[发明专利]基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备及方法

说明书

本发明公开了一种基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备及方法，该设备包括工控机、总控制器、横向驱动装置、纵向驱动装置、激光测距模块、主体支撑部件和基准底座；主体支撑部件设置于基准底座上，主体支撑部件包括侧支架、左右支撑板和开设于侧支架上的滑道，滑道为用于纵向驱动装置端部的辅助滑动轮专用滑道，左支撑板和右支撑板均固定设置于侧支架的同侧。本发明可以针对10cm*15cm范围的节理表面进行高精度、高智能化快速的起伏形态数据采集，其结构简单、携带方便、对于测量区域的选择要求更低，可实现对控制范围内各个方向特征曲线的数据进行采集，最大程度的削弱了人为因素的影响，提高了现场数据采集工作的质量和效率。

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，具体的说是涉及一种为精确评价影响岩体稳定特性的节理面特征参数而应用于岩石工程中的节理表面起伏形态快速扫描设备及扫描方法。

背景技术

节理是广泛存在于地壳岩石中的一种十分复杂的地质结构，由于节理的强度和刚度大大低于完整岩石，因此工程岩体的强度和稳定性主要取决于节理的方位和力学性质。在过去的几十年中人们进行了大量节理力学行为的研究，取得了很多十分有价值的研究成果，但仍然不能满足工程设计的需要。众所周知，节理粗糙度和节理表面形态是影响节理力学行为的重要参数，而且很多物理力学现象如摩擦、磨损、剪切破坏等都取决于节理的表面形态，因此如何测试和定量描述节理表面形态是一个十分重要的研究课题。

有关节理粗糙度特征的研究最具代表性的是Barton等人从工程角度出发提出的描述节理粗糙度的综合参数，而粗糙度系数J作为其中的一个指标直到今天仍被广泛应用于工程实际，其主要的测试方法之一便是将实际的节理剖面线与标准曲线进行比较，然后取值。随着岩石力学研究的发展，针对节理粗糙度的取值进入了理论研究阶段，其中包括第一种Tse&Cruden提出的表面粗糙度参数法，该方法用结构面表面轮廓均方根Z或均方根偏距SF来估算JRC；第二种就是Turk&Dreman提出的直接测量法，该方法首先以轮廓曲线直线长度和迹线长度的比值定义结构面起伏角余弦函数，然后在此基础之上建立粗糙度与结构面起伏角的函数关系；第三种是王岐提出的伸长率法，定义剖面迹线长度与直线长度的差值所占剖面直线长度的比值为伸长率，建立了粗糙度与伸长率间的函数关系；第四种是谢和平等研究人员利用节理粗糙度曲线的自相似性建立了节理剖面的广义分形模型，该模型根据节理凸起体的平均基底长度L和平均高度h两种参数直接得到节理剖面的分维数，并最终建立了JRC与分维D之间的函数关系；第五种是Barton&Chouby根据200多组结构面统计分析确定了节理粗糙度与节理剖面最大起伏度和取样长度之间的函数关系，并用图解的方式进行了表达。

以上这些针对节理粗糙度的研究为我们准确评价岩体特性提供了理论支撑，然而不难发现，任何一种理论方法的诞生都首先以节理粗糙度曲线为研究对象，准确获取能够描述节理特性的起伏特征直接决定了理论研究成果的可靠性。基于此，国内外学者提出了多种节理粗糙度曲线的采集设备，其中包括Hass等人提出的表面轮廓记录仪，该仪器可绘制长61cm的水平节理表面轮廓曲线，精度高、曲线连续、绘制速度快，但试件要求加工需严格按照比例安装，因而限制了操作速度并且只适用于室内测量；Stimpson研制的轮廓尺和模型模子将170根等长的针夹于一个长形夹子内组成一个平面并垂直放置于基准面水平的节理表面，将沿节理表面起伏而自由升降形成的针上端起伏轮廓以喷漆或喷墨记录于背景的绘图纸上，从而得到节理表面轮廓曲线，该装置的测量精度和长度受限于针的直径和数目，而且只能绘制水平节理面的轮廓；夏才初等人提出的RSP-1型智能岩石表面形貌仪将机械、控制、测试和数据处理四个部分合为一体，在绘制轮廓曲线的同时，求得表面形貌特征参数，测量精度高，但是这种智能岩石表面形貌仪只适用于实验室节理粗糙度的测量；杜时贵等研究人员提出的轮廓曲线仪利用滑块在滑轨上滑动过程中的升降将节理粗糙度曲线的起伏状态连续的反映到绘图板上，该装置重量轻、体积小、携带方便，但测量精度较低，测量过程受人为因素的影响偶然性较大。