多角度智能化巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，具體是一種多角度智能化巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖體的變形與強(qiáng)度一方面取決于它的受力條件，另一方面受巖體本身特征及賦存環(huán)境影響，其中結(jié)構(gòu)面的影響是巖體力學(xué)性質(zhì)不同于完整巖石力學(xué)性質(zhì)的根本原因，因此研宄巖體的變形和強(qiáng)度特征必須重點(diǎn)研宄巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)，尤其是抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面表面是粗糙的，而粗糙度是影響巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)，然而，目前已有的測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度的儀器大多用于室內(nèi)測(cè)量，并不具有智能性，多不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)值，因此地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)等相關(guān)領(lǐng)域在室內(nèi)和野外勘察工作中經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)法(肉眼對(duì)比)對(duì)其進(jìn)行判定。由于經(jīng)驗(yàn)法存在較大人為誤差，因此經(jīng)常很難得到較為準(zhǔn)確的巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值。
[0003]Haas等人在1975年利用表面輪廓記錄儀繪制了長(zhǎng)61cm的水平結(jié)構(gòu)表面輪廓曲線，該儀器具精度高、曲線連續(xù)、繪制速度快、可直接讀出峰高和谷深值等優(yōu)點(diǎn)，但試件要求加工成固定的尺寸，且嚴(yán)格按固定比例安裝，從而限制了操作速度，而且只適用于室內(nèi)尺寸Seixeicm2的水平結(jié)構(gòu)面，不能用于野外測(cè)量，且不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)值。
[0004]Stimpson在1982年研制的輪廓尺和模型模子將170根等長(zhǎng)的針夾于一長(zhǎng)形夾子內(nèi)組成一個(gè)平面，并垂直放置于基準(zhǔn)面水平的結(jié)構(gòu)面表面，將沿結(jié)構(gòu)面表面起伏而自由升降形成的針上端輪廓噴漆或噴墨記錄于背景的繪圖紙上，得到結(jié)構(gòu)面表面輪廓曲線。其精度取決于針的直徑，其測(cè)量長(zhǎng)度受針的直徑和針的數(shù)目控制，而且只能繪制水平結(jié)構(gòu)面的輪廓曲線，并且不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)值。
[0005]杜時(shí)貴在1993年研制的輪廓曲線儀由探頭、繪圖筆、平衡塊、固定板組成，探頭、繪圖筆、平衡塊做成一體，固定板為分開(kāi)的另一部分，使用時(shí)，繪圖筆垂直緊頂固定板、探頭垂直落在巖體表面上。移動(dòng)平衡塊，探頭在巖體表面上滾動(dòng)，繪圖筆則在固定板上連續(xù)繪制巖體表面曲線。此儀器制作簡(jiǎn)單，使用方便，具有一定的實(shí)用性，但是需手動(dòng)操作，測(cè)量速度較慢，工作量大，不適合大范圍的野外和室內(nèi)測(cè)量，且不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值。
[0006]夏才初等人在1994年研制的RSP-1型智能巖石表面形貌儀將機(jī)械、控制、測(cè)試和數(shù)據(jù)處理4個(gè)部分合為一體，在繪制輪廓曲線的同時(shí)，求得表面形貌特征參數(shù)。該儀器適用于實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)測(cè)量。但該儀器由于設(shè)備復(fù)雜、笨重，不適用于野外現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，同時(shí)由于巖體結(jié)構(gòu)面的凹凸不平，觸針在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易卡住。
[0007]杜時(shí)貴在2004年研制的粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x，包括箱體，箱體內(nèi)安裝有絲桿，絲桿的一端固接有手輪，絲桿上連有拖板，拖板與絲桿垂直，絲桿上安裝有水平游標(biāo)尺，拖板上安裝有垂直游標(biāo)尺。水平游標(biāo)尺設(shè)有水平傳感器，垂直游標(biāo)尺設(shè)有垂直傳感器，水平傳感器與垂直傳感器通過(guò)接口與微控制器連接，微控制器設(shè)有顯示器、按鍵和電源。水平游標(biāo)尺的游標(biāo)設(shè)在拖板上，垂直游標(biāo)尺的游標(biāo)設(shè)在劃針上。劃針可滑動(dòng)地安裝在拖板上，劃針與拖板之間裝有彈簧。該儀器適用于野外多種產(chǎn)狀的巖體結(jié)構(gòu)面，但需手動(dòng)控制，運(yùn)行不平穩(wěn)，測(cè)量速度較慢，不適合大范圍的野外和室內(nèi)測(cè)量。
[0008]杜時(shí)貴在2003年公開(kāi)的多量程粗糙度尺以及2005年授權(quán)的粗糙度尺和標(biāo)準(zhǔn)粗糙度尺。此類粗糙度尺使用時(shí)，與直尺測(cè)量方法類似，將粗糙度尺放置于繪有巖體結(jié)構(gòu)面表面輪廓曲線的紙上，并使輪廓曲線左端置于糙度尺有效刻度的起始線，使刻度線與結(jié)構(gòu)面表面輪廓曲線的平均線放置平行，并保證使兩個(gè)或兩個(gè)以上的峰頂與刻度的“O”基線相切，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面表面輪廓曲線的長(zhǎng)度Ln，讀出與最深谷底相切的刻度線所對(duì)應(yīng)的JRCn值，即測(cè)得長(zhǎng)度為L(zhǎng)n的輪廓曲線的粗糙度系數(shù)JRCn值。此類測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不受人為因素影響，但是使用時(shí)必須借助其他的輪廓曲線儀先繪制出巖體結(jié)構(gòu)面的輪廓曲線后才能使用，因繪制輪廓曲線速度較慢、工作量大，因此不適合大范圍的野外和室內(nèi)測(cè)量。
[0009]夏才初于2006年又公開(kāi)了一種針梳式巖石表面形態(tài)分段測(cè)量?jī)x，包括一排長(zhǎng)度相同且平行密集排列的鋼針和夾持在鋼針兩側(cè)的兩塊夾板，其中一塊夾板上固定有傾角器。由于在夾板上設(shè)置了可以測(cè)量?jī)A角的傾角器，在對(duì)延伸較長(zhǎng)的巖石表面形態(tài)進(jìn)行分段測(cè)量時(shí)，只需為每一分段確定一條參考基準(zhǔn)線，在測(cè)得巖石表面每一分段的形態(tài)輪廓線的同時(shí)，還可測(cè)得每一分段參考基準(zhǔn)線的傾角，由此，可根據(jù)各分段參考基準(zhǔn)線之間的幾何關(guān)系，將各分段巖石表面形態(tài)輪廓線轉(zhuǎn)換到同一條參考基準(zhǔn)線上，從而將整條表面輪廓線測(cè)量出來(lái)。但是這種測(cè)量?jī)x器需手動(dòng)操作，測(cè)量速度較慢，工作量大，也不能直接輸出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值。
[0010]王建秀等在2013年研制的便攜式巖石結(jié)構(gòu)面粗糙度測(cè)量?jī)x，通過(guò)旋轉(zhuǎn)套管、中心桿、連接臂、接觸式距離測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成，旋轉(zhuǎn)套管套在中心桿外并在頂端采用轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，旋轉(zhuǎn)套管頂部為橡膠旋鈕，中心桿底部為三腳固定端，旋轉(zhuǎn)套管與距離測(cè)量裝置之問(wèn)通過(guò)連接臂焊接，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)集成在一個(gè)微型電子設(shè)備中:將中心桿三腳固定端的三個(gè)尖角固定在巖體結(jié)構(gòu)面上，接觸式距離量測(cè)裝置底部與巖體結(jié)構(gòu)面接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)套管，通過(guò)連接臂帶動(dòng)距離測(cè)量裝置作圓周運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集距離數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)部軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析并顯示JRC值。雖然較為便捷，但是距離量側(cè)裝置為接觸式的，接觸式的觸頭較尖，而巖體表面凹凸不平，旋轉(zhuǎn)起來(lái)容易卡住，不能連續(xù)工作，且精度不高。
[0011]張叢林等在2013年研制的一種用于野外記錄硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面表面起伏形態(tài)的儀器，主體框架為針盒，其內(nèi)部為二個(gè)區(qū)域:蓄電池盒子區(qū)和探針安置盒區(qū)，兩個(gè)區(qū)域之間通過(guò)電線連接，針盒底部有針孔，側(cè)面刻有刻槽及螺栓孔，探針安置盒和蓄電池盒并排焊接在針盒內(nèi)，針盒內(nèi)部的下方有連接激光發(fā)射器的插座，針盒頂部焊接有握把及橡皮帶，橡皮帶扣在皮帶扣上，探針安置在探針安置盒內(nèi)，將激光發(fā)射器焊接到探針的頂部，將探針插入探針蓋板，再依次穿入鋼墊圈、彈簧，將探針插入針盒底部的針孔內(nèi)，探針蓋板通過(guò)螺栓固定到針盒上。解決了野外記錄硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)起伏的問(wèn)題，但所得曲線需后期處理，工作量大，不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)值。
[0012]綜合來(lái)看，巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的測(cè)試手段可分為機(jī)械方法和光學(xué)方法兩種。機(jī)械方法的儀器大都由接觸式探針、機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)組成，雖然這些測(cè)量?jī)x測(cè)量精度都相對(duì)較高，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，高差測(cè)試量程較小，測(cè)量速度慢；運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生卡殼，不適用于室內(nèi)和野外具各向異性和非均一性的巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的測(cè)量；大多不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值。光學(xué)方法的儀器相對(duì)較少，大多由激光發(fā)射裝置、接收器、機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)組成，克服了機(jī)械測(cè)量精度低以及機(jī)械測(cè)量存在的卡殼、測(cè)量速度慢等問(wèn)題，但是目前現(xiàn)有的光學(xué)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x，一般都比較笨重，搬運(yùn)不方便，僅限于近距離的室內(nèi)固定試樣尺寸的測(cè)試，且不能直接給出巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)值，不適用于室內(nèi)和野外具各向異性和非均一性的巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的測(cè)量。
[0013]因此，目前能用于室內(nèi)和野外直接測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的儀器較少，測(cè)量手段簡(jiǎn)陋，精度較低，體積也較大，不適用于野外操作，測(cè)量速度慢，且多不能直接輸出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值。而且目前已有的巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x大多是測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面上一條線的起伏度，用一條線的起伏度代表整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度，誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:如何克服【背景技術(shù)】中的不足，提供一種適用于室內(nèi)和野外多種形態(tài)的巖體結(jié)構(gòu)面，能夠快速?gòu)牟煌较?角度)測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值的測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
[0015]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多角度智能化巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x，包括轉(zhuǎn)盤、底座、支架、傳動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)軌、皮帶、距離傳感器、微控制器、控制電路，支架為一個(gè)直角結(jié)構(gòu)，直角結(jié)構(gòu)的豎直桿下端固定在底座的一側(cè)，直角結(jié)構(gòu)的豎直桿上端連接直角結(jié)構(gòu)的平行桿，直角結(jié)構(gòu)的平行桿向底座方向延伸，直角結(jié)構(gòu)的平行桿上有導(dǎo)軌，距離傳感器通過(guò)滑塊和傳感器固定盒安裝在導(dǎo)軌上，傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)距離傳感器沿著導(dǎo)軌做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，距離傳感器和傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)控制電路電信號(hào)連接微控制器。
[0016]作為一種優(yōu)選方式:底座下部有可調(diào)節(jié)支腳。
[0017]作為一種優(yōu)選方式:轉(zhuǎn)盤上刻有角度，每15° —個(gè)刻度，轉(zhuǎn)盤上有轉(zhuǎn)盤鎖固裝置，轉(zhuǎn)盤旁邊配有指針，轉(zhuǎn)盤通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承安裝在底座上。
[0018]作為一種優(yōu)選方式:導(dǎo)軌兩端分別裝有第一皮帶輪和第二皮帶輪，第二皮帶輪固定在傳動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)軸上，皮帶安裝在第一皮帶輪和第二皮帶輪上，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊固定在皮帶上，滑塊上連接有傳感器固定盒，傳感器固定盒內(nèi)裝有距離傳感器。
[0019]作為一種優(yōu)選方式:微控制器通過(guò)控制電路電信號(hào)連接指示燈、存儲(chǔ)卡、顯示屏。
[0020]作為一種優(yōu)選方式:控制電路包括:電源穩(wěn)壓電路ICl、下載程序接口電路IC2、傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路IC3、距離傳感器接口電路IC4、存儲(chǔ)卡接口電路IC5、顯示屏接口電路IC6、微控制器按鍵電路IC7、振蕩晶體電路IC8、指示燈電路IC9、基準(zhǔn)電壓電路IC10、上電復(fù)位電路IC11、微計(jì)算機(jī)處理器電路IC12組成整體電路，各分電路由導(dǎo)線互相連接。
[0021]利用多角度智能化巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)測(cè)量?jī)x，測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟:選擇合適位