專利名稱：孔板式巖石表面粗糙度機(jī)械量測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石表面粗糙度的量測(cè)方法，尤其涉及一種機(jī)械量測(cè)方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于現(xiàn)代巖石工程來(lái)說(shuō)，巖石表面的粗糙度是科學(xué)研究者、工程設(shè)計(jì)和 施工者所關(guān)心的一大問(wèn)題。巖石表面的粗糙度與巖石的風(fēng)化程度和抗剪強(qiáng)度 等課題的研究有直接關(guān)系。前者對(duì)描述和預(yù)測(cè)巖石的風(fēng)化速度有直接作用， 對(duì)地貌學(xué)的研究具有重要意義，而后者涉及到該處巖石表面當(dāng)前具有的強(qiáng)度， 可用于抗剪強(qiáng)度的理論預(yù)測(cè)。對(duì)于古代巖石工程來(lái)說(shuō)，上述巖石表面的風(fēng)化
題。所以，巖石表面粗糙度的測(cè)定具有重要的實(shí)用價(jià)值。以下就國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有 技術(shù)及它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。 1、電子卡尺量測(cè)法
Cooke、 McNeill和Wells等利用靈敏度為O. Ol咖電子卡尺量測(cè)墓碑的風(fēng)化 深度。每隔20xlG mni測(cè)一個(gè)點(diǎn)。該量測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，但不足之處 至少有兩點(diǎn)第一，盡管儀器的靈敏度較高，但由于該種量測(cè)方法沒(méi)有精度 很高的相對(duì)平面作為量測(cè)基準(zhǔn)(僅以墓碑面的本身作為量測(cè)基準(zhǔn))，所以根 據(jù)申請(qǐng)者的經(jīng)驗(yàn)，量測(cè)精度大概不高于O. 2mm;第二，雖然每隔20xl0鵬測(cè) 一個(gè)點(diǎn)，但沒(méi)有設(shè)置可較精確地限制電子卡尺在平面上發(fā)生前后左右移動(dòng)的 專門裝置，因此測(cè)點(diǎn)在平面位置上的定位存在著較大誤差。2、 工程量規(guī)測(cè)量法
Wi 11 iams曾利用靈敏度為0. lmm的工程量規(guī)測(cè)量墓碑的風(fēng)化深度。這種方 法的優(yōu)勢(shì)也是實(shí)用方便，但仍存在著與上述電子卡尺量測(cè)法的類似問(wèn)題，只 是它的精度低。雖然有關(guān)資料僅給出工程量規(guī)的靈敏度而未給出實(shí)際量測(cè)精 度，但估計(jì)它的精度大概不高于O. 5鵬。
3、 軟材料壓模量測(cè)方法
楊志法等提出利用橡皮泥摻加石膏等作為印模來(lái)量測(cè)巖石表面粗糙度的 一種方法。關(guān)于它的精度，曾經(jīng)針對(duì)某一部位專門進(jìn)行了106次重復(fù)試驗(yàn)。結(jié) 果表明該點(diǎn)粗糙度的平均值為5. lmm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為O. 293mm。該種方法的優(yōu)勢(shì) 是實(shí)用方便，且具有一定的精度，但問(wèn)題是它難以量測(cè)具有較大范圍或較大 起伏差的巖石表面。例如，當(dāng)被測(cè)對(duì)象的尺寸大于300mm或起伏差大于30mm 時(shí)，操作就十分困難。
4、 橫條孔式鋼針量測(cè)法
Sancho等專門設(shè)計(jì)了一種可以移動(dòng)的儀器用于測(cè)量西班牙某砂巖的表面 粗糙度，如圖6所示。為了準(zhǔn)確地確定測(cè)點(diǎn)在被測(cè)平面上的位置，在豎直支架 上安裝了6根處于同一平面上的橫條，并由各橫條的外表面組成一個(gè)相對(duì)平 面。在每根橫條中平均分布10個(gè)測(cè)孔，孔間距為50mm,覆蓋面積為0. 165m2。 測(cè)量時(shí)，將帶有刻度的鋼針垂直插入孔中，以量測(cè)各橫條上表面到鋼針頂端 所觸及的被測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)距離。再根據(jù)各測(cè)孔在平面上的相對(duì)位置，就可 以由各測(cè)孔所測(cè)到的相對(duì)距離繪制出被測(cè)巖石表面的粗糙度，為風(fēng)化深度的 確定提供依據(jù)。因?yàn)闇y(cè)讀工具為鋼針，其靈敏度較低，為lnim。 Takahashi和 Mo 11 er shead等也使用大體相同的方法分別測(cè)量了某橋墩和某石質(zhì)文物的風(fēng)
化深度。
對(duì)于這種量測(cè)方法來(lái)說(shuō)，優(yōu)點(diǎn)是直觀、方便，但其不足之處有四點(diǎn)第 一，鋼針量測(cè)精度偏低，肯定低于其靈敏度lmm。對(duì)于表面粗糙度較小的巖石， 有進(jìn)一步提高測(cè)量精度的必要。第二，因橫條中測(cè)孔之間的孔距較大(為5Omm )即測(cè)孔密度較小而影響被測(cè)表面粗糙度的精度；第三，將多根橫條安裝于同
一平面并不容易，使量測(cè)時(shí)間變的更長(zhǎng)；第四，從圖6還可看出，在安裝橫條 及使用鋼針測(cè)讀時(shí)存在著對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生不同程度損壞的可能性。 5、激光掃描量測(cè)方法
Swantesson曾利用激光掃描量測(cè)巖石表面的風(fēng)化深度。周宏偉等也利用 類似裝置量測(cè)巖石表面的粗糙度，其靈敏度和精度分別達(dá)到O. 0075mm和 0. Olram?？闪繙y(cè)的面積為160xl60ram。就此類^f義器而i侖，其優(yōu)勢(shì)是量測(cè)精度 高，數(shù)據(jù)處理方便等，但最大的問(wèn)題是難以在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地量測(cè)。另外， 所用的儀器設(shè)備也比其他方法貴。
由以上分析可以看出，可用于野外的巖石表面粗糙度量測(cè)儀器的精度較 低，且被量測(cè)點(diǎn)平面位置的定位存在著較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于巖石表面粗糙度量測(cè)的各種需要，且目前所用的現(xiàn)有方法又因存在 著某些不足而阻礙了實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明專利請(qǐng)求書(shū)提出了孔板式巖石表面粗 糙度機(jī)械量測(cè)儀的量測(cè)方法。該方法包括利用保護(hù)框或接板等固定具有孔 群分布的透明測(cè)板；將帶有測(cè)托的百分表的測(cè)桿依次插入分布在透明測(cè)板上 的測(cè)孔內(nèi)，讓測(cè)托的下底面緊貼透明測(cè)板上表面，測(cè)頭頂緊被測(cè)物體表面的 某點(diǎn)；百分表表盤(pán)上的數(shù)值即為透明測(cè)板的上表面到被測(cè)物體表面某點(diǎn)之間 的相對(duì)距離。
本發(fā)明是針對(duì)巖石表面粗糙度的量測(cè)而提出的 一 項(xiàng)專門量測(cè)方法，與說(shuō) 明書(shū)中所述的5種國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)量測(cè)精度較高
關(guān)于新提出技術(shù)的量測(cè)精度問(wèn)題，申請(qǐng)者在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了以下試驗(yàn)以厚 度、長(zhǎng)度和寬度分別為5mm、 326薩和270腿的玻璃制作透明測(cè)板，并利用保護(hù)框和接板按圖4所示的測(cè)量方式固定透明測(cè)板。在相同的溫度條件下對(duì)某 一特 定測(cè)孔和特定點(diǎn)進(jìn)行多達(dá)120次的重復(fù)性試驗(yàn)。按照以下公式對(duì)各次試驗(yàn)的數(shù)
據(jù)進(jìn)行分析
其中，2為各測(cè)值的平均值；n為同一測(cè)點(diǎn)量測(cè)的次數(shù)；A為量測(cè)的標(biāo)準(zhǔn) 偏差。據(jù)式(1)和式(2),計(jì)算得到=38. 95mm, A = 0. 0143隱。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為本項(xiàng)技術(shù)的測(cè)量精度為O. 0143fflm，高于上述方法1-4
的精度。
(2 )測(cè)點(diǎn)在被量測(cè)表面上的定位較為準(zhǔn)確。透明測(cè)板被保護(hù)框緊緊固定， 各個(gè)測(cè)孔在透明測(cè)^反上的位置也不變，百分表的測(cè)^f干剛好力文進(jìn)測(cè)孔而不能移 動(dòng)。由此可見(jiàn)，被測(cè)點(diǎn)的定位精度肯定高于方法l-4。
(3) 就現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的適應(yīng)能力而論，方法5即實(shí)驗(yàn)室激光掃描儀為最低。 另外，其儀器設(shè)備的價(jià)格也最昂貴。相比而言，本發(fā)明儀器的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力 較強(qiáng)，的造價(jià)等也較低。
(4 )與方法4相比，本發(fā)明的測(cè)點(diǎn)密度較高。測(cè)孔之間的距離應(yīng)該可以 達(dá)到15xl5mm,或者更小。


圖l是巖石表面粗糙度測(cè)量的儀器和測(cè)量方法示意圖。
圖2是透明測(cè)板與保護(hù)框的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是用于本儀器的百分表的改裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是被測(cè)物體豎直放置時(shí)的 一 種測(cè)量方式示意圖示例1 。
j = X J,. / w
6圖5是被測(cè)物體豎直放置時(shí)的一種測(cè)量方式示意圖示例2, 圖6是國(guó)外一種橫條孔式移動(dòng)鋼針量測(cè)法示意圖。 其中附圖標(biāo)記iJL明
1-測(cè)頭 4一測(cè)托 7-測(cè)孔
10-上層保護(hù)框 13-螺栓 16-膠
19-被測(cè)物體表面 22-直角接板
2-接桿
5-百分表
8-螺帽
11-中層保護(hù)框 14-框-板接頭 17-軸頸 20-直立墻
3-測(cè)桿
6-透明測(cè)板
9-墊圏
12-下層保護(hù)框 15-百分表表盤(pán) 18-墊塊 21-條形接板
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了 一種巖石表面粗糙度的量測(cè)方法。該發(fā)明主要包括具有孔 群分布的透明測(cè)板6、三層保護(hù)框10-12、條形接板21、直角接板22、框-板接 頭14和帶有接桿2及測(cè)托4的百分表5 。下面參照?qǐng)D1-圖5并按照實(shí)施例的制作 及測(cè)量過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明該發(fā)明的測(cè)量方式。
一般情況下，透明測(cè)板的長(zhǎng)度和寬度等于(或稍稍小于)中層保護(hù)框ll 中空部分的長(zhǎng)度和寬度，而大于上、下層保護(hù)框10和12中空部分的長(zhǎng)度和寬 度，并且其厚度等于(或稍稍小于)中層保護(hù)框ll的厚度，所以透明測(cè)板6 可被上、中、下三層保護(hù)框10-12完全固定。保護(hù)框10-12同時(shí)也對(duì)透明測(cè)板6 起到保護(hù)作用。
對(duì)所購(gòu)買的現(xiàn)有量程為30mm或50mm的百分表5進(jìn)行了改造(圖3):為了 進(jìn)一步提高儀器的量測(cè)精度，利用膠16將不銹鋼測(cè)托4固定在百分表的軸頸17 的一部分長(zhǎng)度(圖3中的a)上，并使它的其余部分(圖3中的b)外露；為了擴(kuò)大量程，在百分表的測(cè)桿3與測(cè)頭1之間加 一根或兩根接桿2 ,接桿2與測(cè)桿3 和測(cè)頭l之間用螺紋壓緊的方式連接，保證每次連接相同。
該發(fā)明的安裝過(guò)程主要包括將具有孔群分布的透明測(cè)板6放置于中層保 護(hù)框ll的中空部分，利用上、下層保護(hù)框10和12夾緊中層保護(hù)框11及透明測(cè) 板6。將三層保護(hù)框10-12中相應(yīng)的螺栓孔一一對(duì)齊，將螺栓ll穿過(guò)已對(duì)齊的 螺栓孔以連接三層保護(hù)框10-12，安裝螺帽8和墊圈9緊固后即可將三層保護(hù)框 10-12及透明測(cè)板6固定。如果測(cè)量時(shí)需要條形接板21或直角接板22,則可以 通過(guò)框-板接頭14將接板和保護(hù)框連接起來(lái)，連接材料仍使用螺栓11和螺帽8 、 墊圈9。 一般情況下，框-板接頭14與中層保護(hù)框ll相連。
測(cè)量時(shí)，將帶有測(cè)托4的百分表的測(cè)桿3連同與之相連的測(cè)頭1 (并根據(jù)需 要決定是否連接接桿2 )—起插入分布在透明測(cè)板6的某個(gè)測(cè)孔7中，使軸頸的 外露部分(圖3中的b )也插入該測(cè)孔，分別使測(cè)托4的下表面貼緊透明測(cè)板6 的上表面，測(cè)頭l頂緊被測(cè)巖石的某點(diǎn)。在這種狀態(tài)下，從百分表的表盤(pán)15 讀取的數(shù)據(jù)即為透明測(cè)板的上表面到被測(cè)物體某點(diǎn)之間的相對(duì)距離。如此， 依次量測(cè)每 一 個(gè)測(cè)孔，可測(cè)讀 一 組數(shù)據(jù)。
利用專門的計(jì)算機(jī)軟件可將各測(cè)孔逐一所測(cè)的數(shù)據(jù)繪制成被測(cè)巖石表面 的三維粗糙度及各所需剖面上的粗糙度。
根據(jù)被測(cè)物體的擺放方式的不同，本發(fā)明的測(cè)量方式一般可分為兩種情
況
1、對(duì)于被測(cè)表面基本朝上的巖塊，則按圖l所示的方法進(jìn)行表面粗糙度 量測(cè)將連接好的儀器支撐在被測(cè)巖塊表面(圖l中的巖塊未標(biāo)出)的上方， 使兩者相距10-10Omm。才艮據(jù):故測(cè)物體的大小和透明測(cè)^反6與#皮測(cè)物體之間的距 離來(lái)選擇合適的螺栓13的長(zhǎng)度。如果被測(cè)物體的表面不是水平的，而稍有傾 斜，則調(diào)節(jié)各個(gè)螺栓13在保護(hù)框上部和下部的長(zhǎng)度使透明測(cè)板6與被測(cè)物體表 面保持平行。然后，按照上述測(cè)量方式測(cè)量即可。此時(shí)， 一般不需要接板21 和22。2、如果被測(cè)的巖石表面不朝上，例如被測(cè)巖石表面是垂直的且不允許取 樣測(cè)試(見(jiàn)圖4和圖5)，則可根據(jù)需要，采用不同的輔助零件連接所需要的
試馬全方式。例如
(1 )對(duì)于圖4所示位于現(xiàn)場(chǎng)的此類垂直被測(cè)表面，將透明測(cè)板6與其保護(hù)框 10-12固定，然后利用框-板接頭14將保護(hù)框10-12與條形接板21或直角接板2 2 連接起來(lái)(如圖4所示)。通過(guò)選擇不同高度的條形接板21或直角接板22來(lái)調(diào) 節(jié)測(cè)孔距地面的高度，以達(dá)到所需的測(cè)量高度。然后，按照上述測(cè)量方式測(cè) 量即可。
本發(fā)明實(shí)施例以圖4所示的方式測(cè)量了某石質(zhì)墻基的風(fēng)化深度。其中的透 明測(cè)板6用長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為326mm和270mm和5mm的玻璃制造，其上按
照縱橫呈格的方式分布有 一 系列直徑為腿的測(cè)孔組成的孔群。各孔中心
之間的距離為28mm。通過(guò)對(duì)某一特定測(cè)點(diǎn)進(jìn)行120次的重復(fù)測(cè)量，得到其量測(cè) 精度可達(dá)O. 0143fflffl (其平均值為38. 95mm),具有較高的量測(cè)精度。
(2)對(duì)于圖3所示位于現(xiàn)場(chǎng)的垂直被測(cè)表面據(jù)地面的高度較小，如果加上 接板21或22，則有效測(cè)量高度將減小。為防止"漏測(cè)"靠近地面的被測(cè)物體 的表面，此時(shí)可以不^/吏用保護(hù)框10-12和接板20或22,直接將4根螺栓13插入 透明測(cè)板6最邊緣的四個(gè)測(cè)孔7中，利用4對(duì)螺帽8、墊圈9及2塊墊塊18等輔助 零件將螺栓13和透明測(cè)板6固定(如圖5所示)?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整螺栓13的長(zhǎng)度來(lái) 調(diào)整透明測(cè)板6與被測(cè)物體表面19的距離。同樣，測(cè)量時(shí)也按照上述測(cè)量方式。 本發(fā)明具有量測(cè)精度高，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)點(diǎn)定位準(zhǔn)確及測(cè)點(diǎn)密度較 高等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種可用于巖石表面粗糙度量測(cè)的機(jī)械式裝置。量測(cè)方法包括利用保護(hù)框等固定具有孔群分布的透明測(cè)板；將帶有測(cè)托的百分表的測(cè)桿依次插入透明測(cè)板的測(cè)孔內(nèi)，讓測(cè)托的下底面緊貼透明測(cè)板的上表面，測(cè)頭頂緊被測(cè)物體表面的某點(diǎn)；百分表表盤(pán)上的數(shù)值即為透明測(cè)板的上表面到被測(cè)物體表面某點(diǎn)之間的相對(duì)距離。
2、 如權(quán)利要求1所述的用于量測(cè)粗糙度的具有孔群分布的透明測(cè)板，其 特征在于 一切具有足夠抗彎強(qiáng)度的有一定厚度玻璃板，并以保護(hù)框加以保 護(hù)。該測(cè)板按方格形式布有許多測(cè)孔。由于該測(cè)板是透明的，所以在測(cè)量同 時(shí)可以隔著面板清楚地觀察到或拍攝到被測(cè)各點(diǎn)的局部形狀和大小，為數(shù)據(jù) 的解釋提供依據(jù)。當(dāng)測(cè)孔分布較疏時(shí)也可改用有機(jī)玻璃板制造上述透明測(cè)板。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有測(cè)托和接桿的百分表，其特征在于測(cè)托具 有一個(gè)與測(cè)桿垂直的下表面。當(dāng)測(cè)桿垂直插入透明測(cè)才反的某一測(cè)孔時(shí)，測(cè)4乇 的下表面將與透明測(cè)板的上表面重合。接桿可以增大百分表的量程，即當(dāng)測(cè) 托下表面到被測(cè)表面某點(diǎn)之間的距離較大時(shí)也可以量測(cè)。
4、 如權(quán)利要求1所述，當(dāng)被測(cè)對(duì)象處于水平或接近水平的位置時(shí)，可采 用圖l所示的方法進(jìn)行；但當(dāng)被測(cè)對(duì)象處于垂直位置或其他復(fù)雜位置時(shí)(例 如對(duì)于如圖4所示的用于垂直放置的被測(cè)物體來(lái)說(shuō))，需要采用條形接板和 直角接板等零件。其特征在于用螺栓、螺帽和墊圈將它們與保護(hù)框和透明 測(cè)板連接成所需要的形狀及量測(cè)高度。
5、 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)框?yàn)?回"字型(中間部分為空)，分為上、 中、下三層，保護(hù)框的四周設(shè)有螺栓孔。中層保護(hù)框與透明測(cè)板的厚度相等， 其中空部分剛好放進(jìn)透明測(cè)板(或稍稍大于透明測(cè)板的尺寸)，然后利用螺 栓等即可固定上、中、下層保護(hù)框及透明測(cè)板。另外，保護(hù)框上還可設(shè)置用 于連接條形接板或直角接板的框-板接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于巖石表面粗糙度量測(cè)的方法。量測(cè)是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的借助于保護(hù)框、接板等輔助零件將一塊按一定方式布滿測(cè)孔的透明測(cè)板固定在離被測(cè)對(duì)象表面一定距離的位置上，透明測(cè)板作為量測(cè)的相對(duì)平面；將帶有測(cè)托的百分表的測(cè)桿依次插入透明測(cè)板的測(cè)孔中，使固定在百分表軸頸上的測(cè)托壓緊透明測(cè)板，并令百分表的測(cè)頭頂緊被測(cè)對(duì)象表面的某點(diǎn)，所測(cè)的讀數(shù)即為從透明測(cè)板到被測(cè)某點(diǎn)的相對(duì)距離；借助于計(jì)算機(jī)可利用各測(cè)孔中得到的相對(duì)距離繪制出被測(cè)對(duì)象的粗糙度三維圖和沿著某些剖面切出的粗糙度剖面圖。本發(fā)明具有量測(cè)精度高，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)點(diǎn)定位準(zhǔn)確及測(cè)點(diǎn)密度較高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B5/28GK101514885SQ20091013142
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者燕 付, 劉恩聰, 張中儉, 張路青, 楊志法 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所