變阻式三維結構面形貌測量裝置研制及運用

譚 洵，潘 凱，吉 鋒，蔡國軍

（1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，國家級地質工程實驗教學示范中心，四川成都 610059）

變阻式三維結構面形貌測量裝置研制及運用

譚 洵1，潘 凱1，吉 鋒2，蔡國軍2

（1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，國家級地質工程實驗教學示范中心，四川成都 610059）

為簡便、準確、經濟地測量野外緩傾角巖體三維結構面表面起伏形貌，設計了一套變阻式三維結構面形貌測量裝置。該裝置主要由變阻式探頭與活動坐標架兩大部分組成，利用滑動變阻器的原理，探針伸縮引起探管內電路中電阻發生改變，帶來的電流改變經過數值轉換反映到表盤上顯示探針伸縮的長度。對該結構面上300mm2內的真實起伏形貌進行測量，超出測面可以分塊測量。獲取的結構面三維表面形貌與結構面真實形貌吻合性較好。該裝置有適用條件廣、結構簡單、操作簡便高效、造價經濟等特點。

結構面；三維形貌；形貌測量裝置

在高壩、地下洞室、航空港和交通路線等的設計和施工中，常常會遇到評價巖體穩定性的問題［1］。從工程的角度描述巖體和巖石是截然不同的，工程作用的對象是包含了結構面和結構體的巖體，而巖石僅指巖體的物質組成或材料［2］。巖體中的結構面，或稱不連續面，是地質歷史發展過程中形成的具有一定方向、一定規模形態巖質的地質界面［3］。巖體的穩定性，一般用來描述巖體受力時從變形發展到破壞的力學性質。其力學性質，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，其中結構面的影響是使巖體力學性質不同于完整巖石力學性質的根本原因［4］，研究巖體的力學性質，必須重點研究結構面的特征［5］。

結構面粗糙起伏程度是結構面的特征之一［6］，然而其粗糙起伏程度千變萬化，對其真實形貌進行精確測量一直是個難題。目前，對結構面的起伏形態的測量方法和儀器一般常用的分為兩大類，一類是起伏曲線測量，線—面等效的方法，該類主要包含有Barton的JRC－JRS模型［7－8］，杜時貴簡易縱剖面儀［9］及其對巖體結構面粗糙度系數簡易測量方法［10］，吉鋒等研制出接觸打點器［11］；另一類是利用特殊光學儀器對結構面三維形貌直接測量。在第1類方法中，用結構面中選取的數條典型的起伏輪廓曲線來代表整個結構面的起伏形態，實現線—面等效有較好的實用價值，但復雜的結構面是很難用幾條簡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構面。第2類是三維形貌直接測量，是近年來研究重點，得到較快發展。利用激光三維高精度掃描，夏才初等［11－12］設計了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］。激光法測量精度雖高，但也存在不足，如特定材料對激光反射不夠敏感、坐標轉換不成熟［14］，且激光設備復雜、維護難度大、對環境條件要求高等，有時還由于結構面表面風化和地下水滲入等因素會影響測量效果。基于此，在系統的理論分析和實踐的基礎上結合機械與電學原理，研制了一套變阻式三維結構面形貌測量裝置。

1 裝置主要構件特征

該套裝置主要有三大部分構成：變阻式探頭，活動坐標架和控制箱及數據采集裝置。配合Excel和Matlab可以很好地實現三維結構面可視化，獲取結構面相關特征參數和三維圖像。裝置測量如圖1所示。

圖1 結構面三維測繪裝置示意圖

1.1 變阻式探頭

1.1.1 變阻式探頭構件特征及工作原理

如圖2所示，通過探頭內探針與不同起伏度結構面上點接觸（結構面起伏差為ΔH），使探針縮進探管內，使纏繞在探針外側上的電阻絲的長度改變為ΔL（電阻絲與探針之間絕緣，圖2中聯入電路部分的電阻絲為有效電阻絲，未聯入部分為未通電電阻絲），則電阻值R發生改變，根據I＝U/R，電流變化為ΔΙ，再通過配置定值電阻，ΔΙ經過轉換，在靈敏電流計的改制表盤上顯示出ΔH。探管和數據采集系統工作基本電路圖見圖3。

1.1.2 變阻式探針微細部分構造

圖2 單根探針工作原理簡圖

圖3 儀器基本工作電路圖

（1）導電鋼珠環。在該探針裝置中有一比較獨特的設計即導電鋼珠環，在該導電鋼珠環的設計過程中筆者通過了全面的對比和探究，最終采用了該套方案。與常規設計相比，該設計的優勢主要表現在：①可以與電阻器較為緊密地接觸，不會發生塑性變形和過大的疲勞變形；②探針軸電動電阻絲棒上下運動時鋼珠可以隨軸的運動而轉動，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，延長其使用壽命，同時還可以減小因電阻絲損耗而引起的系統誤差；③結構簡單，材料易得，降低了加工難度。導電鋼珠環的詳細構造見圖4。

圖4 導電鋼珠環構造簡圖

（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，總長度250mm，外部所套為優質彈簧，在探針長期工作中可視為完全彈性變形。所用電阻絲為標準電阻絲，直徑d＝0.25mm，截面積S0＝0.049 09mm2，長度L0＝18 463.2mm，總電阻值R0＝270.588Ω，工作區總電阻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），質量為0.000 4123 kg/m，20℃電阻R＝22.21Ω/m。絕緣管所繞電阻絲總長度值214.798mm，通電有效電阻最小值為75.319Ω。根據有效工作區總長度為50mm，每變換單位長度1mm，電流表顯示的電流變化值及相關技術參數指標如表1所示。

圖5 探針軸、電阻線圈構造

表1 探針及電源控制箱相關技術參數

1.2 活動坐標架

活動坐標架由探頭基座、內移動尺座、中轉動尺座和外固定支座組成。探頭基座的作用是將變阻式測量探針固定于支架上，探針基座能在內移動尺座的凹槽上來回滑動，同時，內移動尺座能在中轉動尺座上做垂直于探針基座運動方向的滑移，而中轉動尺座又可以帶動探針基座和內移動尺座繞轉軸轉動，如圖6所示，通過各個構件之間的相互滑移和轉動，可以使探針垂直于一低傾角結構面（0°～60°），并在結構面上測定量程范圍內的所有點的相對高差，達到描繪三維結構面起伏度的目的。

圖6 結構面三維測繪裝置示意圖

（1）基座?；牧蠟橛操|塑料，雙層結構，上層通過特定的凹口卡住探針，下層在內移動尺座的凹槽上滑動，上下層通過彈簧連接，并且裝有電磁鐵。當一個點測完時，斷開電磁鐵電源，基座上層被彈簧抬起，滑動到新位置后，接通電磁鐵電源后，上下層重新被吸附在一起，便可以通過探針測出一個點的相對高差。基座上可以固定3支探針，1次便可以測取3個點，以提高工作效率，管壁兩側有劃線，用于確定探針中心在內移動尺座上的Y向坐標，基座三視圖見圖7。

（2）內移動尺座。內移動尺座主要用于支撐探針基座和確定待測點的X向坐標，其上標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）中轉動尺座與外固定支座。中轉動尺座為一剛性焊接的框架，支撐內移動尺座的兩邊框上開有滑槽，安裝有量程為300mm的毫米刻度尺，內移動尺座可以在其上滑動并且通過劃線吻合刻度固定在任意位置。另外，兩邊框上安裝有轉軸，轉軸位置在邊框中心處，尺座可以繞轉軸轉動，在測量一有傾角結構面起伏度時，可以使其上探針垂直于結構面表面，從而達到更加精確的測量結果。外固定支座支撐內部組件所有的組件，同時可以調節框架到地面的高度，角度盤可以測量中轉動尺座轉動的角度。

1.3 基本操作程序

計算ΔI＝I2－I1（I1為儀器初始電流讀數，I2為移動一定距離后儀器電流讀數），再通過公式ΔH＝ΔI ×K（其中K為換算系數，K＝1/ΔI0）（ΔI0為移動單位距離對應電流變化），即可獲得該點處的Z坐標。逐步測量各點的相應（X，Y，Z）坐標，進行數據集成存入Excel中，通過查找、替換方法轉換數據格式。最后通過編寫程序，導入坐標數據，通過Matlab獲得結構面三維圖像?；竟ぷ鞒绦蛞妶D9。

2 實測運用及可行性檢驗

圖9 基本工作程序

取試樣進行結構面表面形態測繪。以5mm為測量間隔，通過上述儀器獲取結構面表面（X，Y，Z）坐標點數據，錄入Excel轉換數據格式，并通過Matlab編程序得到結構面的三維圖形，結果見圖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。對比試樣表面貌圖，三維圖形能很好地與之吻合，同時測得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相同。

3 結論

圖10 結構面三維形態量測結構示例

結構面三維形貌測量裝置經濟低廉、結構簡單、操作簡便、能夠提高采點效率，并且對緩傾角的結構面也可以垂直測量其真實起伏高差，適合于野外使用。實測結果顯示，三維視圖能很好地與試樣表面形貌吻合。

（References）

［1］張倬元，王士天，王蘭生，等.工程地質學分析原理［M］.北京：地質出版社，2009.

［2］杜時貴.結構面與工程巖體穩定性［M］.北京：地震出版社，2006.

［3］肖樹芬，楊淑霞.巖體力學［M］.北京：地質出版社，1987.

［4］劉佑榮，唐輝明.巖體力學［M］.北京：化學工業出版社，2009.

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［6］孔德坊.工程巖土學［M］.北京：地質出版社，1992.

［7］成都地質學院工程地質教研室.巖石裂隙強度［M］.北京：地質出版社，1982.

［8］Barton N，Choubey V.The Shear Strength of RockJoint in Theory and Practice［J］.ROCKMECHANICS，1977，10（2）：54.

［9］杜時貴.簡易縱剖面儀及其在巖體結構面粗糙度系數研究中的應用［J］.地質科技情報，1992，11（3）：91－95.

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［13］夏才初，王偉，丁增志.TJXW－3D型便攜式巖石三維表面形貌儀的研制［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（7）：1505－1512.

［14］董秀軍，黃潤秋.三維激光掃描技術在高陡邊坡地質調查中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2006（增刊2）：3629－3635.

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

地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室青年人才培養基金資助項目（SKLGP2011z012）；地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學）資助項目（2012KL013）

譚洵（1992—），男，四川鄰水，本科生，工程地質方向

E－mail：1528911849＠qq.com

吉鋒（1981—），男，山西翼城，博士，副教授，研究方向為巖土工程及地質工程教學與科研.