CN106052534A - 一种钻孔岩芯层面倾角测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻孔岩芯层面倾角测量仪，包括顺序连接的测量单元、调节单元和岩芯固定组件，所述测量单元包括读数盘、指示杆和贴合板，所述读数盘呈扇形，读数盘的弧形侧边上设有角度刻度，指示杆和贴合板的端部固连并且相互垂直，指示杆和贴合板的连接处与读数盘的圆心铰接，调节单元包括上轴架、下轴架、调节手柄和齿轮齿条机构；本发明提供的倾角测量仪严格按照岩层倾角测量的相关原理进行设计，设计了相互垂直的贴合板与指示杆，岩芯倾角测量过程，因岩芯是放置在托槽内的，因此只要岩芯层面与贴合板贴合就可快速读取倾角读数，摒弃了传统测倾角需先通过反复调仪器确定倾向这一繁琐过程，极大的提高的测量倾角的效率。

Description

一种钻孔岩芯层面倾角测量仪

技术领域

本发明涉及一种钻孔岩芯倾角测量仪器，属于岩土工程勘察技术领域。

背景技术

钻孔岩芯中层面的倾角是岩土工程勘察中钻探所需要揭示的重要地层信息之一。精确地获取岩芯中层面的倾角是准确建立斜坡地质模型的重要基础，在斜坡稳定性评价中具有重要的工程实践意义。通过岩芯倾角信息获取地层倾角在地下空间上的分布规律，有助于分析地下岩层构造发育特点。在岩层倾角随深度有着明显变化的区域，探明层面倾角随深度的变化规律，可用于分析斜坡体变形特征，划分斜坡变形强弱区域，甚至是判断斜坡潜在滑动面，从而为评价斜坡灾害提供更为可靠的地质模型。

目前确定岩芯层面的方法或手段主要有：(1)凭经验进行估计。由于野外没有专门的工具对岩芯层面倾角进行测量，很多工程师凭经验判断，误差往往较大。(2)采用罗盘进行测量。根据罗盘测量的基本原理可知，测量岩芯层面倾角的准确度与测量时岩芯是否铅直密切相关，而靠手持岩芯很难保证岩芯竖直，且效率不高。(3)采用半圆形量角器进行测量。由于很难保证圆形刻度板底边与岩芯垂直，也很难确定层面的倾向，测量结果准确度很难得到保证。尚未发现专门的仪器或设备用于测量岩芯层面倾角。

因而，发明一种钻孔岩芯层面倾角测量仪，在野外钻探勘察中既能准确又能快速读取岩芯层面倾角，对充分揭露地下地质体结构具有十分重要的意义，在斜坡灾害评价领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种钻孔岩芯层面倾角测量仪，能够通过钻孔岩芯精确快速地获取地下岩层倾角，对充分揭露地下地质体结构情况具有十分重要的意义。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种钻孔岩芯层面倾角测量仪，包括顺序连接的测量单元、调节单元和岩芯固定组件，所述测量单元包括读数盘、指示杆和贴合板，所述读数盘呈扇形，读数盘的弧形侧边上设有角度刻度，指示杆和贴合板的端部固连并且相互垂直，指示杆和贴合板的连接处与读数盘的圆心铰接；所述调节单元为伸缩机构。

所述读数盘为中空结构，读数盘的弧形侧面上开设有弧形卡槽，所述指示杆位于读数盘的扇形中空内腔中，指示杆的顶端设有与弧形卡槽相配合的滑块，滑块嵌于弧形卡槽中并且可沿弧形卡槽滑动。

所述读数盘的两个扇形表面的弧形侧边上均开设有与读数盘内腔连通的弧形滑道，弧形滑道与读数盘的弧形侧边共圆心。

所述指示杆的上部穿插固定有与指示杆垂直的插销，插销位于滑块下方并且插销的端部突出于弧形滑道，插销的两端均固定有与指示杆平行的指针。

所述角度刻度位于弧形滑道的内侧，指针的顶尖位于角度刻度上。

所述调节单元包括上轴架、下轴架、调节手柄和齿轮齿条机构，下轴架套于上轴架的下端上，齿轮齿条机构的齿条平行于上轴架轴线安装于上轴架的内腔中，上轴架上沿其轴向开设有与上轴架内腔连通的滑槽，调节手柄安装于下轴架的上端，齿轮齿条机构的齿轮安装于调节手柄的转杆上并且与调节手柄的转盘共圆心，调节手柄的转盘位于下轴架外、转杆位于滑槽中。

读数盘焊接固定于上轴架的顶端。

所述岩芯固定组件为托槽，所述托槽为半圆柱管壳，下轴架焊接固定于托槽的外表面上。

所述托槽的顶边为斜削边。

由上述技术方案可知，本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪，主体包括测量单元、调节单元和岩芯固定组件，其中测量单元包括读数盘、指示杆和贴合板，读数盘呈扇形，其上设置角度刻度，指示杆和贴合板的端部固连并且相互垂直，指示杆和贴合板的连接处与读数盘的圆心铰接，进行倾角测量时通过岩芯固定组件固定岩芯，将贴合板与岩芯层面贴合，由于指示杆和贴合板相互垂直，因此贴合板转动的角度与指示杆转动的角度相同，即为岩芯层面倾角，指示杆与读数盘的圆心铰接，指示杆指示的角度刻度即为待测岩芯层面的倾角；调节单元为伸缩机构，调节单元位于测量单元与岩芯固定组件之间，用于调节装置整体长度，以适应不同尺寸的岩芯。

读数盘为中空结构，指示杆封装于读数盘的扇形中空内腔中，避免野外测量时掉落的碎石等颗粒碰撞指示杆引起指示杆损坏或读数误差；读数盘的弧形侧面上开设有弧形卡槽，指示杆的顶端设有与弧形卡槽相配合的滑块，滑块嵌于弧形卡槽中并且可沿弧形卡槽滑动，滑块与指示杆共同转动，由于滑块嵌于弧形卡槽中，弧形卡槽限制滑块在垂直于弧形卡槽方向的自由度，并且滑块相比于指示杆长度短，自身不会产生挠度，通过滑块指示倾角读数可保证读数的准确性。

读数盘的两个扇形表面的弧形侧边上均开设有与读数盘内腔连通的弧形滑道，弧形滑道与读数盘的弧形侧边共圆心，指示杆的上部穿插固定有与指示杆垂直的插销，插销的两端均固定有与指示杆平行的指针，指针的顶尖位于角度刻度上，指针、插销、滑块和指示杆共同运动，指针的顶尖体积小，可实现精确读数，提高读数的精度。

本发明中调节单元通过上轴架与下轴架构成的滑动副和齿轮齿条机构实现装置整体长度的调节，上轴架上沿其轴向开设有与上轴架内腔连通的滑槽，调节手柄的转杆位于滑槽中，齿轮齿条机构的齿轮安装于调节手柄的转杆上、齿条安装于上轴架的内腔中，转动手柄即可实现上轴架的升降，滑动副、齿轮齿条机构以及滑槽的设置使得上轴架的升降运动为有轨运动，辅助确保倾角测量的准确性。

岩芯固定组件为半圆柱管壳状托槽，由于岩芯均为圆柱状，托槽可与岩芯的圆柱表面完美贴合，形成测量基准，保证倾角测量的准确性；托槽的顶边为斜削边，使得岩芯的层面更好地与贴合板贴合，避免贴合板被托槽外缘顶住而不容易实现贴合板与岩芯层面贴合，斜削边的设计使得调节单元的总伸缩长度缩短，缩减仪器的整体尺寸，提高仪器的稳定性。

与现有技术相比，本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的优点在于：

1、本发明提供的倾角测量仪严格按照岩层倾角测量的相关原理进行设计，克服了现有岩层倾角测量手段的随意性，发明的测量精度相较于现有技术本有极大的提高。

2、本发明提供的倾角测量仪设计了相互垂直的贴合板与指示杆，岩芯倾角测量过程，因岩芯是放置在托槽内的，因此只要岩芯层面与贴合板贴合就可快速读取倾角读数，摒弃了传统测倾角需先通过反复调仪器确定倾向这一繁琐过程，极大的提高的测量倾角的效率。

3、本发明提供的倾角测量仪自重轻，体积小，结构紧凑，具有便携特点，适合野外携带开展工作；该仪器可广泛应用与岩土工程教学、生产、科研等领域，可以快速、准确的获取岩芯倾角，满足岩土工程现场勘查的需要。

附图说明

图1为本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的整体结构示意图。

图2为本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的侧视图。

图3为本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的俯视图。

图4为图3的A-A’截面图。

图5为图3的B-B’截面图。

图6为岩层倾角的模型图。

图7为本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的测量原理图。

其中，1-读数盘，2-指示杆，3-贴合板，4-滑块，5-指针，6-插销，7-上轴架，8-下轴架，9-齿条，10-手柄，101-转盘，102-转杆，11-滑槽，12-齿轮，13-弧形滑道，14-弧形卡槽，15-长条销轴，16-托槽，17-角度刻度，18-岩芯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其结构如图1至图3所示，包括顺序连接的测量单元、调节单元和岩芯固定组件；

所述测量单元包括读数盘1、指示杆2和贴合板3，所述读数盘呈扇形中空结构，读数盘的弧形侧边上设有角度刻度17，读数盘的弧形侧面上开设有弧形卡槽14，指示杆2为圆柱杆，指示杆2位于读数盘的扇形中空内腔中，读数盘内腔的两直角边上均开有半圆柱槽，便于指示杆水平与垂直放置，指示杆的顶端设有与弧形卡槽14相配合的滑块4，滑块14嵌于弧形卡槽中并且可沿弧形卡槽滑动，读数盘1的两个扇形表面的弧形侧边上均开设有与读数盘内腔连通的弧形滑道13，弧形滑道13位于角度刻度17的外侧并且与读数盘的弧形侧边共圆心，参见图4，指示杆2的上部穿插固定有与指示杆垂直的插销6，插销6位于滑块4下方并且插销的端部突出于弧形滑道13，插销的两端均固定有与指示杆平行的指针5，指针5的顶尖位于角度刻度17上，所述贴合板3呈舌状，指示杆2和贴合板3的端部固连并且相互垂直，指示杆和贴合板的连接处与读数盘1的圆心铰接；

如图4和图5所示，所述调节单元包括上轴架7、下轴架8、调节手柄10和齿轮齿条机构，下轴架8套于上轴架7的下端上，读数盘1焊接固定于上轴架7的顶端，指示杆和贴合板的连接处以及上轴架7的顶端通过一长条销轴15铰接，齿轮齿条机构的齿条9平行于上轴架轴线安装于上轴架7的内腔中，上轴架上沿其轴向开设有与上轴架内腔连通的滑槽11，调节手柄10安装于下轴架的上端，齿轮齿条机构的齿轮12安装于调节手柄10的转杆102上并且与调节手柄的转盘101共圆心，调节手柄的转盘101位于下轴架8外、转杆102位于滑槽11中；

所述岩芯固定组件为托槽16，托槽16为半圆柱管壳，下轴架8焊接固定于托槽16的外表面上，托槽的顶边为斜削边。

下面结合图6和图7对本发明提供的钻孔岩芯层面倾角测量仪的测量原理进行阐述：

从几何关系上，岩层倾角是岩层层面S1与水平面S2的夹角。在地质学中，将岩层层面与水平面的交线称为走向线(AOB)；在岩层面上与走向线垂直并沿层面向下所引的直线叫倾斜线(OD)；倾斜线在水平面上的投影线为倾向线(OC)，也就是过倾斜线且与走向线AOB垂直的横截面S3同水平面S2交线(OC)；倾斜线OD与倾向线OC之间的夹角即为岩层倾角(图6中α角)。根据上述层面倾角的相关定义可知，图7中岩芯层面的倾角为岩芯层面(C₁)与任意垂直与岩芯18轴线的水平面(C₂)的夹角。只要确保90°的扇形刻度盘的一边L₁与岩芯轴线平行，扇形读数盘1与层面垂直，那么读数盘与层面C₁的交线即为倾斜线(L₃)，扇形读数盘的另一边L₂为倾向线。因此，L₂与L₃的夹角即为倾角(α₁)。进一步设计平行于层面C₁的贴合板3以及与贴合板3垂直的指示杆2，根据相关几何关系可知，指示杆2与L₁的夹角α₂与倾角α₁大小一致，故可在指示杆指示方向标出相应读数显示倾角大小。

将上述装置应用于钻孔岩芯倾角测量时，其操作步骤主要为：

(1)借助特定工具，如地质锤等，缓缓敲击岩芯，揭露出岩芯层面，或是选取层面暴露的岩芯，为下一步做准备；

(2)把处理好的岩芯放置在托槽上，将露出层面的一端向上，斜放测量仪，并调整合适的倾斜角度，使得岩芯可顺利在托槽内上下滑动和环向转动；

(3)通过滑动与转动岩芯，使得岩芯层面与测量仪的贴合板贴合。倘若上下滑动岩芯过程中贴合板与托槽有接触或岩芯底端有脱离托槽的趋势，可适当调节手柄，调整贴合板与托槽之间距离，以便贴合板与岩芯层面顺利贴合；

(4)读取指示杆上指针所指示的读数，即可测得岩芯层面的倾角。

本发明的核心在于相互垂直的贴合板、指示杆以及托槽，能够通过托槽固定岩芯轴向位置，通过贴合板与岩芯层面贴合即可快速精确的读取岩芯倾角大小。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如托槽的开口范围与直径，其开口范围与直径可根据具体岩芯的直径设置相应尺寸；齿条的长度可根据具体岩层倾角测量的范围进行设置；读数盘与上轴架以及托槽与下轴架之间的固定焊接，也可设计为铰接或其他连接方式。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：包括顺序连接的测量单元、调节单元和岩芯固定组件，所述测量单元包括读数盘、指示杆和贴合板，所述读数盘呈扇形，读数盘的弧形侧边上设有角度刻度，指示杆和贴合板的端部固连并且相互垂直，指示杆和贴合板的连接处与读数盘的圆心铰接；所述调节单元为伸缩机构。

2.根据权利要求1所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述读数盘为中空结构，读数盘的弧形侧面上开设有弧形卡槽，所述指示杆位于读数盘的扇形中空内腔中，指示杆的顶端设有与弧形卡槽相配合的滑块，滑块嵌于弧形卡槽中并且可沿弧形卡槽滑动。

3.根据权利要求2所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述读数盘的两个扇形表面的弧形侧边上均开设有与读数盘内腔连通的弧形滑道，弧形滑道与读数盘的弧形侧边共圆心。

4.根据权利要求3所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述指示杆的上部穿插固定有与指示杆垂直的插销，插销位于滑块下方并且插销的端部突出于弧形滑道，插销的两端均固定有与指示杆平行的指针。

5.根据权利要求4所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述角度刻度位于弧形滑道的内侧，指针的顶尖位于角度刻度上。

6.根据权利要求1所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述调节单元包括上轴架、下轴架、调节手柄和齿轮齿条机构，下轴架套于上轴架的下端上，齿轮齿条机构的齿条平行于上轴架轴线安装于上轴架的内腔中，上轴架上沿其轴向开设有与上轴架内腔连通的滑槽，调节手柄安装于下轴架的上端，齿轮齿条机构的齿轮安装于调节手柄的转杆上并且与调节手柄的转盘共圆心，调节手柄的转盘位于下轴架外、转杆位于滑槽中。

7.根据权利要求6所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：读数盘焊接固定于上轴架的顶端。

8.根据权利要求6所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述岩芯固定组件为托槽，所述托槽为半圆柱管壳，下轴架焊接固定于托槽的外表面上。

9.根据权利要求8所述的钻孔岩芯层面倾角测量仪，其特征在于：所述托槽的顶边为斜削边。