CN103499268A - 一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测野外原位岩石节理面的上盘和下盘发生空间相对运动而产生空间相对变形的测量装置。测量装置由上固定杆、上固定螺栓、上伸缩杆、上固定调节螺栓、上调节杆、上连接座、上锁紧螺栓、下固定杆、下固定螺栓、下伸缩杆、下固定调节螺栓、下调节杆、下连接座、下锁紧螺栓、法向位移测量杆、伸缩弹簧、外套筒、滚珠、封帽、刻度盘和支撑杆组接而成。装置通过上固定杆和下固定杆分别与节理面上盘岩石和下盘岩石固定，并通过法向位移测量杆的伸缩实现法向位移测量、通过法向变形测量杆的下端头在刻度盘上移动实现平面变形测量，从而实现节理上下盘之间空间相对变形的测量，具有直接获取岩石节理面上盘与下盘空间相对变形值的优点。

Description

一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置

技术领域

本发明涉及一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，更具体涉及一种监测野外原位岩石节理面的上盘和下盘发生空间相对运动而产生三个方向相对变形的测量装置。

背景技术

受历史上强烈挤压或张拉构造作用，岩体中普遍发育大量规模不等、产状不同、间距各异的岩石节理面，如我国二滩水电站、小浪底枢纽工程、三峡永久船闸高边坡、锦屏二级水电站地下厂房、白鹤滩水电站等大型工程的坝区边坡和地下洞室开挖面等都可见到大量岩石节理面露头。节理面的存在不仅破坏了岩体的结构完整性，而且直接影响着岩体的变形、强度、及破坏方式。工程实践表明，环境应力调整过程中，岩石节理面上盘与下盘之间不仅极易发生上下盘之间的非稳定速率和非恒定方向的平面相对剪切变形，还极易发生节理上盘与下盘之间的法向远离和靠拢相对变形，从而强烈地影响着工程岩体的力学行为和工程稳定性，给我国岩土工程建造带来了极大安全挑战。

目前对于岩石节理面的研究手段和测试方法大多都是针对节理岩体的整体变形与强度方面，而对于岩石节理面上下盘之间的相对变形的现场监测则少之又少。

一方面，目前涉及岩石节理的测量多是通过室内试验获得相关力学参数进而建立对应的变形回归模型从而获得岩石节理面多尺度的变形参数。中国专利公开号CN 200910023156.0 A，公开日2009.12.16，发明名称“一种非贯通节理裂隙岩体变形参数的确定方法”，该申请案注重了节理岩体变形参数的确定，但未涉及岩石节理构面的上盘与下盘之间相对运动的测量技术。中国专利公开号CN 201310104806.0 A，公开日2013.06.26，发明名称“一种节理岩体力学参数确定方法”，该申请案通过岩石强度测试并借助GSI与H-B强度准则综合确定节理岩体的力学参数，同样未能解决原位岩石节理面上盘与下盘相对变形的测量问题。

另外一方面，其它一些涉及结构面上盘与下盘相对变形的室内测量方法仅涉及节理面沿某一人为给定剪切方向平面相对变形测量或法向压缩方向相对变形测量、或某一给定剪切和法向相对变形的测量，而无法应用于工程现场原状节理面在上盘与下盘之间的三维空间自由相对变形测量。《岩石力学与工程学报》，2006年第1期，题名“岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究”，作者杜守继等，该研究涉及指定剪切方向过程中节理面上盘和下盘的剪切变形的测量，但不能测试工程中原状节理上盘与下盘之间的三向（X向、Y向、Z向）相对变形。中国专利公开号CN 201110259826.6 A，公开日2012.02.15，发明名称“一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统”，该申请案开发了节理岩石动态卸荷过程中的测量技术，但也未能解决原位岩石节理面卸荷变形过程中空间相对变形测量问题。

事实上，工程中原位岩石节理面上盘与下盘之间的空间相对变形测量结果可以直接反映节理/裂隙岩体的当时活动性，对大型节理岩体边坡的安全预警和节理岩体中地下隧洞的稳定性评价都十分重要，但这方面的现场监测技术和监测设备缺乏。

可见，开发出一种原位岩石节理面上盘与下盘之间的空间相对变形测量装置，准确获取岩体节理面上盘与下盘的空间相对变形特征数据，对于岩土工程稳定性分析和工程岩体支护优化设计都具有重要的现实意义和工程需求。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，测量装置由上固定机构、下固定机构、法向变形测量机构和平面变形测量机构构成，上固定机构由上固定杆、上固定螺栓、上伸缩杆、上固定调节螺栓、上调节杆、上连接座、上锁紧螺栓组成，上固定杆右端开有圆形深孔，上伸缩杆左端活动置于上固定杆孔中并通过上固定螺栓固定，上伸缩杆右端与上调节杆的左端通过上固定调节螺栓连接，开有圆形通孔的上连接座固定连接在上调节杆的右端，连接座设置有上锁紧螺栓，下固定机构由下固定杆、下固定螺栓、下伸缩杆、下固定调节螺栓、下调节杆、下连接座、下锁紧螺栓组成，下固定杆右端开有圆形深孔，下伸缩杆左端活动置于下固定杆孔中并通过下固定螺栓固定，下伸缩杆右端与下调节杆的左端通过下固定调节螺栓连接，开有圆形通孔的下连接座固定连接在下调节杆的右端，下连接座设置有下锁紧螺栓，法向变形测量机构由封帽、法向位移测量杆、伸缩弹簧、外套筒和滚珠组成，外套筒内设置有伸缩弹簧，法向位移测量杆活动穿过伸缩弹簧并贯通于外套筒，外套筒上端设置有封帽，伸缩弹簧的下端与法向位移测量杆的凸台连接，法向位移测量杆的下端头设置滚珠，法向变形测量机构的外套筒活动置于上连接座的圆形通孔中，由上锁紧螺栓固定，平面变形测量机构由刻度盘和支撑杆组成，支撑杆的上端与刻度盘固定连接，支撑杆的下端活动置于下连接座的圆形通孔中，由下锁紧螺栓固定。

所述上固定杆和下固定杆的自由端的外表面为滚齿花纹状。

所述刻度盘表面带有间距为二毫米间隔的田字网格刻线。

所述法向位移测量杆的杆体下端表面刻有间距为二毫米间隔的刻线。

由于采用了上述技术方案，本发明改进了传统岩石节理面上盘与下盘之间相对变形测量的不足，具有如下优点：

(1) 三维空间相对变形测量：通过法向位移测量杆测量垂直刻度板盘平面方向的变形，以及滚珠在刻度盘平面上的移动变形轨迹测量，可以完全实现三维条件下节理面上盘和下盘的空间相对变形的测量。

(2) 垂直刻度板平面上节理上下盘相对变形轨迹的直接获得：当岩石节理面上盘和下盘发生相对变形时，指针在刻度盘的上表面行走轨迹即为岩石节理面发生沿刻度盘平面内相对变形时平行节理面方向的真实相对变形轨迹。

(3) 测量装置的重复利用高、环境适应性强：由于该装置是一种机械组合式装置，采用上固定杆和下固定杆将测量装置固定于岩石节理面上下盘岩石中，因而该测量装置工作完成后可以拆卸除上固定杆和下固定杆之外的其它部件，重复利用高；而且由于整个装置均为机械式结构，具有防断电、抗水雾、抗电磁干扰的优点，可以确保测量结果稳定可靠。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为图1中上连接座的A-A剖面图。

附图3为本发明的刻度盘的示意图。

附图4为本发明测量装置的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3和附图4，对本发明作进一步的说明。

一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置由上固定机构、下固定机构、法向变形测量机构和平面变形测量机构构成，上固定机构由上固定杆1、上固定螺栓2、上伸缩杆3、上固定调节螺栓4、上调节杆5、上连接座7、上锁紧螺栓8组成，上固定杆1的自由端的外表面为滚齿花纹状，可提高装置安装时与节理面上盘岩石之间锚固的咬合力，上固定杆1右端开有圆形深孔，上伸缩杆2左端活动置于上固定杆1的圆孔中并通过上固定螺栓3固定，这样可以实现测量装置安装时根据结构面产状特点通过伸缩和转动上伸缩杆3来调节法向变形测量机构的位置，上伸缩杆3右端与上调节杆5的左端连接通过上固定调节螺栓4连接，测量装置安装时可实现对法向变形测量结构角度的调节和固定，开有圆形通孔的上连接座7固定连接在上调节杆5的右端，上连接座7设置有上锁紧螺栓8，下固定机构由下固定杆21、下固定螺栓20、下伸缩杆19、下固定调节螺栓18、下调节杆17、下连接座16、下锁紧螺栓15组成，下固定杆21的自由端的外表面为滚齿花纹状，可提高装置安装时与节理面下盘岩石之间锚固的咬合力，下固定杆21右端开有圆形深孔，下伸缩杆19左端活动置于下固定杆21的圆孔中并通过下固定螺栓20固定，这样可以实现测量装置安装时根据结构面产状特点通过伸缩和转动下伸缩杆19来调节平面变形测量机构的位置，下伸缩杆19右端与下调节杆17的左端连接通过下固定调节螺栓18连接，开有圆形通孔的下连接座16固定连接在下调节杆17的右端，下连接座16设置有下锁紧螺栓15，法向变形测量机构由封帽6、法向位移测量杆9、伸缩弹簧10、外套筒11和滚珠12组成，外套筒11内设置有伸缩弹簧9，法向位移测量杆9活动穿过伸缩弹簧10并贯通于外套筒11，法向位移测量杆9的下端头设置滚珠12，滚珠12活动嵌于法向位移测量杆9的下端部，法向位移测量杆9的杆体下端表面刻有间距为二毫米的刻线并带有单位为厘米的刻度数，可实现测量装置工作时记录法向位移测量杆9缩入或伸出外套筒11下端口的变化量来记录法向位移测量杆的相对位移值，外套筒11上端设置有封帽6，封帽6与外套筒11固定连接后实现了对伸缩弹簧10的上端封挡而将弹簧10限制在外套筒11内，伸缩弹簧10的下端与法向位移测量杆9的凸台连接，使得当法向位移测量杆9在测量过程中发生法向位移时伸缩弹簧10通过法向位移测量杆9的凸台连接给法向位移测量杆9传递压力，确保法向位移测量杆9下端的滚珠12保持与刻度盘13的接触，法向变形测量机构的外套筒11活动置于上连接座7的圆形通孔中，由上锁紧螺栓8固定，平面变形测量机构由刻度盘13和支撑杆14组成，支撑杆14的上端与刻度盘13固定连接，刻度盘13表面带有间距为二毫米的田字网格刻线并带有单位为厘米的刻度数，可实现测量装置工作记录理滚珠12在刻度盘13上的位置坐标从而获得刻度盘平面内节理上盘与下盘之间相对变形的测量，支撑杆14的下端活动置于下连接座16的圆形通孔中，由下锁紧螺栓15固定，测量装置安装时通过松开下固定调节螺栓18可以调节刻度盘13，使得刻度板13的平面平行节理平面。

本发明测量装置工作原理如下：

1) 在节理面上盘岩石距离节理面十公分距离钻设上锚固孔，上锚固孔的轴线平行节理面，在节理面下盘岩石距离节理面十公分距离钻设下锚固孔，下锚固孔的轴线平行节理面，钻设的上锚固孔和下锚固孔的直径分别为上固定杆1和下固定杆21的直径的二倍。

2) 通过水泥浆将上固定杆1和下固定杆21分别与上锚固孔和下锚固孔固结，并确保水泥浆达到强度后再进行下一步装置安装。

3) 将上伸缩杆3放置于上固定杆1的圆孔内，并通过上固定螺栓2进行预固定，通过上固定调节螺栓4将上连接杆5和上伸缩杆4连接并进行预固定。

4) 将法向变形测量机构放置于上连接座7内，并通过上锁紧螺栓8进行预固定。

5) 将下伸缩杆19放置于下固定杆21的圆孔内，并通过下固定螺栓20进行预固定，通过下固定调节螺栓18将下连接杆17和下伸缩杆19连接并进行预固定。

6) 将平面变形测量机构的支撑杆14放置于下连接座16内，并通过下锁紧螺栓15进行预固定。

7) 通过调节下伸缩杆19的伸缩和转动，以及调节下连接杆17与下伸缩杆19的之间角度使得刻度盘13的平面正好平行节理面的平面，然后再锁紧下固定螺栓20、下固定调节螺栓18。

8) 通过调节上伸缩杆3的伸缩和转动，以及调节上连接杆5与上伸缩杆3之间的角度使得法向位移测量杆9正好垂直节理面的平面，然后再锁紧上固定螺栓2和上固定调节螺栓4。

9) 通过调节外套筒11在上连接座7的位置，以及调节支撑杆14在下连接座16的位置，使得法向位移测量杆9的中间刻度4正好位于外套筒11的下端端面口部，然后锁紧上锁紧螺栓8和下锁紧螺栓15。

Claims (4)

1.一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，其特征在于：测量装置由上固定机构、下固定机构、法向变形测量机构和平面变形测量机构构成，上固定机构由上固定杆（1）、上固定螺栓（2）、上伸缩杆（3）、上固定调节螺栓（4）、上调节杆（5）、上连接座（7）、上锁紧螺栓（8）组成，上固定杆（1）右端开有圆形深孔，上伸缩杆（3）左端活动置于上固定杆（1）孔中并通过上固定螺栓（2）固定，上伸缩杆（3）右端与上调节杆（5）的左端通过上固定调节螺栓（4）连接，开有圆形通孔的上连接座（7）固定连接在上调节杆（5）的右端，连接座（7）设置有上锁紧螺栓（8），下固定机构由下固定杆（21）、下固定螺栓（20）、下伸缩杆（19）、下固定调节螺栓（18）、下调节杆（17）、下连接座（16）、下锁紧螺栓（15）组成，下固定杆（21）右端开有圆形深孔，下伸缩杆（19）左端活动置于下固定杆（21）孔中并通过下固定螺栓（20）固定，下伸缩杆（19）右端与下调节杆（17）的左端通过下固定调节螺栓（18）连接，开有圆形通孔的下连接座（16）固定连接在下调节杆（17）的右端，下连接座（16）设置有下锁紧螺栓（15），法向变形测量机构由封帽（6）、法向位移测量杆（9）、伸缩弹簧（10）、外套筒（11）和滚珠（12）组成，外套筒（11）内设置有伸缩弹簧（9），法向位移测量杆（9）活动穿过伸缩弹簧（9）并贯通于外套筒（11），外套筒（11）上端设置有封帽（6），伸缩弹簧（10）的下端与法向位移测量杆（9）的凸台连接，法向位移测量杆（9）的下端头设置滚珠（12），法向变形测量机构的外套筒（11）活动置于上连接座（7）的圆形通孔中，由上锁紧螺栓（8）固定，平面变形测量机构由刻度盘（13）和支撑杆（14）组成，支撑杆（14）的上端与刻度盘（13）固定连接，支撑杆（14）的下端活动置于下连接座（16）的圆形通孔中，由下锁紧螺栓（15）固定。

2. 根据权利要求1所述的一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，其特征在于：上固定杆（1）和下固定杆（21）的自由端的外表面为滚齿花纹状。

3.根据权利要求1所述的一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，其特征在于：刻度盘（13）表面带有间距为二毫米间隔的田字网格刻线。

4. 根据权利要求1所述的一种原位岩石节理面上盘与下盘的空间相对变形测量装置，其特征在于：法向位移测量杆（9）的杆体下端表面刻有间距为二毫米间隔的刻线。

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