变阻式三维结构面形貌测量装置研制及运用

谭 洵，潘 凯，吉 锋，蔡国军

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，国家级地质工程实验教学示范中心，四川成都 610059）

变阻式三维结构面形貌测量装置研制及运用

谭 洵1，潘 凯1，吉 锋2，蔡国军2

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，国家级地质工程实验教学示范中心，四川成都 610059）

为简便、准确、经济地测量野外缓倾角岩体三维结构面表面起伏形貌，设计了一套变阻式三维结构面形貌测量装置。该装置主要由变阻式探头与活动坐标架两大部分组成，利用滑动变阻器的原理，探针伸缩引起探管内电路中电阻发生改变，带来的电流改变经过数值转换反映到表盘上显示探针伸缩的长度。对该结构面上300mm2内的真实起伏形貌进行测量，超出测面可以分块测量。获取的结构面三维表面形貌与结构面真实形貌吻合性较好。该装置有适用条件广、结构简单、操作简便高效、造价经济等特点。

结构面；三维形貌；形貌测量装置

在高坝、地下洞室、航空港和交通路线等的设计和施工中，常常会遇到评价岩体稳定性的问题［1］。从工程的角度描述岩体和岩石是截然不同的，工程作用的对象是包含了结构面和结构体的岩体，而岩石仅指岩体的物质组成或材料［2］。岩体中的结构面，或称不连续面，是地质历史发展过程中形成的具有一定方向、一定规模形态岩质的地质界面［3］。岩体的稳定性，一般用来描述岩体受力时从变形发展到破坏的力学性质。其力学性质，一方面取决于它的受力条件，另外一方面受岩体本身特征及赋存条件的影响，其中结构面的影响是使岩体力学性质不同于完整岩石力学性质的根本原因［4］，研究岩体的力学性质，必须重点研究结构面的特征［5］。

结构面粗糙起伏程度是结构面的特征之一［6］，然而其粗糙起伏程度千变万化，对其真实形貌进行精确测量一直是个难题。目前，对结构面的起伏形态的测量方法和仪器一般常用的分为两大类，一类是起伏曲线测量，线—面等效的方法，该类主要包含有Barton的JRC－JRS模型［7－8］，杜时贵简易纵剖面仪［9］及其对岩体结构面粗糙度系数简易测量方法［10］，吉锋等研制出接触打点器［11］；另一类是利用特殊光学仪器对结构面三维形貌直接测量。在第1类方法中，用结构面中选取的数条典型的起伏轮廓曲线来代表整个结构面的起伏形态，实现线—面等效有较好的实用价值，但复杂的结构面是很难用几条简单的起伏曲线所代表的，因此第1类方法不能完全表征三维结构面。第2类是三维形貌直接测量，是近年来研究重点，得到较快发展。利用激光三维高精度扫描，夏才初等［11－12］设计了DSP－1型智能岩石表面形貌仪和TJXW－3D型岩石三维表面形貌仪［12－13］。激光法测量精度虽高，但也存在不足，如特定材料对激光反射不够敏感、坐标转换不成熟［14］，且激光设备复杂、维护难度大、对环境条件要求高等，有时还由于结构面表面风化和地下水渗入等因素会影响测量效果。基于此，在系统的理论分析和实践的基础上结合机械与电学原理，研制了一套变阻式三维结构面形貌测量装置。

1 装置主要构件特征

该套装置主要有三大部分构成：变阻式探头，活动坐标架和控制箱及数据采集装置。配合Excel和Matlab可以很好地实现三维结构面可视化，获取结构面相关特征参数和三维图像。装置测量如图1所示。

图1 结构面三维测绘装置示意图

1.1 变阻式探头

1.1.1 变阻式探头构件特征及工作原理

如图2所示，通过探头内探针与不同起伏度结构面上点接触（结构面起伏差为ΔH），使探针缩进探管内，使缠绕在探针外侧上的电阻丝的长度改变为ΔL（电阻丝与探针之间绝缘，图2中联入电路部分的电阻丝为有效电阻丝，未联入部分为未通电电阻丝），则电阻值R发生改变，根据I＝U/R，电流变化为ΔΙ，再通过配置定值电阻，ΔΙ经过转换，在灵敏电流计的改制表盘上显示出ΔH。探管和数据采集系统工作基本电路图见图3。

1.1.2 变阻式探针微细部分构造

图2 单根探针工作原理简图

图3 仪器基本工作电路图

（1）导电钢珠环。在该探针装置中有一比较独特的设计即导电钢珠环，在该导电钢珠环的设计过程中笔者通过了全面的对比和探究，最终采用了该套方案。与常规设计相比，该设计的优势主要表现在：①可以与电阻器较为紧密地接触，不会发生塑性变形和过大的疲劳变形；②探针轴电动电阻丝棒上下运动时钢珠可以随轴的运动而转动，这样可以最大限度地减小其与电阻丝的摩擦，从而减少电阻丝的消耗，延长其使用寿命，同时还可以减小因电阻丝损耗而引起的系统误差；③结构简单，材料易得，降低了加工难度。导电钢珠环的详细构造见图4。

图4 导电钢珠环构造简图

（2）探针轴、电阻线圈（见图5）及电源控制箱。探针轴钢针直径d1＝3mm，总长度250mm，外部所套为优质弹簧，在探针长期工作中可视为完全弹性变形。所用电阻丝为标准电阻丝，直径d＝0.25mm，截面积S0＝0.049 09mm2，长度L0＝18 463.2mm，总电阻值R0＝270.588Ω，工作区总电阻R1＝195.27Ω，有效工作电阻丝总电阻R2＝139.479Ω。通电有效电阻最大表面积S1＝7.85（cm2/m），质量为0.000 4123 kg/m，20℃电阻R＝22.21Ω/m。绝缘管所绕电阻丝总长度值214.798mm，通电有效电阻最小值为75.319Ω。根据有效工作区总长度为50mm，每变换单位长度1mm，电流表显示的电流变化值及相关技术参数指标如表1所示。

图5 探针轴、电阻线圈构造

表1 探针及电源控制箱相关技术参数

1.2 活动坐标架

活动坐标架由探头基座、内移动尺座、中转动尺座和外固定支座组成。探头基座的作用是将变阻式测量探针固定于支架上，探针基座能在内移动尺座的凹槽上来回滑动，同时，内移动尺座能在中转动尺座上做垂直于探针基座运动方向的滑移，而中转动尺座又可以带动探针基座和内移动尺座绕转轴转动，如图6所示，通过各个构件之间的相互滑移和转动，可以使探针垂直于一低倾角结构面（0°～60°），并在结构面上测定量程范围内的所有点的相对高差，达到描绘三维结构面起伏度的目的。

图6 结构面三维测绘装置示意图

（1）基座。基座材料为硬质塑料，双层结构，上层通过特定的凹口卡住探针，下层在内移动尺座的凹槽上滑动，上下层通过弹簧连接，并且装有电磁铁。当一个点测完时，断开电磁铁电源，基座上层被弹簧抬起，滑动到新位置后，接通电磁铁电源后，上下层重新被吸附在一起，便可以通过探针测出一个点的相对高差。基座上可以固定3支探针，1次便可以测取3个点，以提高工作效率，管壁两侧有划线，用于确定探针中心在内移动尺座上的Y向坐标，基座三视图见图7。

（2）内移动尺座。内移动尺座主要用于支撑探针基座和确定待测点的X向坐标，其上标有毫米刻度尺量程为300mm，如图8所示。

图7 探针基座三视图

（3）中转动尺座与外固定支座。中转动尺座为一刚性焊接的框架，支撑内移动尺座的两边框上开有滑槽，安装有量程为300mm的毫米刻度尺，内移动尺座可以在其上滑动并且通过划线吻合刻度固定在任意位置。另外，两边框上安装有转轴，转轴位置在边框中心处，尺座可以绕转轴转动，在测量一有倾角结构面起伏度时，可以使其上探针垂直于结构面表面，从而达到更加精确的测量结果。外固定支座支撑内部组件所有的组件，同时可以调节框架到地面的高度，角度盘可以测量中转动尺座转动的角度。

1.3 基本操作程序

计算ΔI＝I2－I1（I1为仪器初始电流读数，I2为移动一定距离后仪器电流读数），再通过公式ΔH＝ΔI ×K（其中K为换算系数，K＝1/ΔI0）（ΔI0为移动单位距离对应电流变化），即可获得该点处的Z坐标。逐步测量各点的相应（X，Y，Z）坐标，进行数据集成存入Excel中，通过查找、替换方法转换数据格式。最后通过编写程序，导入坐标数据，通过Matlab获得结构面三维图像。基本工作程序见图9。

2 实测运用及可行性检验

图9 基本工作程序

取试样进行结构面表面形态测绘。以5mm为测量间隔，通过上述仪器获取结构面表面（X，Y，Z）坐标点数据，录入Excel转换数据格式，并通过Matlab编程序得到结构面的三维图形，结果见图10。可以看到，在花岗岩岩石表面，三维视图左部份（红色）明显高于右部分（蓝色），有较大的起伏差；在千枚岩表面，左上部分有明显突起（红色），右下部分的凹陷中又有突起（黄色）；而在砂岩表面，颜色较为集中，主要为红色和黄色，相比花岗岩和千枚岩显得平缓，起伏差不大。对比试样表面貌图，三维图形能很好地与之吻合，同时测得JRC值黄冈岩为2，千枚岩为0.7，砂岩为0.2，与图形所表示的起伏差大小趋势相同。

3 结论

图10 结构面三维形态量测结构示例

结构面三维形貌测量装置经济低廉、结构简单、操作简便、能够提高采点效率，并且对缓倾角的结构面也可以垂直测量其真实起伏高差，适合于野外使用。实测结果显示，三维视图能很好地与试样表面形貌吻合。

（References）

［1］张倬元，王士天，王兰生，等.工程地质学分析原理［M］.北京：地质出版社，2009.

［2］杜时贵.结构面与工程岩体稳定性［M］.北京：地震出版社，2006.

［3］肖树芬，杨淑霞.岩体力学［M］.北京：地质出版社，1987.

［4］刘佑荣，唐辉明.岩体力学［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［5］孙广忠.岩体结构力学［M］.北京：科学出版社，1988.

［6］孔德坊.工程岩土学［M］.北京：地质出版社，1992.

［7］成都地质学院工程地质教研室.岩石裂隙强度［M］.北京：地质出版社，1982.

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

［9］杜时贵.简易纵剖面仪及其在岩体结构面粗糙度系数研究中的应用［J］.地质科技情报，1992，11（3）：91－95.

［10］杜时贵，胡晓飞.岩体结构面粗糙度系数简易测量方法：中国，CN 101055175A［P］.2007－10－17.

［11］吉锋，石豫川，冯文凯.一种新型的结构面起伏形态测量工具：接触打孔器的研制［C］//黄润秋，许强.第三届全国岩土与工程学术大会论文集.成都：四川科学技术出版社，2009.

［12］夏才初，孙宗颀.RSP－1型智能岩石表面形貌仪［J］.水利学报，1995（6）：62－66.

［13］夏才初，王伟，丁增志.TJXW－3D型便携式岩石三维表面形貌仪的研制［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（7）：1505－1512.

［14］董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用［J］.岩石力学与工程学报，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

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室青年人才培养基金资助项目（SKLGP2011z012）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学）资助项目（2012KL013）

谭洵（1992—），男，四川邻水，本科生，工程地质方向

E－mail：1528911849＠qq.com

吉锋（1981—），男，山西翼城，博士，副教授，研究方向为岩土工程及地质工程教学与科研.