變阻式三維結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量裝置研制及運(yùn)用

譚 洵，潘 凱，吉 鋒，蔡國(guó)軍

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家級(jí)地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川成都 610059）

變阻式三維結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量裝置研制及運(yùn)用

譚 洵1，潘 凱1，吉 鋒2，蔡國(guó)軍2

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家級(jí)地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川成都 610059）

為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地測(cè)量野外緩傾角巖體三維結(jié)構(gòu)面表面起伏形貌，設(shè)計(jì)了一套變阻式三維結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量裝置。該裝置主要由變阻式探頭與活動(dòng)坐標(biāo)架兩大部分組成，利用滑動(dòng)變阻器的原理，探針伸縮引起探管內(nèi)電路中電阻發(fā)生改變，帶來的電流改變經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換反映到表盤上顯示探針伸縮的長(zhǎng)度。對(duì)該結(jié)構(gòu)面上300mm2內(nèi)的真實(shí)起伏形貌進(jìn)行測(cè)量，超出測(cè)面可以分塊測(cè)量。獲取的結(jié)構(gòu)面三維表面形貌與結(jié)構(gòu)面真實(shí)形貌吻合性較好。該裝置有適用條件廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便高效、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)面；三維形貌；形貌測(cè)量裝置

在高壩、地下洞室、航空港和交通路線等的設(shè)計(jì)和施工中，常常會(huì)遇到評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的問題［1］。從工程的角度描述巖體和巖石是截然不同的，工程作用的對(duì)象是包含了結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的巖體，而巖石僅指巖體的物質(zhì)組成或材料［2］。巖體中的結(jié)構(gòu)面，或稱不連續(xù)面，是地質(zhì)歷史發(fā)展過程中形成的具有一定方向、一定規(guī)模形態(tài)巖質(zhì)的地質(zhì)界面［3］。巖體的穩(wěn)定性，一般用來描述巖體受力時(shí)從變形發(fā)展到破壞的力學(xué)性質(zhì)。其力學(xué)性質(zhì)，一方面取決于它的受力條件，另外一方面受巖體本身特征及賦存條件的影響，其中結(jié)構(gòu)面的影響是使巖體力學(xué)性質(zhì)不同于完整巖石力學(xué)性質(zhì)的根本原因［4］，研究巖體的力學(xué)性質(zhì)，必須重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)面的特征［5］。

結(jié)構(gòu)面粗糙起伏程度是結(jié)構(gòu)面的特征之一［6］，然而其粗糙起伏程度千變?nèi)f化，對(duì)其真實(shí)形貌進(jìn)行精確測(cè)量一直是個(gè)難題。目前，對(duì)結(jié)構(gòu)面的起伏形態(tài)的測(cè)量方法和儀器一般常用的分為兩大類，一類是起伏曲線測(cè)量，線—面等效的方法，該類主要包含有Barton的JRC－JRS模型［7－8］，杜時(shí)貴簡(jiǎn)易縱剖面儀［9］及其對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)簡(jiǎn)易測(cè)量方法［10］，吉鋒等研制出接觸打點(diǎn)器［11］；另一類是利用特殊光學(xué)儀器對(duì)結(jié)構(gòu)面三維形貌直接測(cè)量。在第1類方法中，用結(jié)構(gòu)面中選取的數(shù)條典型的起伏輪廓曲線來代表整個(gè)結(jié)構(gòu)面的起伏形態(tài)，實(shí)現(xiàn)線—面等效有較好的實(shí)用價(jià)值，但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面是很難用幾條簡(jiǎn)單的起伏曲線所代表的，因此第1類方法不能完全表征三維結(jié)構(gòu)面。第2類是三維形貌直接測(cè)量，是近年來研究重點(diǎn)，得到較快發(fā)展。利用激光三維高精度掃描，夏才初等［11－12］設(shè)計(jì)了DSP－1型智能巖石表面形貌儀和TJXW－3D型巖石三維表面形貌儀［12－13］。激光法測(cè)量精度雖高，但也存在不足，如特定材料對(duì)激光反射不夠敏感、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不成熟［14］，且激光設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難度大、對(duì)環(huán)境條件要求高等，有時(shí)還由于結(jié)構(gòu)面表面風(fēng)化和地下水滲入等因素會(huì)影響測(cè)量效果。基于此，在系統(tǒng)的理論分析和實(shí)踐的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)械與電學(xué)原理，研制了一套變阻式三維結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量裝置。

1 裝置主要構(gòu)件特征

該套裝置主要有三大部分構(gòu)成：變阻式探頭，活動(dòng)坐標(biāo)架和控制箱及數(shù)據(jù)采集裝置。配合Excel和Matlab可以很好地實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)面可視化，獲取結(jié)構(gòu)面相關(guān)特征參數(shù)和三維圖像。裝置測(cè)量如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)面三維測(cè)繪裝置示意圖

1.1 變阻式探頭

1.1.1 變阻式探頭構(gòu)件特征及工作原理

如圖2所示，通過探頭內(nèi)探針與不同起伏度結(jié)構(gòu)面上點(diǎn)接觸（結(jié)構(gòu)面起伏差為ΔH），使探針縮進(jìn)探管內(nèi)，使纏繞在探針外側(cè)上的電阻絲的長(zhǎng)度改變?yōu)棣（電阻絲與探針之間絕緣，圖2中聯(lián)入電路部分的電阻絲為有效電阻絲，未聯(lián)入部分為未通電電阻絲），則電阻值R發(fā)生改變，根據(jù)I＝U/R，電流變化為ΔΙ，再通過配置定值電阻，ΔΙ經(jīng)過轉(zhuǎn)換，在靈敏電流計(jì)的改制表盤上顯示出ΔH。探管和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作基本電路圖見圖3。

1.1.2 變阻式探針微細(xì)部分構(gòu)造

圖2 單根探針工作原理簡(jiǎn)圖

圖3 儀器基本工作電路圖

（1）導(dǎo)電鋼珠環(huán)。在該探針裝置中有一比較獨(dú)特的設(shè)計(jì)即導(dǎo)電鋼珠環(huán)，在該導(dǎo)電鋼珠環(huán)的設(shè)計(jì)過程中筆者通過了全面的對(duì)比和探究，最終采用了該套方案。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：①可以與電阻器較為緊密地接觸，不會(huì)發(fā)生塑性變形和過大的疲勞變形；②探針軸電動(dòng)電阻絲棒上下運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼珠可以隨軸的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以最大限度地減小其與電阻絲的摩擦，從而減少電阻絲的消耗，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)還可以減小因電阻絲損耗而引起的系統(tǒng)誤差；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料易得，降低了加工難度。導(dǎo)電鋼珠環(huán)的詳細(xì)構(gòu)造見圖4。

圖4 導(dǎo)電鋼珠環(huán)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

（2）探針軸、電阻線圈（見圖5）及電源控制箱。探針軸鋼針直徑d1＝3mm，總長(zhǎng)度250mm，外部所套為優(yōu)質(zhì)彈簧，在探針長(zhǎng)期工作中可視為完全彈性變形。所用電阻絲為標(biāo)準(zhǔn)電阻絲，直徑d＝0.25mm，截面積S0＝0.049 09mm2，長(zhǎng)度L0＝18 463.2mm，總電阻值R0＝270.588Ω，工作區(qū)總電阻R1＝195.27Ω，有效工作電阻絲總電阻R2＝139.479Ω。通電有效電阻最大表面積S1＝7.85（cm2/m），質(zhì)量為0.000 4123 kg/m，20℃電阻R＝22.21Ω/m。絕緣管所繞電阻絲總長(zhǎng)度值214.798mm，通電有效電阻最小值為75.319Ω。根據(jù)有效工作區(qū)總長(zhǎng)度為50mm，每變換單位長(zhǎng)度1mm，電流表顯示的電流變化值及相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖5 探針軸、電阻線圈構(gòu)造

表1 探針及電源控制箱相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.2 活動(dòng)坐標(biāo)架

活動(dòng)坐標(biāo)架由探頭基座、內(nèi)移動(dòng)尺座、中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座和外固定支座組成。探頭基座的作用是將變阻式測(cè)量探針固定于支架上，探針基座能在內(nèi)移動(dòng)尺座的凹槽上來回滑動(dòng)，同時(shí)，內(nèi)移動(dòng)尺座能在中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座上做垂直于探針基座運(yùn)動(dòng)方向的滑移，而中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座又可以帶動(dòng)探針基座和內(nèi)移動(dòng)尺座繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示，通過各個(gè)構(gòu)件之間的相互滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使探針垂直于一低傾角結(jié)構(gòu)面（0°～60°），并在結(jié)構(gòu)面上測(cè)定量程范圍內(nèi)的所有點(diǎn)的相對(duì)高差，達(dá)到描繪三維結(jié)構(gòu)面起伏度的目的。

圖6 結(jié)構(gòu)面三維測(cè)繪裝置示意圖

（1）基座?；牧蠟橛操|(zhì)塑料，雙層結(jié)構(gòu)，上層通過特定的凹口卡住探針，下層在內(nèi)移動(dòng)尺座的凹槽上滑動(dòng)，上下層通過彈簧連接，并且裝有電磁鐵。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)測(cè)完時(shí)，斷開電磁鐵電源，基座上層被彈簧抬起，滑動(dòng)到新位置后，接通電磁鐵電源后，上下層重新被吸附在一起，便可以通過探針測(cè)出一個(gè)點(diǎn)的相對(duì)高差?；峡梢怨潭?支探針，1次便可以測(cè)取3個(gè)點(diǎn)，以提高工作效率，管壁兩側(cè)有劃線，用于確定探針中心在內(nèi)移動(dòng)尺座上的Y向坐標(biāo)，基座三視圖見圖7。

（2）內(nèi)移動(dòng)尺座。內(nèi)移動(dòng)尺座主要用于支撐探針基座和確定待測(cè)點(diǎn)的X向坐標(biāo)，其上標(biāo)有毫米刻度尺量程為300mm，如圖8所示。

圖7 探針基座三視圖

（3）中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座與外固定支座。中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座為一剛性焊接的框架，支撐內(nèi)移動(dòng)尺座的兩邊框上開有滑槽，安裝有量程為300mm的毫米刻度尺，內(nèi)移動(dòng)尺座可以在其上滑動(dòng)并且通過劃線吻合刻度固定在任意位置。另外，兩邊框上安裝有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸位置在邊框中心處，尺座可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在測(cè)量一有傾角結(jié)構(gòu)面起伏度時(shí)，可以使其上探針垂直于結(jié)構(gòu)面表面，從而達(dá)到更加精確的測(cè)量結(jié)果。外固定支座支撐內(nèi)部組件所有的組件，同時(shí)可以調(diào)節(jié)框架到地面的高度，角度盤可以測(cè)量中轉(zhuǎn)動(dòng)尺座轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

1.3 基本操作程序

計(jì)算ΔI＝I2－I1（I1為儀器初始電流讀數(shù)，I2為移動(dòng)一定距離后儀器電流讀數(shù)），再通過公式ΔH＝ΔI ×K（其中K為換算系數(shù)，K＝1/ΔI0）（ΔI0為移動(dòng)單位距離對(duì)應(yīng)電流變化），即可獲得該點(diǎn)處的Z坐標(biāo)。逐步測(cè)量各點(diǎn)的相應(yīng)（X，Y，Z）坐標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成存入Excel中，通過查找、替換方法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式。最后通過編寫程序，導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過Matlab獲得結(jié)構(gòu)面三維圖像?；竟ぷ鞒绦蛞妶D9。

2 實(shí)測(cè)運(yùn)用及可行性檢驗(yàn)

圖9 基本工作程序

取試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)測(cè)繪。以5mm為測(cè)量間隔，通過上述儀器獲取結(jié)構(gòu)面表面（X，Y，Z）坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，錄入Excel轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，并通過Matlab編程序得到結(jié)構(gòu)面的三維圖形，結(jié)果見圖10?？梢钥吹?，在花崗巖巖石表面，三維視圖左部份（紅色）明顯高于右部分（藍(lán)色），有較大的起伏差；在千枚巖表面，左上部分有明顯突起（紅色），右下部分的凹陷中又有突起（黃色）；而在砂巖表面，顏色較為集中，主要為紅色和黃色，相比花崗巖和千枚巖顯得平緩，起伏差不大。對(duì)比試樣表面貌圖，三維圖形能很好地與之吻合，同時(shí)測(cè)得JRC值黃岡巖為2，千枚巖為0.7，砂巖為0.2，與圖形所表示的起伏差大小趨勢(shì)相同。

3 結(jié)論

圖10 結(jié)構(gòu)面三維形態(tài)量測(cè)結(jié)構(gòu)示例

結(jié)構(gòu)面三維形貌測(cè)量裝置經(jīng)濟(jì)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、能夠提高采點(diǎn)效率，并且對(duì)緩傾角的結(jié)構(gòu)面也可以垂直測(cè)量其真實(shí)起伏高差，適合于野外使用。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，三維視圖能很好地與試樣表面形貌吻合。

（References）

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Development and application of resistance type three－dimensional profile measuring devices

Tan Xun1，Pan Kai1，Ji Feng2，Cai Guojun2
（1.School of Environment ＆Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，National Environment Teaching Demonstration Center of Geo－Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

For simple，accurate and economical measurement of the gently inclined three－dimensional structure of rock mass surface undulating surface morphology，a resistance type three－dimensional profile measuring device was designed.The equipment mainly consists of variable resistance probe and adjustable frame two major components.Using the theory of sliding rheostat，stretching out and drawing back of the probe can cause resistance changed，which can bring about the electric current change，at last the changing number can be displayed.To improve efficiency，several same probes are used，which could measur numerous points at the same time.The variable resistance probe is placed in the adjustable holder，which can be perpendicular to the gently inclined structure surface through relative sliding and rotation，meanwhile the equipment could measure the real undulating topography of the structure surface within 300mm2，and take block measure if the surface is beyond.The equipment is widely adopted，and the structure is simple，easy to operate，and has economic cost.The results shows that the engineering actual measurement of real surface morphology is very consistent with that of the structure of the surface of the three－dimensional structure of the surface morphology.

structure surface；three－dimensional profile；profile measuringdevice

P642－33

A

1002－4956（2014）1－0065－05

2013－05－12

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目（SKLGP2011z012）；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)）資助項(xiàng)目（2012KL013）

譚洵（1992—），男，四川鄰水，本科生，工程地質(zhì)方向

E－mail：1528911849＠qq.com

吉鋒（1981—），男，山西翼城，博士，副教授，研究方向?yàn)閹r土工程及地質(zhì)工程教學(xué)與科研.