CN104613947A - 一种节理组结构面产状综合测量仪 - Google Patents

一种节理组结构面产状综合测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种节理组结构面产状综合测量仪，包括主尺、副尺和可伸缩的皮尺坡度测量机构，主尺和副尺均包括手持柱、转动柱、水箱罗盘、隔板、侧板和角度尺，手持柱、隔板、侧板依次连成一体，共处同一背面，且底部均呈薄板楔尖状，转动柱通过其下部的转动轴连接在手持柱和侧板，水箱罗盘设在转动柱顶部，角度尺穿过隔板与转动柱活动连接；使用时，主尺和副尺的手持柱、隔板、侧板的薄板楔尖状底部插入待测节理组中相邻节理裂隙中，同时转动主尺和副尺的转动柱，使转动柱达竖直状态，根据角度尺和皮尺坡度测量机构获得待测节理组的结构面产状参数。与现有技术相比，本发明具有功能多样、积累误差小、工作效率高、携带方便、计算简单等优点。

Description

一种节理组结构面产状综合测量仪
技术领域
本发明涉及地质工程、岩土工程勘测技术领域，尤其是涉及一种节理组结构面产状综合测量仪，用于测量岩土体结构面空间走向、倾向、倾角、节理间距，以及发育结构面的地形坡度等参数。
背景技术
岩土体中常发育由空间产状相近的结构面组成的节理组，获得节理组中结构面的空间走向、倾向、倾角、节理间距等参数是研究其力学性质和工程稳定性的重要依据。目前，这些参数一般是通过地质罗盘配合皮尺等工具，在岩土体中测量获得，这样操作繁琐，工作效率低下，且各类工具的分步配合操作常导致较大积累误差的产生；另外，野外现场调查宜轻装便行，携带多种工具会导致增加调查成本，降低工作效率。
目前尚未见报道有能综合获得节理组结构面空间走向、倾向、倾角、节理间距等参数的设备。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功能多样、积累误差小、工作效率高、携带方便、计算简单的节理组结构面产状综合测量仪。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种节理组结构面产状综合测量仪，包括主尺、副尺和可伸缩的皮尺坡度测量机构，所述主尺和副尺通过皮尺坡度测量机构连接；
所述主尺和副尺均包括手持柱、转动柱、水箱罗盘、隔板、侧板和角度尺，所述手持柱、隔板、侧板依次连成一体，共处同一背面，且底部均呈薄板楔尖状，所述转动柱通过其下部的转动轴连接在手持柱和侧板，且绕转动轴转动，所述水箱罗盘设在转动柱顶部，所述角度尺穿过隔板与转动柱活动连接；
使用时，主尺和副尺的手持柱、隔板、侧板的薄板楔尖状底部插入待测节理组中相邻节理裂隙中，同时转动主尺和副尺的转动柱，使转动柱达竖直状态，根据角度尺和皮尺坡度测量机构获得待测节理组的结构面产状参数，包括岩土体节理组结构面的空间走向值、空间倾向、空间倾角、结构面水平视间距、结构面坡面视间距、结构面真间距和岩土体测面的坡度。
所述皮尺坡度测量机构包括皮尺盒、皮尺、皮尺轴和皮尺连轴，所述皮尺轴可转动地设在主尺的转动柱上，所述皮尺盒设在皮尺轴上，所述皮尺一端圈绕在皮尺轴上，并设在皮尺盒内，另一端固定于皮尺连轴，所述皮尺连轴可转动地设在副尺的转动柱上，所述皮尺上设有刻度，皮尺的尺头刻度值为R1+R2，其中，R1为皮尺盒的半径，R2为皮尺连轴的半径；
所述皮尺轴和皮尺连轴位于主尺和副尺的同一高度处。
所述副尺的转动柱与皮尺连轴的连接端面设有角度刻度。
所述皮尺盒上皮尺出口处呈水平扁矩形缝。
所述水箱罗盘包括套设的外部水箱和内部罗盘箱，所述外部水箱内设有留有一水泡的液态水，外部水箱的顶面上沿平行转动轴和垂直转动轴方向过圆心标刻有直径线，所述内部罗盘箱内设有罗盘轴，所述罗盘轴上设有绕罗盘轴旋转的罗盘，所述罗盘面上沿直径方向镶嵌有一磁针。
所述外部水箱和内部罗盘箱的顶面均由透明材料制成。
所述转动柱上设有供角度尺滑动的竖槽。
还包括驱动轴，该驱动轴一端穿过侧板，另一端呈锯齿状，与角度尺滑动连接，驱动角度尺移动；所述角度尺上设有用于驱动轴滑动的传动槽，该传动槽内部表面呈与驱动轴相匹配的锯齿状。
所述角度尺上端面设有由90度开始、从内到外依次递减的角度刻度，该角度刻度的刻度值范围-90度到90度。
所述角度尺上端面与转动轴之间的垂直距离为定值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明功能多样，综合现有若干项岩土体节理组产状调查工具的主要功能与一身，能同时测得岩土体节理组结构面的空间走向值(S)、空间倾向(D)、空间倾角(α)、结构面水平视间距(l)、结构面坡面视间距(l′)、结构面真间距(L)、岩土体测面的坡度(β)。
(2)本发明主尺与副尺通过可伸缩的皮尺坡度测量机构连接，在不使用时，本发明处于收拢状态，便于携带。
(3)本发明能有效降低测量操作过程中的积累误差，有利于提高工作效率。
(4)本发明计算简单，通过从角度尺获得的转动柱自收拢状态向外单向转动的角度(90-α)、从皮尺连轴外端测得的皮尺坡度β以及从皮尺获得的节理组结构面坡面视间距l′，可简单获得节理组结构面水平视间距和结构面真间距等参数。
(5)本发明中，手持柱、隔板、侧板底部均呈薄板楔尖状，便于在测量时插入较窄的岩土体裂隙中。
(6)本发明皮尺的初始刻度值的设置克服了由于皮尺盒和皮尺连轴直径导致的节理间距误差，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明收拢时的结构示意图；
图2为本发明水箱罗盘结构示意图；
图3为本发明皮尺连轴外端及相应角度刻度的结构示意图；
图4为本发明展开时角度尺及其周边组件的结构示意图；
图5为本发明展开时的示意图；
图6为本发明在测量时的示意图；
图7为本发明的测量数学原理图。
其中，1、手持柱，2、转动柱，3、皮尺盒，4、皮尺，5、皮尺轴，6、水箱罗盘，7、隔板，8、侧板，9、角度尺，10、转动轴，11、驱动轴，12、皮尺连轴，13、外部水箱，14、内部罗盘箱，15、水泡，16、罗盘轴，17、罗盘，18、角度刻度，19、刻度标，20、传动槽，21、竖槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图5所示，一种节理组结构面产状综合测量仪，包括主尺、副尺和可伸缩的皮尺坡度测量机构，主尺和副尺通过皮尺坡度测量机构连接。主尺和副尺的尺寸和结构大体一致，均包括手持柱1、转动柱2、水箱罗盘6、隔板7、侧板8和角度尺9，手持柱1、隔板7、侧板8依次连成一体，共处同一背面，且底部均呈薄板楔尖状，转动柱2通过其下部的转动轴10连接在手持柱1和侧板8，且绕转动轴10向外自由转动，转动轴10平行于薄板楔尖，以便于在测量时，能将之插入较窄的岩土体裂隙中，水箱罗盘6设在转动柱2顶部，角度尺9穿过隔板7与转动柱2活动连接。
手持柱1、转动柱2、隔板7及侧板8均为轻质耐劳刚性材质，以便于携带，并防止仪器的变形对测量准确性的影响。主尺和副尺下部的楔尖应尽量薄，以便于能测得多数岩土体开口节理组结构面的产状参数。
皮尺坡度测量机构包括皮尺盒3、皮尺4、皮尺轴5和皮尺连轴12，皮尺轴5可转动地设在主尺的转动柱2上，皮尺盒3设在皮尺轴5上，镶嵌固定于主尺转动柱2中上部，皮尺盒3为扁圆柱形，其半径为R1。皮尺4为软质皮尺，一端圈绕在皮尺轴5上，并设在皮尺盒3内，可收拢或放出皮尺，另一端固定于皮尺连轴12。皮尺连轴12可转动地设在副尺的转动柱2上，其半径为R2。皮尺4上设有刻度，皮尺的尺头刻度值为R1+R2，并向皮尺4末端渐均匀增大。皮尺轴5和皮尺连轴12位于主尺和副尺的同一高度处。皮尺盒3上皮尺4出口处呈水平扁矩形缝，开口于皮尺盒3的水平前端。皮尺4出口应该适当扁平，宽度较小，以保证皮尺在测量过程中与所测实际总体坡面平行，且便于通过水平开口上边缘指示皮尺读数。
皮尺4的最小刻度间距为1mm，，以保证测量结构面间距的精度；皮尺刻度自皮尺连轴处向皮尺盒方向增大，初始刻度值为(R1+R2)，以克服由于皮尺盒和皮尺连轴直径导致的节理间距误差。故该测量仪的皮尺盒和皮尺连轴的直径应该尽量小。所测的节理间距较大时(如大于10cm)，所测结果的误差会相对较小。
副尺的转动柱2与皮尺连轴12的连接端面设有角度刻度18，皮尺连轴12相应端面设有刻度标，刻度标应适当细小，以便于清晰精确指示皮尺连轴的转动角度。
角度刻度18中，竖直上下角度分别为-90度、90度，中间水平刻度为0度。当主尺与副尺处于同一高度时，皮尺4拉平直表现为水平状，此时皮尺连轴12外端刻度标19对应0度处，表示所测地形总体水平；当主尺高于副尺时，皮尺4拉直表现为倾斜状，此时皮尺连轴12外端刻度标19对应正角度值处，表示所测坡度为正斜坡；当主尺低于副尺时，皮尺4拉直表现为倾斜状，此时皮尺连轴12外端刻度标19对应负角度值处，表示所测坡度为负斜坡。
如图2所示，水箱罗盘6为圆柱形，包括套设的外部水箱13和内部罗盘箱14，外部水箱13内设有留有一水泡15的液态水，外部水箱13的顶面上沿平行转动轴10和垂直转动轴10方向过圆心标刻有直径线，内部罗盘箱14内设有罗盘轴16，罗盘轴16上设有绕罗盘轴16灵敏自由旋转的罗盘17，罗盘17面上沿直径方向镶嵌有一磁针，自磁针北极(N)针尖处(0度)顺时针均匀标记360度刻度，罗盘在磁针受地磁场作用下转动，以测量空间方位。罗盘材质应结实轻便，磁针在地磁场作用下能灵敏自由地带动罗盘面的绕轴转动。外部水箱13和内部罗盘箱14的顶面均由透明材料制成。水箱罗盘6用于指示转动柱是否处于竖直状态，当其中水泡15居于外部水箱13顶面中心时，指示转动柱处于竖直状态。
转动柱2上设有供角度尺9滑动的竖槽21。
本实施例测量还可包括驱动轴11，该驱动轴11一端穿过侧板8，另一端呈锯齿状，与角度尺9滑动连接，驱动角度尺9移动；角度尺9上设有用于驱动轴11滑动的传动槽20，该传动槽20内部表面呈与驱动轴11相匹配的锯齿状。转动驱动轴11外端，角度尺9向前推动或向后拉回转动柱2转动。角度尺9上端面设有由90度开始、从内到外依次递减的角度刻度。转动柱2完全收拢未转动时，隔板7外侧面对应的刻度α为90度，角度刻度α向角度尺9外端渐减小，最小刻度间距为1度，分布规律为：α＝90-arctan(k/h)，式中k为角度尺9向转动柱2方向推进实际长度，h为角度尺9顶面与转动轴10之间的垂直距离，h为定值。这意味着(90-α)为转动柱2自收拢状态向外单向转动的角度。
如图6所示，在测量岩土体节理组结构面的产状参数如空间走向值S、空间倾向D、空间倾角α、结构面水平视间距l、结构面坡面视间距l′、结构面真间距L、岩土体测面的坡度β等时，将主尺和副尺的手持柱1、隔板7、侧板8三者下部的楔尖等长度地塞进所测节理组中相邻节理裂隙中，且保证楔尖背部平面与结构面紧贴在一起，在此基础上，调整主尺和副尺沿着结构面延展方向的摆姿和角度尺9，使得两尺水箱罗盘6中水泡15居中，皮尺4拉直；待水泡15和罗盘17稳定后，读取外部水箱13顶面上两直径标记线对应的罗盘7上读数，平行于隔板7水平延展方向的标记线的读数即为结构面的空间走向值S，另一条标记线则指向的是结构面空间倾向值D；读取角度尺9与隔板7外侧面相交的刻度值，即为结构面的空间倾角值α；读取副尺上皮尺连轴12外端刻度标19指向的角度值，即为所测地形的坡度值；读取皮尺盒3前端水平开口上沿对应的皮尺4长度值，即为结构面坡面视间距l′，进而通过简洁计算，可获得节理组结构面水平视间距l＝l′×cosβ，结构面真间距L＝l′×sinα＝l×cosβ×sinα。
上述节理组结构面产状综合测量仪的数学原理如下：
如图7所示，组件BHIJPQ、DH1I1J1P1Q1、RS分别示意主尺、副尺及其之间的皮尺4，其中，HI、H1I1示意转动柱2，PQ、P1Q1示意角度尺9，HJ、H1J1示意手持柱1的背面，BMNC、DEFG为所测节理组，CD为所测坡面，通过简单的几何学分析，可得出角度尺9向转动柱4方向推进的实际长度k、角度尺9顶面与转动轴10之间的垂直距离h、节理组结构面空间倾角α、结构面水平视间距l、结构面坡面视间距l′、结构面真间距L、岩土体测面的坡度β之间有如下关系：α＝90-arctan(k/h)，l＝l′×cosβ，L＝l′×sinα＝l×cosβ×sinα。

Claims (10)

1.一种节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，包括主尺、副尺和可伸缩的皮尺坡度测量机构，所述主尺和副尺通过皮尺坡度测量机构连接；
所述主尺和副尺均包括手持柱(1)、转动柱(2)、水箱罗盘(6)、隔板(7)、侧板(8)和角度尺(9)，所述手持柱(1)、隔板(7)、侧板(8)依次连成一体，共处同一背面，且底部均呈薄板楔尖状，所述转动柱(2)通过其下部的转动轴(10)连接在手持柱(1)和侧板(8)，且绕转动轴(10)转动，所述水箱罗盘(6)设在转动柱(2)顶部，所述角度尺(9)穿过隔板(7)与转动柱(2)活动连接；
使用时，主尺和副尺的手持柱(1)、隔板(7)、侧板(8)的薄板楔尖状底部插入待测节理组中相邻节理裂隙中，同时转动主尺和副尺的转动柱(2)，使转动柱达竖直状态，根据角度尺(9)和皮尺坡度测量机构获得待测节理组的结构面产状参数。
2.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述皮尺坡度测量机构包括皮尺盒(3)、皮尺(4)、皮尺轴(5)和皮尺连轴(12)，所述皮尺轴(5)可转动地设在主尺的转动柱(2)上，所述皮尺盒(3)设在皮尺轴(5)上，所述皮尺(4)一端圈绕在皮尺轴(5)上，并设在皮尺盒(3)内，另一端固定于皮尺连轴(12)，所述皮尺连轴(12)可转动地设在副尺的转动柱(2)上，所述皮尺(4)上设有刻度，皮尺(4)的尺头刻度值为R1+R2，其中，R1为皮尺盒(3)的半径，R2为皮尺连轴(12)的半径；
所述皮尺轴(5)和皮尺连轴(12)位于主尺和副尺的同一高度处。
3.根据权利要求2所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述副尺的转动柱(2)与皮尺连轴(12)的连接端面设有角度刻度(18)。
4.根据权利要求2所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述皮尺盒(3)上皮尺(4)出口处呈水平扁矩形缝。
5.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述水箱罗盘(6)包括套设的外部水箱(13)和内部罗盘箱(14)，所述外部水箱(13)内设有留有一水泡(15)的液态水，外部水箱(13)的顶面上沿平行转动轴(10)和垂直转动轴(10)方向过圆心标刻有直径线，所述内部罗盘箱(14)内设有罗盘轴(16)，所述罗盘轴(16)上设有绕罗盘轴(16)旋转的罗盘(17)，所述罗盘(17)面上沿直径方向镶嵌有一磁针。
6.根据权利要求5所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述外部水箱(13)和内部罗盘箱(14)的顶面均由透明材料制成。
7.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述转动柱(2)上设有供角度尺(9)滑动的竖槽(21)。
8.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，还包括驱动轴(11)，该驱动轴(11)一端穿过侧板(8)，另一端呈锯齿状，与角度尺(9)滑动连接，驱动角度尺(9)移动；所述角度尺(9)上设有用于驱动轴(11)滑动的传动槽(20)，该传动槽(20)内部表面呈与驱动轴(11)相匹配的锯齿状。
9.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述角度尺(9)上端面设有由90度开始、从内到外依次递减的角度刻度。
10.根据权利要求1所述的节理组结构面产状综合测量仪，其特征在于，所述角度尺(9)上端面与转动轴(10)之间的垂直距离为定值。
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