基于通用椭圆盘模型的三维离散结构面网络模拟及其在边坡中的应用

构建三维离散结构面网络(DFN)是国内外公认的定量表征岩体结构最有效的手段。目前基本将结构面假定为圆盘模型,然而针对形状各异的天然结构面,圆盘模型适用性不强。最近具有广泛适用性的通用椭圆盘(UED)模型已建立。基于UED模型,开展岩体三维离散结构面网络模拟研究。首先概述了UED模型的几何参数,具体包括中心点位置、产状、长轴长、长短轴之比、长轴旋转角、三维密度;然后,针对结构面在岩体露头的两种出露方式,分别介绍了UED模型几何参数的确定方法;最后,以某岩质边坡为例,详细介绍了基于蒙特卡洛模拟生成了该边坡岩体三维UED DFN网络的过程。此外,对比了UED模型与现有的圆盘模型和相似椭圆盘模型的表征精度,结果表明,UED模型的表征精度分别比圆盘模型和相似椭圆盘模型的高16%和22%。

基于3D打印模型试验的含结构面异形隧洞的变形破坏研究

隧洞交叉段稳定性受围岩结构面影响较大,物理模型试验是研究结构面影响机制的有效手段。针对模型难以制备的技术瓶颈,采用3D打印增减材技术制备含非贯通结构面的异形隧洞模型。基于数字图像相关技术与内窥摄像头观测模型在单轴加载下的破坏过程,评估打印路径对隧洞模型破坏模式的影响,并研究结构面倾角对异形隧洞破坏机制的影响规律。结果表明,3D打印路径对隧洞模型破坏模式的影响较小,采用3D打印增减材方法制备结构面起控制作用的隧洞模型具有有效性及可行性;含软弱填充物的非贯通结构面导致围岩应力向两侧岩柱卸荷,客观上保护了洞室,提高了隧洞的安全性;当结构面尖端距隧洞较远时,模型表现为贯通裂纹造成的岩柱失稳破坏,当结构面尖端位于隧洞附近时,模型表现为洞顶块体分离破坏;隧洞交叉段扩挖后形成的异形隧洞与常规隧洞的破坏机制不同,其拱结构效应明显减弱。

3D打印技术在岩体模型试验中的应用探讨

3D打印技术因具有易成型、可复制、可定制的特点,被广泛应用于各个领域。本文从3D打印成型原理出发,介绍可应用于岩体模型试验的2种打印技术及打印材料的性质;以含结构面网络的岩体试件制作方法、模型相似条件与试验步骤等为基础,探讨3D打印技术应用于岩体模型试验的可行性和路径,可以为该类模型试验提供一定的借鉴和参考。

岩体结构面精细化空间模型及块体失稳分析

提出了将确定性结构面与随机结构面相结合来模拟岩体结构面的方法.确定性结构面依据工程地质勘测等资料通过多源数据耦合获得;而随机结构面则根据采用数字摄像测量技术现场测量的数据,运用三维网络模拟技术生成.同时引入结构面动态校核机制,利用掘进开挖过程中不断测量得到的数据对模拟的结构面进行动态校核及实时调整,从而建立比较精细的结构面空间模型.基于上述结构面模型,采用作者自行研发的GeoSMA-3D系统可以搜索出失稳块体,这对工程岩体稳定性预报和动态设计施工都有重要意义.

三维逆向重构技术在地质教学中的应用——以节理面力学性质教学为例

讲授岩石结构面的力学性质,是地质专业人才培养的必要环节。然而,传统的教学方式如板书教学、图片展示、动画制作等,都不足以让学生深刻全面地了解结构面在岩石强度中的影响机理。随着计算机技术的发展,三维逆向重构技术使高精度复刻结构面成为可能。为更加充分地满足课程教学需求,使学生能够在实践中对结构面抗剪机理有更加深入的了解,该文将三维光学扫描技术、计算机模型构建技术、3D打印技术用于课堂教学实践,对传统教育方法做进一步改进。

基于MATLAB的复杂节理岩体离散块体建模及工程应用

对于复杂节理岩体,如何快速建立与岩体结构面分布规律相符的块体分析模型是离散单元法数值分析中的一个难题。文中利用结构面网络模拟技术的优势,通过MATLAB编程对模拟的岩体节理数据进行预处理,快速建立复杂节理岩体的块体分析模型;结合边坡实例,将生成的块体分析模型用于边坡稳定性分析,并与采用离散元软件生成的块体分析模型比较,结果显示采用文中方法生成的块体分析模型,其块体划分更接近岩体结构面分布规律,且计算所得安全系数离散程度较小,文中建模方法有效。

岩体结构面网格渗透张量分析方法

工程岩体的渗透特性研究是其渗流分析和稳定性设计的技术关键·作者以现场岩体渗透结构面概率模型统计资料为依据,采用离散介质方法建立典型裂隙网络模型,提出计算岩体结构面网络的等效渗透系数张量方法·应用等效连续介质模型分析方法研究区域岩体的渗流问题·针对现场的矿山边坡水文地质实体,运用该技术建立了反映岩体渗透各向异性的等效连续介质模型·实例分析表明,该技术途径不但适合工程岩体宏观渗流分析的特点,而且能够较为深刻地认识裂隙渗流的本质·

岩体结构面面密度统计及体密度优化

为了给岩体稳定性分析和渗透性评价提供更加可靠的数据,提出了基于差分进化算法拟合实测面密度从而优化结构面体密度的三维结构面网络模型建模方法。采用RTK-GPS数字化量测技术,研究了结构面迹线3D数字化模型及数字化测窗建立方法;引入“地形化”的圆形测窗,提出扩展为地形化曲面正方形连续布置测窗,分析了圆形取样窗大小对密度估计的影响,比较了正方形测窗和圆形测窗估算结果。以甘肃北山地面花岗岩结构面量测数据为例,应用该方法。研究表明,优化的体密度能高度拟合各分块实测面密度,由此建立的3D结构面网络模型更符合实际结构面分布规律。

面向Internet的虚拟城市模型的可视化研究

随着计算机图形学、分布式计算和Internet的迅速发展,实现Internet上的虚拟城市已经成为可能。首先对虚拟城市中地形模型、地物模型和复杂实体模型的建立方法进行详细的论述,然后讨论J2EE环境下3维城市模型的可视化方法,设计网络环境下虚拟城市系统的浏览器/服务器多层体系结构,最后采用Java和Java3D技术,在J2EE环境下给出虚拟城市的3维显示及客户端交互操作的实验例子和相关结论。

断续结构面岩质边坡的应力敏感性分析

为研究断续结构面岩质边坡的应力敏感性,以锚杆为测力媒介进行了三组贯通率均为50%但分布形式不同的断续结构面岩质边坡离心模型试验,并开展了相应模型A、B、C的数值模拟分析。监测锚杆轴力历时曲线、边坡破坏模式和数值模拟的研究结果表明,边坡模型A破坏时滑动面为直线型,应力敏感区域位于结构面贯通区,且结构面贯通区中部的应力最敏感;边坡模型B产生近似圆弧型滑动,应力敏感区域位于潜在滑动面处,且滑动面坡脚剪出口处应力最敏感;边坡模型C破坏时滑动面近似S型,应力敏感区域位于结构面贯通区,且结构面贯通区上部的应力最敏感。研究成果可为断续结构面岩质边坡的锚杆监测工作提供一定参考。

三维网格模型的快速拓扑重建算法

为了提高重建三维网格模型拓扑的速度,选择半边结构作为表示实体模型拓扑关系的结构模型,设计了新的用于加快顶点合并的索引方法。在顶点合并时直接定位到欲查找的顶点位置上,无须借助AVL等辅助查找表。拓扑重建的时间复杂度由原来的O(nlogn)降低至O(n)。通过SMF格式文件进行的测试结果表明,在普通PC上重建含有10万个三角面片模型的拓扑结构也只需1s。

基于分析分解模型数值试验的围岩力学参数估算

地下硐室围岩因结构面存在稳定性显著降低,且受结构面影响难以进行力学参数室内试验测定,导致不同围岩力学参数难以准确表示。提出一种采用分析分解模型数值试验估算围岩力学参数的新方法,依据围岩分类体系结果,借助FracSim 3D程序构建不同围岩类别的三维结构面网络模型,并通过x,y,z方向截取二维结构面网络图以反映岩体各向异性特征,实现构建分析分解模型;之后,应用已有试验成果将分别得到的对应的完整岩块及相关结构面的力学参数值作为模型基本输入参数;最后,应用有限元法(Phase 2D程序)建立其对应的岩体结构数值模型,通过有效控制边界条件实现对单轴压缩、三轴压缩等试验的模拟,即实现用宏观等效的岩体模型来预测岩体强度与变形特性,进而完成对不同类别围岩力学参数值的确定。

硬性结构面的剪切流变模型及试验数值分析

采用广义Kelvin模型、Burgers模型和六元件黏弹性流变模型,分别对硬性结构面的剪切蠕变曲线进行拟合分析,并对FLAC3D中的interface单元进行修正,提出硬性结构面的剪切流变模型及剪切蠕变试验的数值分析方法。研究结果表明:六元件剪切流变模型适合用于硬性结构面的剪切蠕变特性分析;当结构面的爬坡角小于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而增加,而当爬坡角大于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而减小;当法向应力不变时,剪切蠕变变形将随着剪切应力的逐渐增加而增加;当切向应力不变时,剪切蠕变变形将随着法向应力的逐渐增加而减小。

大数量非贯通节理岩体离散元数值模拟实现方法研究

为了研究大数量非贯通节理岩体的力学行为,以3DEC离散元软件为平台,提出适用于数值模拟的连通率定量计算的具体方法,其大小等于非贯通节理面积与切割贯通节理面积的比值。其中,非贯通节理面积可由三维岩体结构面网络模拟技术获取的薄圆盘直径,通过面积计算而得,而贯通节理面积与切割岩体形状密切相关,可分为规则岩体与非规则岩体两种情况。规则岩体由联立方程组进行求解,非规则岩体可根据本文提出的点数据搜索法进行获取。采用案例分析对计算结果进行对比验证,结果显示:所提方法能够实现大数量非贯通节理岩体力学行为的离散元数值模拟研究,采用的点数据搜索方法能够解决规则和非规则岩体切割截面面积求解难题,提高数值模拟效率,并且取得了较为可靠的模拟结果。

泛知识化三维GIS表达模型(UKRM)

面对复杂、多样化的三维世界,现有的三维GIS模型面临着兼容性差、表达类型不足、数据表达效率低等问题,难以满足多用途(户),尤其是海量对象,GIS空间管理、查询与分析的需求.本文根据人类认知思维特征,整合并拓展了与人类认知方式一致的离散表达方式(包括离散面(DCS)、离散体(DB)等),提出并集成了函数、映射两种新的结构类型,构建灵活开放、可扩展性强的泛知识化表达模型(UKRM),实现多种表示方式(包括边界表达B-rep、构造实体几何CSG、参数/函数等)的异质性归一化表达,从而极大提高了GIS对海量、复杂、多样化三维世界的表达能力,实现了GIS数据的重用,并建立了静态GIS向动态GIS拓展的接口.初步应用试验表明,无论规则还是非规则几何体,UKRM模型表达简洁、高效,优于现有构模方式(如IFC,City GML).

基于引文网络的颠覆性技术发展路径研究

技术的发展路径研究可以在一定程度上追溯、探明和发现技术的发展方向,为技术预测提供支持,颠覆性技术作为当前国家战略的关注焦点,从发展路径角度分析其特征,为探寻其规律并最终服务颠覆性技术发展,具有重要意义。文章采用三方组结构模型的引文网络分析方法,结合三方组与网络遍历权值的关系,构建了基于网络论文重要性的技术颠覆性程度测度模型,实证研究了3D打印技术的三方组结构特征、网络特征及发展路径特征。研究表明:所构建的颠覆性技术发展路径测度方法能够动态测度较稳定的3D打印颠覆性程度,3D打印技术的颠覆性程度统计峰值出现在2003年,在2003年前稳步提升,2003年后保持稳定;通过三方组分析、网络分析和路径分析表明,在3D打印整体技术的一次颠覆过程中,伴随着其内部子技术的多次颠覆;在内部子技术方面,通过主路径分析发现3D打印技术的“选择性激光烧结”子技术经历了材料应用层面的多次颠覆。