用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置及其测量方法.pdf

本发明涉及用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置及其量测方法，该量测装置包括相互配合使用的测尺组件和百分表，百分表包括表盘、轴颈、测杆、测头，所述测头在最前端，测杆、轴颈、表盘依次向后，测尺组件包括两块测座群板、两块连接板和测尺，两块测座群板通过连接螺钉与两块连接板连接成长方形的测座框，所述连接板上开设连接孔，连接孔上通过垫块螺钉安装有可调垫块，所述测座群板上开设若干测座孔，测尺通过端头块体一端连接单圆珠脚，另一端连接双圆珠脚，单圆珠脚和双圆珠脚分别安装在两块测座群板的测座孔上，测尺上开设若干测孔，所述百分表的测头插入测孔中，使用上述量测装置的量测方法测点密度较高。

权利要求书
1.  一种用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，包括测尺组件和百分表，所述测尺组件和百分表相互配合使用，所述百分表包括表盘、轴颈、测杆、测头，所述测头在最前端，测杆、轴颈、表盘依次向后，其特征在于，所述测尺组件包括两块测座群板、两块连接板和测尺，两块测座群板通过连接螺钉与两块连接板连接成长方形的测座框，所述连接板上开设连接孔，所述连接孔上通过垫块螺钉安装有可调垫块，所述测座群板上开设若干测座孔，所述测尺通过端头块体一端连接单圆珠脚，另一端连接双圆珠脚，所述单圆珠脚和双圆珠脚分别安装在两块测座群板的测座孔上，所述测尺分为前面板和背面板，所述测尺上开设若干测孔，所述百分表的测头插入测孔中。

2.  根据权利要求1所述的用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，其特征在于，所述连接板上均匀开设三个连接孔，两块连接板上的连接孔的位置相对应。

3.  根据权利要求1所述的用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，其特征在于，所述可调垫块采用工程橡胶或木材制造。

4.  根据权利要求1或2或3所述的用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，其特征在于，所述轴颈的外表上固定测托，所述测头插入测孔中，且测托压紧测尺的背面板，所述测头和测杆之间连接若干连接杆，所述连接杆之间采用螺纹压紧的方式连接。

5.  根据权利要求1所述的用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，其特征在于，所述测尺组件还包括直立板，所述测座框与直立板相互螺接，所述直立板的下端与角板固定，所述角板与脚板固定，所述脚板的脚板孔中固定短杆，所述短杆固定在砂浆中。

6.  根据权利要求1所述用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置的测量方法，其特征在于，步骤一，将两块测座群板和两块连接板连接成长方形的测座框，并稳固地放置于待测的石质文物的岩面上，使测座框大致与待测岩面平行；步骤二，调节连接板下的可调垫块使测座框垫平垫稳；步骤三，将测尺的双圆珠脚和单圆珠脚分别放入在上述两块测座群板的3个测座孔上，把百分表的测头插入测尺的背面板的某个测孔中，使测托压紧在背面板上，而让测头顶在待测岩面上，从百分表的表盘上读取数据；步骤四，完成上述测量后，将测尺的双圆珠脚和单圆珠脚分别移到测座群板的另外3个测座孔上，然后重复步骤一至步骤三测得另一组数据，直至完成待测岩面的量测任务；步骤五，采用计算机或手工将上述数据作出有关三维图形和剖面图。

7.  根据权利要求6所述用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置的测量方法，其特征在于，步骤一中，若待测岩面为直立状态，还包括先选取长度合适的直立板，将之与上述长方形测座框固定在一起，将直立板的下部最终固定在地面中。

说明书用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种岩石表面风化剥落深度的量测方法，尤其涉及用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置及其测量方法。
背景技术
对于石质文物保护来说，其岩石表面因风化而产生的剥落现象是文物保护工作者和科学研究者等人所关心的一大问题。为了保护石质文物和研究石质文物的风化速度，他们不仅需要就石质文物岩石表面和其它需要量测的岩石表面发生风化之机理问题开展相关的研究，而且还需量测出石质文物岩石表面因风化而导致的剥落深度，以评价被测对象所遭受风化破坏的严重程度，并估测它的风化速度，为所施加的形成有效的保护措施提供科学依据。所以，有关石质文物岩石表面风化剥落深度的测定是十分重要的。以下将就国内外现有技术及它们的优缺点进行分析。
1．横条孔式钢针量测法
Sancho 等人为了测量西班牙某地砂岩风化引发的剥落深度，因而专门设计了一种利用分布测孔群的固定式横条进行量测的仪器（见图1）。具体方法是：在待测的垂直面前立两根互相平行的直立条，再在这两根直立条上安装了6根横条，使它们处于同一直立平面上，也即在上述6根横条的外表面组成了一个相对平面。另外在每根横条中都分布有十个测孔。各测孔间距为50mm。所用的60个测孔覆盖的面积为1650cm2。测量时，使用者将带有刻度的钢针垂直插入孔中，以量测各横条上表面到钢针顶端所触及的被测点之间的相对距离。再根据各测孔在平面上的相对位置，借助于计算机，就可以由各测孔所测到的相对距离绘制出被测岩石表面的三维风化剥落深度分布图，为进一步确定有关风化速度提供依据。另外，Takahashi和Mottershead等也是用大体相同的方法分别测量了某桥墩和某石质文物的风化剥落深度。
对于上述量测方法来说，其优点是直观、方便和造价低，但其不足之处至少有四点：首先，因为测读工具为钢针，所以它的量测精度较低，约为1mm。对于风化剥落深度量测，尤其对于那些风化速度较慢的岩石来说，该测量精度太低。其次，因横条中测孔之间的孔距较大（为50mm），也即测孔密度较小，而有可能使得待测表面中一些重要点的风化剥落深度的数据无法测得；第三，从图1还可看出，在安装上述两条直立条时存在着对被测的石质文物的岩石产生不同程度损坏的可能性；第四，由于各个不透明的量测横条在整个量测过程中始终固定在两根直立条上，所以在量测中难以观察到钢针尖端所测点位地质情况，所以不利于对测值的解释。
2．激光扫描量测方法
Swantesson曾利用激光扫描量测岩石表面的风化深度。其灵敏度和精度分别达到0.0075mm和0.01mm。其优势是量测精度高，数据处理方便等，但它的不足之处是所用仪器昂贵，且一次可测面积太少。
3.岩石表面粗糙度激光量测仪
周宏伟等曾研制激光扫描装置来量测岩石表面的粗糙度，申请者认为也可用它来量测岩石表面风化剥落深度。其优点是量测精度高、测点密，但它的问题是由于仪器设备太大而难以在工程现场进行实地量测，其可量测面积也较小，仅为256cm2。另外，它所用的仪器设备也比其它方法贵很多。
4．软材料压模量测方法
杨志法等提出利用橡皮泥掺加石膏等作为印模来量测岩石表面风化剥落深度的一种方法。关于它的精度，他们曾经针对某一部位专门进行了106次重复试验。结果表面该点的起伏差的平均值为5.1mm，标准偏差为0.293mm。这种方法的优势是实用方便，量测成本低，且具有一定的精度（其精度高于上述横条孔式钢针量测法的量测精度），但不足之处是它的量测覆盖范围很小。因此，难以据此对较大范围的测值进行对比分析。
5．工程量规测量法
Williams曾利用灵敏度为0.1mm的工程量规测量墓碑的风化剥落深度。这种方法的优势也是实用方便，但仍存在着它的精度低等问题。虽然有关资料仅给出工程量规的灵敏度而未给出实际量测精度，但估计它的精度大概不高于0.5mm。
6.孔板式岩石表面粗糙度机械量测仪
张中俭等提出利用离被测岩石表面一定距离的布满测孔的玻璃板和把测杆逐一插入各测孔的百分表来量测岩石表面粗糙度的方法（见图2），具有量测精度高、测点（孔）位置准确、造价低等优点，但其不足之处是量测范围较小。根据张中俭等所造的该种仪器的考察，他们所用的分布有99个测孔的方形玻璃板所覆盖的量测范围仅为900 cm2，小于上述横条孔式钢针量测法所覆盖的范围1650 cm2。正因为该法的量测范围较小，所以对于那些由多个块体构成的范围较大的量测对象（例如由多个石砌块组成的范围较大的古城墙的某一部分）来说，因测量范围太小，而在许多场合下不能使用。
由以上分析可以看出，可用于石质文物岩石表面的风化剥落深度量测的现有方法技术还需进一步改进，以应用于各种石质文物岩石和其它需要量测的岩石，尤其是在待测面积较大的情况下风化剥落深度量测的需要。
发明内容
针对上述不足，本发明公开了一种可用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置及其量测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，包括测尺组件和百分表，所述测尺组件和百分表相互配合使用，所述百分表包括表盘、轴颈、测杆、测头，所述测头在最前端，测杆、轴颈、表盘依次向后，所述测尺组件包括两块测座群板、两块连接板和测尺，两块测座群板通过连接螺钉与两块连接板连接成长方形的测座框，所述连接板上开设连接孔，所述连接孔上通过垫块螺钉安装有可调垫块，所述测座群板上开设若干测座孔，所述测尺通过端头块体一端连接单圆珠脚，另一端连接双圆珠脚，所述单圆珠脚和双圆珠脚分别安装在两块测座群板的测座孔上，所述测尺分为前面板和背面板，所述测尺上开设若干测孔，所述百分表的测头插入测孔中。
作为优选，所述连接板上均匀开设三个连接孔，两块连接板上的连接孔的位置相对。在连接板的左右两端及中间均开设一个连接孔，当其需要安装可调垫块时，可选择不同的位置根据需求安装，且两块连接板上的连接孔位置一致，连接板平稳。
作为优选，所述可调垫块采用工程橡胶或木材制造。为了避免或减少可调垫块磨损被测对象表面，且橡胶摩擦力大不容易移位，而木材质轻，携带方便。
作为优选，所述轴颈的外表上固定测托，所述测头插入测孔中，且测托压紧测尺的背面板，所述测头和测杆之间连接若干连接杆，所述连接杆之间采用螺纹压紧的方式连接。
作为优选，所述测尺组件还包括直立板，所述测座框与直立板相互螺接，所述直立板的下端与角板固定，所述角板与脚板固定，所述脚板的脚板孔中固定短杆，所述短杆固定在砂浆中。当待测岩面为直立时，则可采用直立板将测座框直立进行量测，满足不同的待测岩面的量测工作。
用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置的测量方法，步骤一，将两块测座群板和两块连接板连接成长方形的测座框，并稳固地放置于待测的石质文物的岩面上，使测座框大致与待测岩面平行；步骤二，调节连接板下的可调垫块使测座框垫平垫稳；步骤三，将测尺的双圆珠脚和单圆珠脚分别放入在上述两块测座群板的3个测座孔上，把百分表的测头插入测尺的背面板的某个测孔中，使测托压紧在背面板上，而让测头顶在待测岩面上，从百分表的表盘上读取数据；步骤四，完成上述测量后，将测尺的双圆珠脚和单圆珠脚分别移到测座群板的另外3个测座孔上，然后重复步骤一至步骤三测得另一组数据，直至完成待测岩面的量测任务；步骤五，采用计算机或手工将上述数据作出有关三维图形和剖面图。
作为优选，步骤一中，若待测岩面为直立状态，还包括先选取长度合适的直立板，将之与上述长方形测座框固定在一起，将直立板的下部最终固定在地面中。
本发明采用上述量测装置，并通过其测量方法，具有以下优点：
（1）量测精度较高
关于新提出的技术的量测精度问题，申请者在现场进行了以下实验：在仪器安装后一直保持不变和相同的温度条件下对某一特定测孔和特定点进行多达150次的重复性试验，并按照以下公式对各次试验的数据进行分析：
                                                                     (1)
              (2)
其中，Ai为各点的测值；n为同一测点量测的次数；为各测值的平均值；△为量测的标准偏差。据式（1）和式（2），计算得到=82.961mm，△=0.0126mm。
根据计算结果，认为本项技术的测量精度为0.0126mm。它低于上述方法1-5中的方法2和3并与方法6相当，但高于方法1、4、和5的精度。
（2）测点在被量测表面上的定位较准确，各个测孔在长尺测板上的位置不变，百分表的测杆刚好滑进测孔而不能左右幌动。由此可见，被测点的定位精度可高于方法1、4、5而与方法6相当。
（3）一次可测的面积大
由于所用的测尺采用长尺形，量测者可以从较窄的两侧看到测孔下方测点的情况，所以可采用不锈钢材料，而不是像上述现有方法6那样为了观察测点情况需要采用透明的玻璃或有机玻璃制造，再加上本发明在测量中还采用呈长方形的测座框等辅助工具，所以允许测尺较长（测孔孔位也较密）。例如申请者所制作的已成功用于衢州古城通仙门岩石砌块的风化剥落深度量测的风化剥落深度量测尺的测孔布置长度达143.5cm，而上述的两块互相平行的测座群板之间的距离也达120cm。这样，该仪器的一次可测的面积达到17220cm2，分别是上述现有方法1和方法6量测面积的10.4倍和19.1倍。
（4）现场量测的适应能力高
就现场量测的适应能力而论，方法3即岩石表面粗糙度激光测量仪为最低，因为它难以灵活地移到现场进行测试，另外，其仪器设备的价格也最昂贵，难以推广应用。相比而言，本发明仪器的现场适应能力较强，仪器的造价等也较低。从这一点讲，它与上述方法1和方法4-6相当。
（5）测点密度较高
所以与方法1和方法6相比，其测点密度较高。测孔之间的距离应该可以达到15×15mm。
综合来说，该量测装置性价比高，在保证高量测精度时可节约装置成本。
附图说明
图1为国外一种针对直立岩石被测对象的横条孔式钢针量测现场；
图2 为孔板式岩石表面粗糙度机械量测仪；
图3为本发明公开的量测装置的结构示意图；
图4为该量测装置直立状态时的使用状态参考图；
图5为测尺与单圆珠脚、双圆珠脚连接后的结构示意图；
图6为百分表的结构示意图。
图中1是单圆珠脚，2是背面板，3是测尺，4是测孔，5是双圆珠脚，6是百分表，7是测托，8是轴颈，9是测杆，10是连接杆，11是测头，12是连接板，13是连接孔，14是测座群板，15是连接螺钉，16是测座孔，17是脚珠，18是端头块体，19是待测岩面，20是可调垫块，21是垫块螺钉，22是直立板，23是测座框，24是角板固定螺帽，25是角板，26是脚板，27是短杆固定螺钉，28是地面。
具体实施方式
下面对照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
参照图1至图6所示，一种用于岩石表面风化剥落深度量测的量测装置，包括测尺组件和百分表，测尺组件和百分表相互配合使用，其中测尺组件包括两块测座群板、两块连接板和测尺，两块测座群板通过连接螺钉与两块连接板连接成长方形的测座框，连接板上均匀开设三个连接孔，两块连接板上的连接孔均匀排列且位置相对应，连接孔上通过垫块螺钉安装有采用工程橡胶或木材制造的可调垫块，两块测座群板上开设至少大于3个的测座孔，测尺通过端头块体一端连接单圆珠脚，另一端连接双圆珠脚，单圆珠脚和双圆珠脚分别安装在两块测座群板的测座孔上，测尺分为前面板和背面板，测尺上开设若干测孔。
其中百分表包括表盘、测托、轴颈、测杆、测头，测头在最前端，测杆、测托、轴颈、表盘依次向后，利用胶将专门加工的不锈钢测托（7）固定在百分表（6）的轴颈（8）外表上，但需让该轴颈的另一部分外露，以便在测量时可让后者能顺利插入测孔（4）中，但外露面积较大的测托（7）却被卡在测孔外面的测尺背面板（2）上，也即在量测时由于百分表的部分轴颈（8）、测杆（9）连同另外根据需要而加接的连接杆（10）及测头（11）等插入测孔中，而测托（7）被紧贴在测尺背面板上，所以量测的精度较高；另外，为了扩大量程，在百分表（6）的测杆（9）与测头（11）之间根据需要加一根或多根连接杆（10），以便让测头可以顶紧被测的岩石表面上，而它们与测杆（9）和测头（11）之间都采用螺纹压紧的方式连接，以保证每次连接的精度较高。
根据被测岩石表面之朝向的不同，本发明的安装过程和测量方式一般可分为被测的岩石表面基本朝上和基本直立等两种情况：
    1．对于待测岩石表面基本朝上（即岩石表面基本上水平）的情况：
    首先，借助于连接螺钉把两块测座群板和两块连接板连接成长方形的测座框，并稳固地放置于待测的石质文物的岩面上，使上述测座框大致与待测岩面平行。如放置不平，则可选若干高度合适的可调垫块，再采用垫块螺钉将它们安装于连接板的连接孔上，并通过调节各垫块的高度将测座框垫平垫稳；再将测尺的双圆珠脚和单圆珠脚分别放入在上述两块测座群板的3个测座孔上；然后，把百分表的测头插入测尺背面板的某个测孔中，使测托压紧在测尺背面板上，而让测头顶在被测对象表面上；但如果它顶不到被测对象表面，则采用如下方法进行量测：选一根或多根长度合适的连接杆，并将之连接在百分表的测杆与测头之间，再将之插入测尺背面板上的某个测孔中，使测托压紧上述测尺背面板上，并让测头顶在该测孔下方被测对象表面的某测点；从百分表的表盘上读得的数据即为测尺背面板到被测对象表面上的被测点的相对距离。借助于端头块体可把测尺与单圆珠脚和双圆珠脚相连，当把下部的圆球状脚珠分别放在3个所选的测座孔上，并用百分表量测各测孔，就可以测读得到有关所选位置的一组数据。在完成上述测量后，需要时还可把仪器的双圆珠脚和单圆珠脚分别移到也位于上述两块测座群板上的另外3个新的测座孔上，然后按照上述方法测得另一组数据，直至完成各待测测座孔的量测任务。
    利用专门的计算机软件可将从各测孔所测到的数据绘制成被测对象岩石表面的风化剥落深度的三维图及各所需测线上的曲线变化图。
    2．如果被测的岩石表面直立的情况：
首先借助于连接螺钉将上述两根测座群板与两块连接板连接成长方形的测座框，再根据被测对象表面的实际高度选取两根长度合适的直立板，并采用直立板固定螺栓和螺帽,将之与上述长方形测座框固定在一起；然后，用角板固定螺栓和螺帽把两个角板与上述直立板的下部连接起来，而这两块角板的短边是分别与两块脚板焊在一起的。为了保证上述长方形测座框与被测对象的岩石表面基本上保持平行，也为了保证在整个量测过程中保持稳定和不变形，申请者采取需要采取了以下三个主要措施：第一，借助于垫块螺钉，把若干高度合适的可调垫块垫在直立板与被测对象表面之间。这里还应说明，为了避免或减少可调垫块磨损被测对象表面，可调垫块通常采用工程橡胶或木材制造；第二，如上所述，用焊接的方法把脚板焊在角板的下表面；第三，采用短杆固定螺栓把位于脚板中的脚板孔的短杆固定在脚板上，而短杆本身又被砂浆固定在地面之下。在采用上述测尺进行直立的岩石表面的风化剥落深度量测时，也采用与上述待测岩面基本朝上的情况所采用量测方法，即首先把双圆珠脚和单圆珠脚分别放入两块已装配成长方形测座框的测座群板中的合适的3个测座孔中，用手扶住仪器，再用已准备好的百分表的测杆、测头及连接杆插入测尺背面板的一个测孔中，并令测头顶紧被测对象表面上的某个测点，就可以从百分表零件的表盘上读得从测尺背面板到被测点的相对距离。然后把测尺移到新的位置，并按相同的方法遍测所有的测孔的上述相对距离，采用计算机或手工可作出有关相对距离（也即风化剥落深度）的三维图形和剖面图。
作为本发明的实施例子，以图4所示的方式测量了国保单位衢州古城墙通仙门某石质墙基的风化深度。其中所用的测尺的测孔分布长度达143.5cm。如上所述通过在恒温条件下对仪器的某一特定测点进行的150次的重复测量，得到其量测的标准偏差（即精度）可达0.0126mm（其平均值为82.961mm），所以该测尺具有较高量测精度。
以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。