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】
[0001] 本发明设及±木工程中的岩石力学试验领域，具体设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】
[0002] 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，对于运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屯、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。
[000；3] τ '= σ 化打（(p:+i) (1;
[0004] 式中：Φ是结构面摩擦角，i是突起体起伏角。
[0005] 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，且研究表明化tton 起伏角i在不同正应力下力学效应不同，所WBadon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：
[0006] τ 二 σ tan [JRClog (JCS/ 0 ) + φ,，] (2)
[0007] 式中：τ是峰值强度，日是有效法应力，JRC(Joint Rou曲ness Coefficient)是粗糖 度系数，JCS是弱面壁抗压强度，φ'。是基本摩擦角。
[0008] (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。运是因为结构面粗糖起伏特征千变万化，难W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Badon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】
[0009] 为了解决运个问题W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W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。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：
[0011] -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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 所述防护支架通过螺栓固定在激光扫描装置上。
[0015] 所述条状导轨两端设有螺孔。
[0016] 所述总控设备设有控制信号接收器。
[0017] -种描绘野外大型结构面表面形态的扫描方法，包括W下步骤：
[0018] 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，W防止激光扫描装置4倾翻；
[0019] 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，W此类推；
[0020] 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Wlcm/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Ξ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；
[0021] 重复W上步骤，直至完成扫描。
[0022] 步骤1、步骤2中的时间参数和速度参数均W行程长度为基础，通过运种设定，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。
[0023] 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：
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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】
[0027] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：
[0028] 图1为本发明的整体示意图；
[0029] 图2为本发明的圆筒导轨示意图；
[0030] 图3为本发明的导轨连接示意图；
[0031 ]图4为本发明的激光扫描装置正视图；
[0032] 图5为本发明的激光扫描装置内部结构俯视图；
[0033] 图6为本发明的支架结构组装示意图；
[0034] 图7为本发明的条状导轨示意图。
[0035] 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】
[0036] 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，W保证四个独立支架1的顶部位于同一个斜平面内。
[0037] 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。
[0038] 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