CN105486250A - 一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法，包括支架结构、导轨结构、激光扫描装置。所述支架结构包括四个独立支架，每一个独立支架由承载架、伸缩式组合杆、底杆依次连接构成。所述导轨结构包括四根圆筒导轨、两根条状导轨、滑动底座，所述圆筒导轨上开设有定位孔，所述条状导轨上部连接有细齿链条，条状导轨下部设有滑轮导槽。所述激光扫描装置包括激光测距设备，激光测距设备位于滑槽内，激光测距设备通过链条连接正反转电机，正反转电机用于驱动激光测距设备沿滑槽往返运动，驱动电机用于驱动激光扫描装置在条状导轨上运动。本发明可以扫描并记录野外大型结构面的详细数据，进而对结构面的表面形态和立体形态进行模拟重建，为岩体工程开挖稳定性模拟和滑坡稳定性模拟计算提供更精确的参数。

Description

一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程中的岩石力学试验领域，具体涉及一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法。

背景技术

随着我国水电工程和道路桥梁工程大量建设，对施工开挖过程中岩体的稳定性提出了较高要求；同时我国也存在大量不稳定边坡和库岸，对于这些不稳定边坡和库岸的稳定性分析是目前边坡工程研究的核心问题。一般认为，工程岩体稳定主要取决于岩体中结构弱面的发育状况，因此在各类岩体工程稳定研究中，尤其是在岩坡稳定性分析中，岩体结构面抗剪强度是一项极为重要的力学参数。

式中：是结构面摩擦角，i是突起体起伏角。

由于实际结构面大多数凹凸不平，起伏角变化较大而非常数，且研究表明Patton起伏角i在不同正应力下力学效应不同，所以Barton又据试验提出了一个新的不规则岩体结构面抗剪强度经验公式:

式中：τ是峰值强度，σ是有效法应力，JRC(JointRoughnessCoefficient)是粗糙度系数，JCS是弱面壁抗压强度，是基本摩擦角。

(2)式中的参数JCS的确定和量测技术均较成熟和方便，而JRC的量测则是较复杂和困难。这是因为结构面粗糙起伏特征***，难以用简单数学关系式准确表达。然而JRC却是影响岩体结构面抗剪强度估算精度的重要参数。因此在运用Barton准则时，如何准确量测确定JRC就成为一个重要的关键问题。

发明内容

为了解决这个问题以满足实际工程的需求，本发明在结合野外复杂地形条件的基础上，提供了一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法，可以扫描并记录野外大型结构面的详细数据，进而对结构面的表面形态和立体形态进行模拟重建，为岩体工程开挖稳定性模拟和滑坡稳定性模拟计算提供更精确的参数。

本发明所采用的技术方案是：

一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，包括支架结构、导轨结构、激光扫描装置。所述支架结构包括四个独立支架，每一个独立支架由承载架、伸缩式组合杆、底杆依次连接构成。所述导轨结构包括四根圆筒导轨、两根条状导轨、滑动底座，所述圆筒导轨上开设有定位孔，所述条状导轨上部连接有细齿链条，条状导轨下部设有滑轮导槽。

所述激光扫描装置包括激光测距设备、驱动电机、驱动齿轮、正反转电机、总控设备、滑槽。激光测距设备位于滑槽内，激光测距设备通过链条连接正反转电机，正反转电机用于驱动激光测距设备沿滑槽往返运动，驱动电机用于驱动激光扫描装置在条状导轨上运动，所述驱动电机、正反转电机均连接总控设备。

滑动底座内设有滚珠，所述圆筒导轨通过滚珠与滑动底座滑动装配，滑动底座外侧设有紧固螺栓，紧固螺栓用于穿过定位孔将圆筒导轨固定；滑动底座上部固定有条状导轨。细齿链条与激光扫描装置的驱动齿轮嵌合，防护支架与滑轮导槽配合安装。

所述防护支架通过螺栓固定在激光扫描装置上。

所述条状导轨两端设有螺孔。

所述总控设备设有控制信号接收器。

一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描方法，包括以下步骤：

步骤1：把激光扫描装置放在带有细齿链带的条状导轨上，并用螺栓把防护支架固定到激光扫描装置上，以防止激光扫描装置4倾翻；

步骤2：通过总控设备把激光测距设备设为每间隔1/4秒测量一次，并把正反转电机的速度设为4cm/s，当沿滑槽测完一个行程后，暂停2秒，然后返回，回到起点时，再次暂停2秒，以此类推；

步骤3：通过总控设备控制驱动电机使激光扫描装置每间隔7秒以1cm/s的速度前进2cm；步骤4：启动激光扫描装置进行扫描测量，当激光扫描装置运动到条状导轨的末端时，松开滑动底座中的紧固螺栓，分别把条状导轨移动到对应第二个定位孔、第三个定位孔处固定起来，然后再次启动激光扫描装置进行扫描测量；

重复以上步骤，直至完成扫描。

步骤1、步骤2中的时间参数和速度参数均以行程长度为基础，通过这种设定，确保激光测距设备运行时，激光扫描装置是静止的，保证了测量的精度。

本发明一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置及方法，技术效果如下：

1)、有效地解决了野外大型结构面的描绘难题，能够提供更加精确可靠的结构面表面形态数据，进而优化边坡与库岸安全防护的分析和预测结果；

2)、采用激光测距设备既实现了结构面表面形态数据的自动化测量，也提高了测量效率和数据的精度；

3)、具有结构简单、易操作、自动化程度高、适应野外多种结构面等特点；能够实现高精度地扫描结构面表面形态，可为研究岩体破坏机理和岩质滑坡稳定性模拟计算提供更加精确的数据。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的圆筒导轨示意图；

图3为本发明的导轨连接示意图；

图4为本发明的激光扫描装置正视图；

图5为本发明的激光扫描装置内部结构俯视图；

图6为本发明的支架结构组装示意图；

图7为本发明的条状导轨示意图。

其中：1-独立支架；2-条状导轨；3-圆筒导轨；4-激光扫描装置；5-扫描轨迹；6-定位孔；7-滑轮导槽；8-细齿链带；9-滑动底座；10-滚珠；11-紧固螺栓；12-控制信号接收器；13-总控设备；14-蓄电池；15-激光测距设备；16-齿轮；17-驱动杆；18-驱动电机；19-正反转电机；20-链条；21-螺栓；22-防护支架；23-驱动齿轮；24-滑轮；25-滑槽；26-环形卡扣；27-承载架；28-伸缩式组合杆；29-螺孔；30-底杆。

具体实施方式

如图1～图7所示，一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，包括支架结构、导轨结构、激光扫描装置。所述支架结构包由高强度钢材制成，包括四个独立支架1，每一个独立支架1由承载架27、伸缩式组合杆28、底杆30依次连接构成。伸缩式组合杆28用于调节各个独立支架1的高度，以保证四个独立支架1的顶部位于同一个斜平面内。

所述导轨结构包括四根直径50mm的圆筒导轨3、两根条状导轨2、滑动底座9，所述圆筒导轨3上开设有7个定位孔6，相邻定位孔间隔30cm。所述条状导轨2上部焊接一层细齿链条8，条状导轨2下部设有滑轮导槽7；所述条状导轨2两端各设有两个螺孔。

所述激光扫描装置4包括激光测距设备15、驱动电机18、驱动齿轮23、正反转电机19、总控设备13、滑槽25、蓄电池14。激光测距设备15位于滑槽25内，激光测距设备15通过链条20连接正反转电机19，正反转电机19用于驱动激光测距设备15沿滑槽25往返运动，并可通过总控设备13设置转速，转向和启动时间。驱动电机18用于驱动激光扫描装置4在条状导轨2上运动，所述驱动电机18、正反转电机19均连接总控设备13；

滑动底座9内设有滚珠10，所述圆筒导轨3通过滚珠10与滑动底座9滑动装配，滑动底座9外侧设有紧固螺栓11，紧固螺栓11用于穿过定位孔6将圆筒导轨3固定；滑动底座9上部有螺孔可固定有条状导轨2。

细齿链条8与激光扫描装置4的驱动齿轮23嵌合，以实现激光扫描装置4精细平稳地运行。防护支架22与滑轮导槽7配合安装，防止激光扫描装置4在运行中倾翻。

所述防护支架22通过螺栓21固定在激光扫描装置4上。

所述总控设备13设有控制信号接收器12。

所述激光测距设备15参照博世GLM7000型激光测距仪进行定制，可实现：测量范围0.05-1m，测量精度±1mm，可由总控设备13设置测量频率和测量间隔。

一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描方法，包括以下步骤：

准备步骤：

首先把底杆30固定到结构面上，然后用螺栓把伸缩式组合杆28与底杆30组合，分别调节独立支架1中的伸缩式组合杆28，使其顶部均在平行结构面的斜平面上，最后把承载架27分别卡入伸缩式组合杆28中。

在每根圆筒导轨3上装配两个滑动底座9，然后通过承载架27上的环形卡扣26把四根圆筒导轨3固定在独立支架1上。

把每根圆筒导轨3上的两个滑动底座9分别对应圆筒导轨3的第一个定位孔、第二个定位孔用紧固螺栓11固定起来。用紧固螺栓11把条状导轨2与已固定的滑动底座9固定在一起。

实施步骤：

步骤1：把激光扫描装置4放在带有细齿链带8的条状导轨2上，并用螺栓21把防护支架22固定到激光扫描装置4上，以防止激光扫描装置4倾翻；

步骤2：通过总控设备13把激光测距设备15设为每间隔1/4秒测量一次，并把正反转电机19的速度设为4cm/s，当沿滑槽25测完一个行程后，暂停2秒，然后返回，回到起点时，再次暂停2秒，以此类推；

步骤3：通过总控设备13控制驱动电机18使激光扫描装置4每间隔7秒以1cm/s的速度前进2cm；

步骤4：启动激光扫描装置4进行扫描测量，当激光扫描装置4运动到条状导轨2的末端时，松开滑动底座9中的紧固螺栓11，分别把条状导轨2移动到对应第二个定位孔、第三个定位孔处固定起来，然后再次启动激光扫描装置4进行扫描测量；

重复以上步骤，直至完成扫描。

步骤1、步骤2中的时间参数和速度参数均以行程长度28cm为基础，通过这种设定，确保激光测距设备15运行时，激光扫描装置4是静止的，保证了测量的精度。

在总控设备13中置有控制信号接收器12，也可通过遥控器对激光扫描装置4进行控制。通过以上实施例可以看出，本发明是一种结构简单-适应性强-测量精度高的结构面扫描装置；能够很好地实现对野外大型结构面表面形态数据的测量和收集。

Claims (7)

1.一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，包括支架结构、导轨结构、激光扫描装置，其特征在于，所述支架结构包括四个独立支架（1），每一个独立支架（1）由承载架（27）、伸缩式组合杆（28）、底杆（30）依次连接构成；

所述导轨结构包括四根圆筒导轨（3）、两根条状导轨（2）、滑动底座（9），所述圆筒导轨（3）上开设有定位孔（6），所述条状导轨（2）上部连接有细齿链条（8），条状导轨（2）下部设有滑轮导槽（7）；

所述激光扫描装置（4）包括激光测距设备（15）、驱动电机（18）、驱动齿轮（23）、正反转电机（19）、总控设备（13）、滑槽（25）；激光测距设备（15）位于滑槽（25）内，激光测距设备（15）通过链条（20）连接正反转电机（19），正反转电机（19）用于驱动激光测距设备（15）沿滑槽（25）往返运动，驱动电机（18）用于驱动激光扫描装置（4）在条状导轨（2）上运动，所述驱动电机（18）、正反转电机（19）均连接总控设备（13）；

滑动底座（9）内设有滚珠（10），所述圆筒导轨（3）通过滚珠（10）与滑动底座（9）滑动装配，滑动底座（9）外侧设有紧固螺栓（11），紧固螺栓（11）用于穿过定位孔（6）将圆筒导轨（3）固定；滑动底座（9）上部固定有条状导轨（2）；

细齿链条（8）与激光扫描装置（4）的驱动齿轮（23）嵌合，防护支架（22）与滑轮导槽（7）配合安装。

2.根据权利要求1所述一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，其特征在于，所述防护支架（22）通过螺栓（21）固定在激光扫描装置（4）上。

3.根据权利要求1所述一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，其特征在于，所述条状导轨（2）两端设有螺孔。

4.根据权利要求1所述一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，其特征在于，所述总控设备（13）设有控制信号接收器（12）。

5.一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：把激光扫描装置（4）放在带有细齿链带（8）的条状导轨（2）上，并用螺栓（21）把防护支架（22）固定到激光扫描装置（4）上，以防止激光扫描装置（4）倾翻；

步骤2：通过总控设备（13）把激光测距设备（15）设为每间隔1/4秒测量一次，并把正反转电机（19）的速度设为4cm/s，当沿滑槽（25）测完一个行程后，暂停2秒，然后返回，回到起点时，再次暂停2秒，以此类推；

步骤3：通过总控设备（13）控制驱动电机（18）使激光扫描装置（4）每间隔7秒以1cm/s的速度前进2cm；

步骤4：启动激光扫描装置（4）进行扫描测量，当激光扫描装置（4）运动到条状导轨2的末端时，松开滑动底座（9）中的紧固螺栓（11），分别把条状导轨（2）移动到对应第二个定位孔、第三个定位孔处固定起来，然后再次启动激光扫描装置（4）进行扫描测量；

重复以上步骤，直至完成扫描。

6.根据权利要求5所述一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描方法，其特征在于，步骤1、步骤2中的时间参数和速度参数均以行程长度为基础，通过这种设定，确保激光测距设备（15）运行时，激光扫描装置（4）是静止的。

7.如权利要求1~4所述任意一种描绘野外大型结构面表面形态的扫描装置，其特征在于，

应用于对野外大型结构面表面形态数据的测量和收集。