一种便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪及其测量方法，特别是用于岩体结构面抗剪强度特性研究，尤其对现场大型岩质边坡结构面粗糙度的直接测量具有明显优势，属于岩土工程现场结构面粗糙度测量仪器设备领域。

背景技术

岩体结构面是控制岩质边坡稳定性的重要因素。岩质边坡稳定性分析时，岩体结构面抗剪强度参数的取值正确与否对稳定性评价结果有至关重要的影响。而岩体结构面力学习性是结构面表面起伏形态和微观粗糙度共同特征的函数，结构面粗糙度系数JRC是结构面表面形态特征的定量表达，粗糙度系数可体现结构面表面形态的基本特征。同时，结构面粗糙度系数JRC与抗剪强度具有很好的一致性，在相同试验条件下，结构面两侧岩壁性质相近时，结构面试样的抗剪强度由结构面表面自身粗糙起伏性质决定。结构面表面形态可分为宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度三个级别，其中，对结构面力学性质起决定性影响的是表面起伏形态。因此，对结构面表面形态基本特征的研究主要考虑表面起伏形态的基本特征，其描述指标有爬坡角(或起伏角)、相对起伏差、伸长率等，为了准确获得现场岩体结构面表面形态，人们往往采用手绘或是简易纵剖面仪测量结构面表面轮廓线来表征结构面的起伏状态，再经过后期处理与Barton提出的粗糙度尺进行比对换算结构面粗糙度系数JRC，但均无法避开通过相对起伏度和伸长率的测量值来确定结构面粗糙度系数。对于如何将测量结果转换为结构面粗糙度系数JRC前人已做了大量研究，而针对现场测量设备或仪器的研发却鲜有研究，大多仍沿用传统迹线描绘法，该方法受天气、人为因素影响较大，不能满足现场实际测量的要求，亟需一种便捷、适用且抗干扰能力强的数据采集仪器。

申请号为CN201911400521.5的发明专利介绍了一种室内物体表面粗糙度轮廓测量设备，可实现室内物体表面轮廓和粗糙度同时逐一测量，但其作为一种室内台式测量装置，无法用于室外现场实测。

申请号为CN202010275660.6的发明专利介绍了一种大量程粗糙度轮廓仪，实现了对粗糙度和轮廓度的大量程和高精度测量，但仍然仅适用于室内物体表面的测量。

申请号为CN201810761525.5的发明实施例提供了一种岩体结构面粗糙度系数全区域搜索测量方法，为现场采样数据的处理提供了一种智能分析手段。

徐健等(2008)认为简易纵剖面仪在野外任意产状的结构面表面轮廓线测量方面，具有很好的适用性，使得JRC的测量结果从统计学角度具有很好的可靠性和可信度，但其表面轮廓迹线需绘制于图纸上，测量效率低，后期处理数据困难。

综上，目前所研发的物体表面粗糙度测量仪主要存在几个问题：(1)大多针对室内物体表面粗糙度轮廓的测量，体型庞大，不利于野外现场测量；(2)对测量指标考虑单一，很难从多指标分析和描述表面轮廓的起伏状态；(3)设备适用领域局限性大，抗干扰能力弱，普适性不强，以室内小物体、小量程为主，野外测量设备较少。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪及其测量方法，测量中可实现对结构面迹线伸长率lt和起伏幅度RY的测量，可根据现场的快速直接测量估算岩体结构面粗糙度系数JRC；无需进行手工绘制图纸，测量方便直接读取测量值，方便快捷，可有效解决采用图纸方式时由于污渍或雨水干扰的问题。

本发明采用技术方案是：一种便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪，包括手柄1、主箱2连接，手柄1连接在主箱2上方，主箱2上安装有刻度盘9和表盘12，刻度盘9位于表盘12上方，刻度盘9上设有指针8，复位弹簧10位于刻度盘9左侧，滑轮7安装在刻度盘9右侧的主箱2上，固定销11、固定阀20分别固定在刻度盘9、表盘12左侧的主箱2上，复位弹簧10的左侧端与固定销11连接，右侧端分别与指针8、细绳15的端头相连，细绳15穿过刻度盘9下端的空腔后绕在滑轮7上，表盘12的上端设有若干根套管18，每根套管18内安装有一根压力弹簧19，每根压力弹簧19下方连接有一根伸缩杆14，每根伸缩杆14上固定有凸出的活动销17，套管18上设有供活动销17上下活动的滑槽22，绕过滑轮7的细绳15自右向左依次穿过每根伸缩杆14上的活动销17后与固定阀20连接，伸缩杆14接触起伏面的一端设有触头21，平行卡尺13包括活动安装在表盘12中上部的上下两根卡尺，活动销17位于上下两根卡尺之间且带动上下两根卡尺上下运动，即平行卡尺13随触头21起伏产生起伏差，表盘12中间竖向设有起伏幅度RY刻度表，右上角设有结构面粗糙度JRC参照取值表，根据平行卡尺13可直接读取对应轮廓起伏幅度RY。

优选地，所述刻度盘9、表盘12、固定销11、固定阀20、滑轮7均通过固定螺丝6安装在主箱2上。

优选地，所述的滑轮7有两个，上端的滑轮7位于刻度盘9右侧，下端的滑轮7位于表盘12右侧。

优选地，平行卡尺13中每根卡尺的两端均通过固定弹簧连接在表盘12上。

优选地，所述主箱2上，滑轮7前端、后端及伸出表盘12的出线端均固定有线卡16，细绳15穿过线卡16。

优选地，所述主箱2下方可拆卸安装有安全护罩3。

优选地，所述主箱2两侧的下端分别安装有平衡弹簧5，平衡弹簧5下方连接平衡板4。

一种所述的便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪的测量方法，包括如下步骤：

S1、将主箱2下端的安全护罩3摘下，检查测面复位状态：保证初始测量前伸缩杆14接触岩壁表面一端保持直线，刻度盘9上的伸长率lt刻度值置于0位；同时观察平行卡尺13是否置于起伏幅度RY刻度表的0位；

S2、手持手柄1后沿垂直于结构面方向轻轻按下设备，观察平衡底座4，保持两侧平衡底座4保持平行，观察平行卡尺13是否处于0位两侧，如若不是，则轻轻调整平衡底座4，壁面起伏轮廓会通过触头21传递至刻度盘9和表盘12；

S3、保持恒力不变，读取测量数值并做好数据记录：测量时，先读取平行卡尺13对应的RY刻度值，保证平行卡尺13平行且有对应的数值时，方可读取伸长率lt的值；

S4、一组数据测量完毕后，松开手柄1，观察伸长率lt和平行卡尺13的复位状态，均复位值0位时方可读取下一组数值；

S5、测量完毕后装上安全护罩3，防止伸缩杆14被损坏；

S6、重复所述S1～S5步骤，进行多次测量；

S7、测量完毕，将触头21复位，装上安全护罩3。

本发明的有益效果是：

(1)仪器轻巧，测量方便，省时不费力；

(2)设计思路简单，制作材质价格便宜，低廉，便于设计制造不同尺度的仪器；

(3)测量快速，可直接读取数值，快速进行岩体结构面粗糙度系数JRC的估算；

(4)使用方便，便于操作，能适应不同测量环境，抗干扰能力强；

(5)可同时测量结构面迹线伸长率和起伏幅度2种描述结构面起伏状态的重要指标；

(6)无需进行大量后期处理，可根据测量直接结果计算所测起伏面迹线长度，解决了轮廓曲线迹线长度难以直接测量的难题；

附图说明

图1为本发明仪器的主结构示意图；

图2为本发明的轮廓曲面触点转换装置；

图3为本发明的轮廓起伏面牵引传递结构图；

图4为本发明的轮廓起伏面传递转化结构。

图中各标号为：手柄-1、主箱-2、安全护罩-3、平衡板-4、平衡弹簧5、固定螺丝6、滑轮-7、指针-8、刻度盘-9、复位弹簧-10、固定销-11、表盘-12、平行卡尺-13、伸缩杆-14、细绳-15、线卡16、活动销-17、套管-18、压力弹簧-19、固定阀-20、触头-21、滑槽-22。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明的测量方法和工作原理作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1-4所示，一种便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪，包括手柄1、主箱2连接，手柄1连接在主箱2上方，主箱2上安装有刻度盘9和表盘12，刻度盘9位于表盘12上方，刻度盘9上设有指针8，复位弹簧10位于刻度盘9左侧，滑轮7安装在刻度盘9右侧的主箱2上，固定销11、固定阀20分别固定在刻度盘9、表盘12左侧的主箱2上，复位弹簧10的左侧端与固定销11连接，右侧端分别与指针8、细绳15的端头相连，细绳15穿过刻度盘9下端的空腔后绕在滑轮7上，表盘12的上端设有若干根套管18，每根套管18内安装有一根压力弹簧19，压力弹簧19用于保证下压时伸缩杆15能够紧密贴合于起伏轮廓面上而不脱离岩壁面，每根压力弹簧19下方连接有一根伸缩杆14，每根伸缩杆14上固定有凸出的活动销17，套管18上设有供活动销17上下活动的滑槽22，活动销17牵引细绳15运动，绕过滑轮7的细绳15自右向左依次穿过每根伸缩杆14上的活动销17后与固定阀20连接，伸缩杆14接触起伏面的一端设有触头21，活动销17与触头21同时产生上下运动，平行卡尺13包括活动安装在表盘12中上部的上下两根卡尺，活动销17位于上下两根卡尺之间且带动上下两根卡尺上下运动，表盘12中间竖向设有起伏幅度RY刻度表，右上角设有结构面粗糙度JRC参照取值表。采用触头21上下回缩带动细绳15上下起伏，同时另一端体现为刻度9中伸长率lt的变化；与此同时，在表盘12上，平行卡尺13随触头21起伏产生起伏差，根据平行卡尺13可直接读取对应轮廓起伏幅度RY，表盘12另一侧设有对应粗糙度系数JRC的参照取值表，则可根据平行卡尺13的测量值估算岩体结构面粗糙度系数值，实现粗糙度系数JRC的直接读取。

相比于现有粗糙度轮廓仪，制作成本更低，设备轻巧，方便测量，且可快速进行多次测量，可快速估算岩体结构面粗糙度系数JRC，不受天气影响，并可同时测量结构面起伏轮廓的起伏幅度RY和伸长率lt两个重要指标，对现场适用性更强，对开展现场岩体结构面粗糙度系数测量具有明显优势。

进一步地，所述刻度盘9、表盘12、固定销11、固定阀20、滑轮7均通过固定螺丝6安装在主箱2上，结构简单，安装方便。

进一步地，所述的滑轮7有两个，上端的滑轮7位于刻度盘9右侧，下端的滑轮7位于表盘12右侧，上下两个滑轮7使得细绳15浮动更加平稳。

进一步地，平行卡尺13中每根卡尺的两端均通过固定弹簧连接在表盘12上，可以实现平行卡尺13的自由上下运动。

优选地，所述主箱2上，滑轮7前端、后端及伸出表盘12的出线端均固定有线卡16，细绳15穿过线卡16，通过线卡16，使得细绳15不会向下掉，使得测量更加精确。

进一步地，所述主箱2下方可拆卸安装有安全护罩3，置于伸缩杆14外端，用于保护伸缩杆14下端，防止其受潮或砸坏。

进一步地，所述主箱2两侧的下端分别安装有平衡弹簧5，平衡弹簧5下方连接平衡板4。因为接触面是起伏不定的，通过平衡弹簧5的调控，按下去速度较慢，可以保证整个仪器的平稳。

一种所述的便携式岩体结构面粗糙度轮廓测量仪的测量方法，包括如下步骤：

S1、将主箱2下端的安全护罩3摘下，检查测面复位状态：保证初始测量前伸缩杆14接触岩壁表面一端保持直线，刻度盘9上的伸长率lt刻度值置于0位；同时观察平行卡尺13是否置于起伏幅度RY刻度表的0位；

S2、手持手柄1后沿垂直于结构面方向轻轻按下设备，观察平衡底座4，保持两侧平衡底座4保持平行，观察平行卡尺13是否处于0位两侧，如若不是，则轻轻调整平衡底座4，壁面起伏轮廓会通过触头21传递至刻度盘9和表盘12；通过伸缩杆14与起伏面接触，轮廓起伏反映到活动销17与细绳15的起伏，活动销17与细绳15连接，可直观得到轮廓面的迹线，细绳15通过滑轮7与上端的复位弹簧10相连，接触面起伏差越大，伸长率越长，由此反映轮廓面起伏状态；

S3、保持恒力不变，读取测量数值并做好数据记录：测量时，先读取平行卡尺13对应的RY刻度值，保证平行卡尺13平行且有对应的数值时，方可读取伸长率lt的值；

S4、一组数据测量完毕后，松开手柄1，观察伸长率lt和平行卡尺13的复位状态，均复位值0位时方可读取下一组数值；

S5、测量完毕后装上安全护罩3，防治伸缩杆14被损坏；

S6、重复所述S1～S5步骤，进行多次测量，同一组结构面测量15～20次以上，同时做好测量数据记录；

S7、测量完毕，将触头21复位，装上安全护罩3，以待下次使用。

本发明的技术构思为：将起伏变化的岩体结构面壁面通过触头21的方式传递，触头21通过伸缩杆14上的活动销17与细绳15连接，触头21的上下移动，反映轮廓面的上下起伏，同时牵引细绳15伸长或缩短，细绳15的伸长或缩短即可反映壁面迹线的伸长率变化；同时，触头21的高低起伏带动平行卡尺13的上下移动来测量壁面迹线的最大起伏深度，将直接难测量的迹线长和壁面迹线起伏深度进行间接转化，从而实现壁面起伏迹线伸长率和起伏幅度的测量。

本发明的工作原理是：

表面轮廓起伏状态转换系统：将表面轮廓迹线采用起伏触点的方式传递至仪器中央，触头21起伏与细绳15起伏同时传递，细绳15采用滑轮7相连，细绳15一端采用复位弹簧10接触，测完一组可及时复位进行多次测量，并将结构面起伏状态转换为可测量的起伏迹线伸长量lt和起伏幅度RY，用于描述岩体结构面的粗糙度特征和起伏状态。

通过触头21与起伏结构面直接接触，伸缩杆14与压力弹簧19直接相连，设置的压力弹簧19能够进行自动复位，同时保证每个触头21与轮廓面紧密贴合，提高测量结果的准确性和可靠性。为弥补压力弹簧19由于多次使用产生弹力不足的缺陷，提高仪器使用效用，特在细绳15另一端设有复位弹簧10作为辅助复位的部件，提高仪器的长期使用精度，使其复位和测量精度实现双保险，提高仪器使用寿命。当长期使用导致触点复位困难时，可更换复位弹簧10和压力弹簧19即可，方便快捷，大大提高仪器的重复利用率。

刻度表盘转换：通过前人大量研究提出的迹线起伏幅度RY与岩体结构面粗糙度系数JRC的对应粗糙度尺，设置了每次测量的起伏幅度RY对应的岩体结构面粗糙度系数JRC，可直接估算岩体结构面粗糙度系数，解决了采用图纸绘制方法需要后期处理方可测算岩体结构面粗糙度系数的难题，大大提高了测量效率。

手柄端：设置手柄1端便于使用，直接将测量仪器沿结构面垂直方向按压即可实时读取测量结果，方便、快捷。

测量时，取走安全安全护罩3，检查伸缩杆14的复位情况，观察平行卡尺13和指针8是否归0位，保证测量前伸缩杆14均在一条直线上，手持手柄1沿垂直于被测结构面方向按下测量仪，同时读取表盘12上的伸长率lt和起伏幅度值RY，做好测量记录。

本发明的目的旨在提供一种现场岩体结构面粗糙度系数JRC和描述壁面粗糙起伏状态指标(伸长率lt和起伏幅度RY)的测量仪器，提高现场结构面起伏形态指标数据采集速率，解决传统手绘轮廓迹线法分析结构面粗糙度的方法存在的局限，减少后期轮廓线迹线长度处理时间，大大提高工作效率。同时，所设计的结构简单，使用方便，抗干扰能力强，适用于不同天气、不同环境下的结构面粗糙度指标测量，适用性更强。本发明为抗干扰能力强、便捷、实用的测量仪器，能够大大提高测量效率和测量成本。

以上结合附图对具体实施方法作了较详细的说明，但是本专利并不限于上述实施方法，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利的宗旨的前提下作出各种变化。依本发明范围所做的等效变化，采用不同尺度下的设计构造均纳入本发明的保护范围。