本發(fā)明屬于土木工程領域，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)：

凍土三軸試驗是獲取凍土力學性能指標的重要手段，它能比較完整的模擬巖土在原始地應力狀態(tài)下的力學性能，是工程設計的重要依據(jù)。凍土力學指標與其試驗方法密切相關(guān)，同時也與試驗采用的儀器密切相關(guān)，為了能準確的獲取凍土力學性能指標，必須有一套精密的試驗儀器和配套的試驗系統(tǒng)，它包括主機加載系統(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)限抗壓強度試驗是在某一確定恒溫下對凍結(jié)土樣進行剪切，它只能得出某一確定溫度下的凍土樣強度；不能反映出土樣強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分為預凍融試驗和正凍融試驗2類，正凍融試驗是指土樣凍融過程是在荷載條件下進行的，這種試驗模式能夠比較接近地描述天然土層的實際凍融過程；而現(xiàn)有的凍土三軸儀器在做正凍融試驗時，能獲得不同溫度梯度、不同土性下凍結(jié)時補水量、凍脹融沉量等參數(shù)，但無法實現(xiàn)凍融條件下強度特性研究，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變場；不能做到同時監(jiān)測土樣整體變形和局部點的變形，而且也不能同時進行相應的力學強度測試，需要在凍結(jié)及凍融循環(huán)后取出試樣再進行力學強度測試。

凍土試驗是眾多土工試驗中的一種，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)三軸土工試驗的凍土三軸儀會有一定的應用前景。

因此實現(xiàn)試驗過程中的融化溫度、凍結(jié)溫度、加載速率、荷載大小和類型均可按需設置，且變形非接觸測量、實時進行力學強度測試、試驗數(shù)據(jù)自動采集處理的多功能的凍土三軸儀為推進土工試驗研究具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一臺實現(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1、獨立的溫控系統(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。

所述獨立的溫控系統(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；所述的導軌副包括導軌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；所述導軌30固定在平面臺29上；所述平面臺29焊接在加載主機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座25連接；所述加載機座25與加載主機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，為更加真實的采集試樣的真實溫度；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)包括相機密封罩5、兩面成120°的平面反光鏡7、冷光源6、工業(yè)相機(CMOS)，數(shù)字圖像測量系統(tǒng)通過相機拍攝土樣橡皮膜上的角點，比較變形過程中橡皮膜角點的位置變化，實現(xiàn)測量土樣變形的目的；所述相機密封罩5固定在加載主機1的立軸2上，并可以旋轉(zhuǎn)，相機密封罩5內(nèi)放置一個高分辨率的工業(yè)相機；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，又能很方便的完成凍土相關(guān)試驗；能實現(xiàn)試驗過程中的融化溫度、凍結(jié)溫度、試驗類型的按需設置；引入全表面數(shù)字圖像測量系統(tǒng)實現(xiàn)凍土試驗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確；溫控裝置與壓力室采用可分離的機構(gòu)(溫控裝置可在加載主機導軌上滑動)，不干擾正常的試驗準備工作，可方便拆裝，僅把三軸壓力室置于溫控裝置中，試驗機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為溫控裝置移動導軌副；

圖中：1加載主機；2立軸；3加載橫梁；4溫控系統(tǒng)；5相機密封罩；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加載機座；26壓力室底座；27壓力室腔體；28卡板；29平面臺；30導軌；31滑塊；32冷凝銅管入口和出口。

具體實施方式

裝完試樣后，將壓力室安裝到加載主機上，密封后注入干燥無水氣，施加預設圍壓，經(jīng)由移動導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)預設溫度值；將相機密封罩通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)，進行初始選點；啟動加載主機，進行預設類型試驗。

以下結(jié)合試驗過程對本發(fā)明做進一步說明：

準備好的試樣表面包裹的橡皮膜經(jīng)過特殊處理，其表面進行絲網(wǎng)印刷一系列7mmX7mm的網(wǎng)格，相機密封罩5內(nèi)放置一個高分辨率工業(yè)相機，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的位移變化，實現(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，施加預設的圍壓值；然后通過導軌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)的溫度達到預設值后，啟動全表面數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，開始初始選點(相機拍攝第一張參考圖)然后啟動加載主機通過加載橫梁3施加軸向力于試樣帽22上，進而傳遞到試樣，即可完成整個試驗的操作。完成試驗后，關(guān)閉所有試驗系統(tǒng)，先拆卸相機密封罩5，再拆除溫控裝置，等壓力室內(nèi)的溫度和壓強消散后，即可打開壓力室進行試驗清理，完成整個凍土三軸儀的使用。