CN105509719B - 一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具包括重力锥、指向组件、量角组件、吊杆和底座，重力锥通过吊绳连接量角组件，指向组件套设于吊绳上，量角组件套设于吊杆的顶端，吊杆的底端连接底座；测量时，底座固定在地质体的结构面上，调整吊杆的位置，使得吊杆垂直于结构面，待整个工具处于平衡状态，由量角组件上吊绳与吊杆之间的角度得到结构面的空间真倾角，由指向组件进行空间方位指向。与现有技术相比，本发明具有功能综合、适用性广、便于实践操作等优点。

Description

一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具

技术领域

本发明涉及地质学、地质工程勘测技术领域，尤其是涉及一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具。

背景技术

在地质勘察和工程地质勘察现场调查过程中，为了重建地质体的空间形态及结构，需要拍摄大量的空间方位明确的地质现象照片及视频；随着3D扫描及3D打印技术的发展，对地质体的现场3D扫描也得到了快速的应用，而对这些扫描数据进行数值重建时，需要知道相应的空间方位及实际尺寸比例；另外，对岩土体结构面空间产状参数的测量，也是岩土勘察工作基本需求之一。但是，目前在地质及工程地质勘察过程中，拍摄定向照片或者视频都需要辅以地质罗盘来确定拍摄镜头空间方位，并联合拍摄文件编号记录在册，辅以常见固定尺寸的比例尺物件(如硬币、地质锤、野外记录薄等)来便于事后确定照片中地质体的实际尺寸。地质体结构面的空间产状参数也需要通过地质罗盘加以测量。这些操作都无疑大大降低了地质勘查的效率，不利于拍摄照片、视频及3D扫描数据的保存和后处理。

中国专利CN104613947A公开了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。虽然该专利功能综合，但不能用于地质现场调查拍照、录像及3D扫描时候的空间方位指示标志。

中国专利CN203964911U公开了一种带岩石空间方位及倾角测量仪的工作簿，该专利工作簿、角度刻度表、凹槽、转轴、重力摆针、支杆和地质罗盘；工作簿为长方体结构；角度刻度表位于工作簿封面内侧上端，刻着标准角度；凹槽位于角度刻度表上端，其凹槽内用于存放地质罗盘；转轴位于角度刻度表上边界的中心位置，其转轴为伸缩式；重力摆针通过转轴固定在角度刻度表上边界的中点；支杆固定在转轴上，支杆的另一端连接着地质罗盘；地质罗盘内设有刻度，地质罗盘包括外延指针、轻质罗盘和指南针。该实用新型既能在工作簿上做记录，可通过岩石形迹倾角测量仪测量岩石中存在的面状及线状形迹的空间真倾角，又能通过地质罗盘测量岩石的方位角度。可见该装置可较好地提高地质勘察工作的效率和准确度，但是，该装置同样不能用于地质现场调查拍照、录像及3D扫描时候的空间方位指示标志。

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便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，可用于地质勘查及工程地质勘查现场拍照、3D扫描时，作为空间方位指向及实际尺寸的标志，也可用于测量岩土体结构面空间倾角的测量，具有功能综合、适用性广、便于实践操作等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具包括重力锥、指向组件、量角组件、吊杆和底座，所述重力锥通过吊绳连接量角组件，所述指向组件套设于吊绳上，所述量角组件套设于吊杆的顶端，所述吊杆的底端连接底座；

测量时，底座固定在地质体的结构面上，调整吊杆的位置，使得吊杆垂直于结构面，待整个工具处于平衡状态，由量角组件上吊绳与吊杆之间的角度得到结构面的空间真倾角，由指向组件进行空间方位指向。

所述指向组件包括转筒、磁针和指向板，所述指向板包括呈直角三角形的竖向指向板和呈等腰三角形的横向指向板，所述竖向指向板的直角边沿横向指向板的中位线竖直设置，竖向指向板的直角与横向指向板的顶角同侧设置，所述磁针沿横向指向板的中位线设于横向指向板上，所述转筒设于指向板的重心轴线上并套设在吊绳上。

所述指向组件还包括罩设在指向板周边上的透明罩，所述透明罩的底部固定于重力锥上。

所述磁针包括第一磁针和第二磁针，所述第一磁针和第二磁针分别镶嵌在横向指向板的中位线两端，且第一磁针的磁极和第二磁针的磁极指向一致。

所述量角组件包括套筒和刻度盘，所述套筒套设于吊杆的顶端，所述刻度盘呈半圆形并刻有180度范围的角度刻度，刻度盘的直径边固定在套筒上，所述吊绳连接刻度盘的圆心处。

所述吊杆的顶端处设有用于限定量角组件位置的外凸环。

所述吊杆上标注有比例尺。

所述底座包括第一插筒、吸盘上壳、提手组件和吸盘底膜，所述第一插筒与吸盘上壳转动连接，所述吸盘底膜设于吸盘上壳的底面上，所述提手组件穿过吸盘上壳的顶面后连接吸盘底膜，所述吊杆与第一插筒可拆卸式连接，上提提手组件使得吸盘底膜固定在结构面上。

所述提手组件包括吸盘提杆和十字提手，所述吸盘上壳的顶面呈碗状下凹形，所述十字提手呈十字状，所述吸盘提杆的一端穿过吸盘上壳的顶面后连接吸盘底膜，吸盘提手的另一端与十字提手的中心处转动连接，初始状态下，十字提手的中心与吸盘上壳的顶面中心之间的距离小于十字提手的中心与十字提手的端部之间的距离。

所述底座包括第二插筒、第二螺轴和固定弹板夹，所述固定弹板夹包括固定件和弹性夹板，所述固定件的顶端通过第二螺轴与第二插筒转动连接，所述弹性夹板设于固定件的底端上，弹性夹板在自身弹性作用下向外侧弹开，所述吊杆与第二插筒可拆卸连接，将压合后的弹性夹板插入结构面的裂隙中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、操作便捷，只要将工具根据地质体类型的特点选择底座，并将之固定于地质体上，待其处于平衡状态后，即可拍摄空间方位明确的照片、视频或者3D扫描。

二、指向组件通过竖向指向板、横向指向板、磁针及转筒构成可供任意角度拍摄扫描的三维指向标志，具有三维便捷分辨性，无论从那个空间角度拍摄，均可较快捷地分辨出真实空间地理方位。

三、功能综合，便捷地将空间方位指向标志、地质比例尺及岩土体结构面空间真倾角测量功能集于一体，一次测量步骤即可实现多个数据的测量，高效便捷。

四、适用面广，采用同一测量部件配套两种可便捷装卸的底座，可适用大多数地质勘察现场，采用吸盘底膜的第一种底座可适用于发育有平直光滑外露结构面的地区，采用固定弹板夹的第二种底座较适用于岩土体裂隙发育的地区。

五、指向组件设置透明罩，可有效地防止气流扰动以及指向组件因磕碰而损坏，结构可靠。

六、指向组件采用指向一致的第一磁针和第二磁针，两个磁针相互配合，使得指向更加精准，保持指向平衡。

七、量角组件采用半圆形的刻度盘，便于直接读取吊绳和吊杆之间的夹角，进而获取结构面的空间真倾角，可视性强，测量结果直观。

八、量角组件由两个外凸环限定位置，并可绕吊杆360度旋转，使得吊绳在重力锥和指向组件的作用下，保持最佳的稳定状态，进而测量得到精确的数据。

九、采用吸盘底膜的第一种底座，利用十字提手方便提取吸盘底膜，并通过旋转提手，可便捷地维持吸盘底膜经提起后产生的内部低压空间。

十、由转筒、两根磁针、竖向指向板、横向指向板组成的指向组件，其重心处于穿过其转筒的吊绳处，故在地磁场作用下可保持较好平衡；并且，上部竖向指向板水平锐角指向北向，水平三角横向指向板顶部锐角指向南向，便于确定指向。

附图说明

图1为本发明测量部件结构示意图；

图2为本发明重力锥及指向组件结构示意图；

图3为本发明第一种底座部件结构示意图；

图4为本发明第二种底座部件结构示意图；

图5为本发明测量部件与第一种底座部件套合示意图；

图6为本发明测量部件与第二种底座部件套合示意图；

图7为结构面真倾角测量的数学原理图；

其中，(7a)为套合第一种底座时测量所在结构面真倾角的原理图；(7b)为套合第二种底座时测量所在裂隙岩壁真倾角的原理图。

图中：1、重力锥，2、转筒，3、竖向指向板，4、横向指向板，5、第一磁针，6、第二磁针，7、透明罩，8、吊绳，9、刻度盘，10、套筒，11、吊杆，12、第一插筒，13、第一螺轴，14、螺套，15、支臂，16、吸盘底膜，17、吸盘上壳，18、吸盘提杆，19、十字提手，20、第二插筒，21、第二螺轴，22、固定弹板夹。

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。

一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，可用于地质勘查及工程地质勘查现场拍照、3D扫描时，作为空间方位指向及实际尺寸的标志，也可用于测量岩土体结构面空间倾角的测量。该工具总体包括测量部件和底座部件两大部分，其中，如图1所示，测量部件主要包括重力锥1、指向组件、吊绳8、量角组件和吊杆11，重力锥1通过吊绳8连接量角组件，指向组件套设于吊绳8上，量角组件套设于吊杆11的顶端，根据地质体的多样性，为提高本工具的适用范围，本工具的底座部件配套了两种用于固定的底座，如图3所示，第一种底座较适用于具有光滑外露结构面的岩体区，如图4所示，第二种底座较适用于岩土体裂隙较为发育的勘察区，测量部件通过吊杆11旋转套入插筒与底座部件相衔接。下面对测量部件和底座部件进行具体说明。

如图2所示，指向组件包括转筒2、磁针、指向板和透明罩7，指向板包括呈直角三角形的竖向指向板3和呈等腰三角形的横向指向板4，竖向指向板3的直角边沿横向指向板4的中位线竖直设置，竖向指向板3的直角与横向指向板4的顶角同侧设置，磁针沿横向指向板4的中位线设于横向指向板4上，转筒2中通并设于指向板的重心轴线上，吊绳8穿过转筒2与重力锥1相连接，转筒2、竖向指向板3、横向指向板4均为轻质塑胶材质，故该指向组件可在地磁场作用下绕吊绳8在360度范围内转动，并可较好保持垂向平衡，透明罩7罩设在指向板周边，透明罩7的底部与重力锥1连为一体，其中：

磁针包括第一磁针5和第二磁针6，第一磁针5和第二磁针6分别镶嵌在横向指向板4的中位线两端，且第一磁针5的磁极和第二磁针6的磁极指向一致，使得平衡时，竖向指向板3顶角指向北向，横向指向板4顶角指向南向，通过磁针指南进行空间方位指向；

透明罩7由透明刚性材料构成，有利于防止横向气流运动对其中指向组件转动的干扰；透明罩7底部封闭，顶部开口且顶部边缘处设置一圆环状略微向内部延伸的顶板，此顶板可防止指向组件沿着吊绳8上下随意滑移，中间大部分开口，这样一方面可防止携带时，指向装置随意沿着吊绳8滑动，另一方面有利于3D扫描时候有效显示指向装置的具体指向。

如图1所示，量角组件包括套筒10和刻度盘9，套筒10套设于吊杆11的顶端，刻度盘9呈半圆形，刻度盘9的弧形边上均匀刻有间隔1度的180度范围的角度刻度，弧形边中间刻度值为0度，弧形边两端刻度值为90度，刻度盘9的直径边固定在套筒10上，该刻度盘9的直径边的中点即为刻度盘9的圆心，吊绳8的上端连接刻度盘9的圆心处，吊绳8采用轻质较抗拉材质制作而成，刻度盘9配合吊绳8，在适宜条件下测读地质体(例如：岩土体)结构面的数据。

如图1所示，重力锥1为大密度的非铁质实心锥体，重力锥1上部圆面中心直接与吊绳8的下端连接。

如图1所示，吊杆11总体为圆柱杆状，由轻质刚性非铁质材质制成，吊杆11的顶端处设有两个用于限定量角组件位置的外凸环，套筒10中通并套合于两个外凸环之间，可绕吊杆11360度旋转，吊杆11下端杆表呈螺纹状，契合于底座的插筒内壁上的螺纹，吊杆11下端可旋入插筒并固定；吊杆11的中段标注有以1cm为间距的20cm长度的比例标注，可作为地质体实际尺寸的比例尺。

如图3所示，第一种底座包括第一插筒12、第一螺轴13、支臂15、吸盘上壳17、提手组件和吸盘底膜16，支臂15设于吸盘上壳17上，第一插筒12底部固定于第一螺轴13上，第一螺轴13插于支臂15的螺孔中，第一螺轴13可在支臂15的螺孔中转动，使得第一插筒12可绕吸盘上壳17转动，第一螺轴13可通过旋转紧第一螺轴13外端的螺套14，来予以固定，支臂15和吸盘上壳17均由油轻质刚性非铁质材料制成，吸盘上壳17内空且底面开口，吸盘底膜16设于吸盘上壳17的底面上，提手组件穿过吸盘上壳17的顶面后连接吸盘底膜16的上表中心，吸盘底膜16由平滑的柔性抗拉良好不透气的材质制成，吊杆11与第一插筒12可拆卸式连接，本实施例中为螺纹连接，上提提手组件使得吸盘底膜16与结构面之间的气压降低，形成真空空间，从而产生气压差，吸盘底膜16固定在结构面上，其中：

提手组件包括吸盘提杆18和十字提手19，吸盘上壳17的顶面呈碗状下凹形，吸盘上壳17的顶面凹形底部开有孔洞，该孔洞便于圆柱状吸盘提杆18和十字提手19上下移动，十字提手19呈十字状，吸盘提杆18的底端穿过吸盘上壳17的顶面后连接吸盘底膜16，吸盘提手的顶端开设有转动通道，十字提手19的中心处通过转轴固定在转动通道内，使得十字提手19可以在转动通道内360度转动，十字提手19的单柄宽度小于吸盘提手直径，初始状态下，如图5所示，十字提手19的中心与吸盘上壳17的顶面中心之间的距离小于十字提手19的中心与十字提手19的端部之间的距离(即十字提手19的单柄长度)，转动十字提手19至十字提手19的单柄与吸盘提杆18重合，如图3所示，十字提手19绕轴旋转45度后，此时十字提手19使得吸盘提杆18上提且保持上提状态，可有效限定于吸盘上壳17顶部，这样致使吸盘底膜16中部隆起，在上下气压差作用下，所产生的固定力足够固定整个工具，适用于与岩土体结构面发育的地区(如花岗岩地区)。以上仅为本实施例中的一种提手组件的结构，十字提手19还可替换为偏心圆提手、偏心条提手等等。

如图4所示，第二种底座包括第二插筒20、第二螺轴21和固定弹板夹22，固定弹板夹22包括固定件和弹性夹板，第二插筒20底部的螺纹孔插于第二螺轴21上，第二螺轴21固定于固定件的上部，第二插筒20可绕着第二螺轴21转动，同时第二插筒20与套插在固定件的螺孔中的第二螺轴21之间本身具有一定的固定力，以使得第二插筒20不会在上部组件的自重力作用下，随意绕第二螺轴21转动，固定件上部为刚形体，固定件下部设置两个弹性夹板，弹性夹板为弹性良好的薄夹板，且纵向剖面呈薄楔状，上宽下尖，弹性良好，没有约束时，两弹性夹板会如镊子般，在自身弹性性能作用下向两侧弹开，将两弹性夹板压合，在压合松开后，会迅速恢复初始弹开状态，利用此特征可塞入岩土裂隙中实现固定，吊杆11与第二插筒20可拆卸连接，本实施例中为螺纹连接。

整个工具中除磁针以外的所有组件材料，都不能具有对磁针或者地磁场具有明显影响性质。为便于携带，并尽量减少对底座固定力的依赖，测量部件中所有组件，除了重力锥1和磁针外，其他组件均采用轻质材质。

对于结构面平滑的地质体，如图5所示，选择第一种底座，将测量部件通过吊杆11旋转套入第一插筒12与底座部件相衔接，将底座吸盘底膜16紧贴结构面平直光滑处，通过十字提手19上提吸盘提杆18，将本工具固定在结构面上，第一插筒12及吊杆11调节至垂直于结构面的方向，吊绳8、刻度盘9及转筒2，可在自身重力作用下，绕着吊杆11自由转动，已达到符合重力场的平衡状态，待工具处于平衡状态，即可开始拍照、录像或者3D扫描，通过刻度盘9中吊绳8所处的刻度值，可读取得该结构面的空间真倾角的余角值，量角原理图如图7a所示，图中α为结构面空间真倾角，EF表示岩土体外露结构面，EI表示水准面，三角形RPQ表示第一种底座，OH表示吊杆11，OA表示吊绳8。

对于岩土体发育两壁较平整的裂隙处，如图6所示，选择第二种底座，旋转测量部件吊杆11套入第二插筒20，使之与底座部件相衔接，将两个弹性夹板压紧至其尖端闭合，塞入裂隙后，通过旋转插筒将吊杆11调节至裂隙走向垂直方向上，吊绳8、刻度盘9及转筒2，可在自身重力作用下，绕着吊杆11自由转动，已达到符合重力场的平衡状态，待工具达到平衡状态，即可开始拍照、录像或者3D扫描，通过刻度盘9中吊绳8所处的刻度值，可读取得该结构面的空间真倾角值，量角原理图如图7b所示，图中β为裂隙岩壁空间真倾角，EF表示岩土体外露结构面，空隙CD表示岩土体平直结构裂隙，GD表示水准面，OC表示吊杆11，OA表示吊绳8，OB垂直于OC。

Claims (9)

1.一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，该工具包括重力锥(1)、指向组件、量角组件、吊杆(11)和底座，所述重力锥(1)通过吊绳(8)连接量角组件，所述指向组件套设于吊绳(8)上，所述量角组件套设于吊杆(11)的顶端，所述吊杆(11)的底端连接底座，所述指向组件包括转筒(2)、磁针和指向板，所述指向板包括呈直角三角形的竖向指向板(3)和呈等腰三角形的横向指向板(4)，所述竖向指向板(3)的直角边沿横向指向板(4)的中位线竖直设置，竖向指向板(3)的直角与横向指向板(4)的顶角同侧设置，所述磁针沿横向指向板(4)的中位线设于横向指向板(4)上，所述转筒(2)设于指向板的重心轴线上并套设在吊绳(8)上；

测量时，底座固定在地质体的结构面上，调整吊杆(11)的位置，使得吊杆(11)垂直于结构面，待整个工具处于平衡状态，由量角组件上吊绳(8)与吊杆(11)之间的角度得到结构面的空间真倾角，由指向组件进行空间方位指向。

2.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述指向组件还包括罩设在指向板周边上的透明罩(7)，所述透明罩(7)的底部固定于重力锥(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述磁针包括第一磁针(5)和第二磁针(6)，所述第一磁针(5)和第二磁针(6)分别镶嵌在横向指向板(4)的中位线两端，且第一磁针(5)的磁极和第二磁针(6)的磁极指向一致。

4.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述量角组件包括套筒(10)和刻度盘(9)，所述套筒(10)套设于吊杆(11)的顶端，所述刻度盘(9)呈半圆形并刻有180度范围的角度刻度，刻度盘(9)的直径边固定在套筒(10)上，所述吊绳(8)连接刻度盘(9)的圆心处。

5.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述吊杆(11)的顶端处设有用于限定量角组件位置的外凸环。

6.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述吊杆(11)上标注有比例尺。

7.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述底座包括第一插筒(12)、吸盘上壳(17)、提手组件和吸盘底膜(16)，所述第一插筒(12)与吸盘上壳(17)转动连接，所述吸盘底膜(16)设于吸盘上壳(17)的底面上，所述提手组件穿过吸盘上壳(17)的顶面后连接吸盘底膜(16)，所述吊杆(11)与第一插筒(12)可拆卸式连接，上提提手组件使得吸盘底膜(16)固定在结构面上。

8.根据权利要求7所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述提手组件包括吸盘提杆(18)和十字提手(19)，所述吸盘上壳(17)的顶面呈碗状下凹形，所述十字提手(19)呈十字状，所述吸盘提杆(18)的一端穿过吸盘上壳(17)的顶面后连接吸盘底膜(16)，吸盘提手的另一端与十字提手(19)的中心处转动连接，初始状态下，十字提手(19)的中心与吸盘上壳(17)的顶面中心之间的距离小于十字提手(19)的中心与十字提手(19)的端部之间的距离。

9.根据权利要求1所述的一种便捷式多功能岩土体结构重建辅助工具，其特征在于，所述底座包括第二插筒(20)、第二螺轴(21)和固定弹板夹(22)，所述固定弹板夹(22)包括固定件和弹性夹板，所述固定件的顶端通过第二螺轴(21)与第二插筒(20)转动连接，所述弹性夹板设于固定件的底端上，弹性夹板在自身弹性作用下向外侧弹开，所述吊杆(11)与第二插筒(20)可拆卸连接，将压合后的弹性夹板插入结构面的裂隙中。