先拆卸相机密封罩5，再拆除温控装置，等压力室内的温度和压强消散后，即可打开压力室进行试验清理，完成整个冻土三轴仪的使用。