[发明专利]一种适用于岩体的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程、矿山开采、工程建筑、水利工程、地下结构等岩体工程的实体结构建模和分析领域，尤其涉及到一种基于不连续介质、各向异性岩体、工程扰动过程三维数值模拟分析方法与工程应用。

背景技术

极限平衡分析方法是一种传统的、沿用至今的岩体稳定性分析方法。一般地，这种分析方法将岩体的几何模型采用了二维剖面形式的简化描述。二维的简化方便了计算过程的实施，但它同时忽略了很多对岩体稳定性至关重要的一些影响因素，如侧边界的约束力。为了更加真实的分析岩体稳定性状态，岩体的三维几何

模型是一种研究方向。

目前，采用三维实体形式的只有一种破坏形式，即楔形体。在几何上，它是四面体，是种最简单形式的多面体。块体理论对于这种几何模型给出了矢量构建方法。通过对这种几何建模方法的扩展，多面棱锥体和五面体可以进行几何建模。就块体理论而言，这两种几何模型很可能就是它的极限了。这种方法也再没有给出更复杂的几何模型的几何描述。

结构面网络模拟技术被用来建立岩体的结构面网络。此技术基于结构面特征量的统计特征，通过随机数在空间生成大量的随机的圆形或多边形平面。网络的相互交切会形成一些块体，因此，很多研究者将其应用于块体的几何模型构建。这些建模方法，在理论上，可以生成任意复杂的多面体。但这种方法的缺陷在于，它生成的块体也是随机的。也就是说，两个参数完全相同的模拟，不可能生成尺度相同的几何块体。这给随后的稳定性计算和结论也造成了极大的随机性。而随机性的结论是任何人无法接受的。

随后出现了专利号为200910220460.4，发明名称为工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法的专利技术方案，该专利技术的技术方案是：一种工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法，其特征在于该识别方法步骤如下： 一、工程岩体现场结构原始数据获取，数据包括：工程岩体结构参数、工程岩体结构面 信息和工程岩体结构状态，其中工程岩体结构参数包括巷道、隧洞和断面尺寸；工程岩体结 构面信息和工程岩体结构状态包括断层参数和节理参数； 二、工程岩体原始数据的处理与提取，按现场采集的原始数据，利用赤平投影和概率统 计方法，整理出： 1)岩体裂隙方位，以及每一条裂隙所在的硐号、方位、层位、工程部位、及风化带信息， 进行裂隙优势方位分析； 2)存储工程普遍测网法获得的每条裂隙的基本信息，包括每条裂隙对应的测点号、位置和产状，进行绘制裂隙平面展布图的坐标信息； 3)存储工程岩体测点的各条裂隙的产状及相对测网原点的局部几何坐标； 三、构建工程岩体模型； 1)、建立岩体模型 判断岩体几何体被分成凸体和凹体两类，建立模型时加以区别； 凸体结构：首先，把它分解为多边形，依次添加多边形；多边形的建立是按同一顺序即 逆时针或顺时针顺序，依次输入顶点坐标到文本文件中； 凹体结构：按照相邻两个块体公共面重合的原则，把凹体分成多个凸体，并把重合面赋 上虚拟面的标记值，将被分成的凸体按照凸体的建模规则建模； 2)、建立数据结构 A数据结构 先确定块体棱线的两个端点，把其放入线段存储结构中，再把形成的线段放入多边形存 储结构中，最后把多边形放入块体的数据结构中； B建立数据组织，存储数据，形成数据链，采用编程语言中自带的动态类对数据进行管 理； 3)、确定结构面信息方法包括确定性结构面、非确定性结构面和耦合结构面： 确定性结构面：现场调查所得的结构面，包括地球物理勘探、数字图像拍摄手段直接采 集的结构面数据，作为确定性结构面数据：方位、倾向、倾角、迹长，输入模型中； 非确定性结构面：通过概率统计的方法来模拟产生的结构面数据，根据现场邻近工程、专家经验，采用统计方法获得结构面参数；耦合结构面：模型中输入工程中确定性结构面，将不能通过钻孔和照相的物理方法获取 的数据，用概率统计的方法模拟产生结构面数据； 四、对块体进行识别；块体识别方法：把岩体模型划分为有限个网格，然后再依次加入结构面，对现有的小块 体进行切割，最后再去掉网格，合并小的块体，从而识别出由结构面切割得到的所有块体； 1)、网格划分：根据区域内结构面的密度，平均半径进行网格划分，首先确定区域的范围， 然后设置三组相互垂直的虚拟结构面对岩体模型进行切割，最后记录下小单元的数据结构； 2)、添加结构面：网格划分后，加入实测结和拟合出来的结构面，对现有的小块体进行再次 切割； 3)、开挖面处理，近似用平面代替曲面，曲面对块体的切割就是对单元块体的切割，求出切 割后的单元块体所有棱线与曲面的交点后依次连接各点，形成一个新的面，生成两个新的块 体； 4)、消除网格，生成块体 首先判断相邻两个小单元面的交集是否与虚拟结构面有交集，如果有交集则合并两个小 块，没有交集就不必合并，按照此方法，依次对存在的所有小块体进行处理，最后记录下合 并后块体的数据； 5)、判别块体的可移动性； 首先，找出一个带有两个角度参数的试算向量，这两个参数的初始值为90°和0°，依 次试算，如果这个试算向量与块体每个面的方向向量相乘都为正，则判断此块体几何可移动， 进一步利用莫尔库仑强度理(Mohr-Coulomb)准则对其进行稳定性判断，如果不稳定，就是 关键块体； 6)、显示图像 首先，按照块体顺序进行搜索，得到每个块体的数据，进而对块体的面进行搜索，最后 对组成面的线段进行数据查询，利用图像处理技术画出线段，最后进行渲染。