[发明专利]一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体结构模型的生成方法，具体涉及一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，属于岩石力学工程、水利水电工程、石油工程、地下工程、采矿工程等工程领域。

背景技术

岩体内在结构的特性是影响和控制岩体在工程作用下变形、破坏的首要因素。不同时期、不同性质和不同规模的地质构造作用，导致岩体内部节理表现出形态各异的构造特性。常见的节理岩体结构有完整、碎块、咬合(interlock)、扰动碎裂、散体、层状等。

咬合节理岩体结构在工程中极为常见，其典型特征是具有周期性。与具备较好力学性能的完整岩体不同，咬合节理岩体在未扰动情况下力学性能较好，但在施工强卸荷、水库蓄水、震动作用等工况下，力学性能往往会大幅减弱，从而成为工程施工及运行安全的直接威胁。

鉴于此，咬合节理岩体的力学参数历来都为研究人员所重视，毫无疑问，从节理岩体的周期性出发，生成具有周期性结构的咬合节理岩体结构模型，可以很好地研究此类问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中岩土工程领域咬合节理岩体周期性结构生成的问题，提供了一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，该方法基于Voronoi图形算法，考虑节理密度、形态等多因素生成具有周期性结构的咬合节理岩体结构模型。

技术方案：本发明所述的一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，包括如下步骤：

(1)对实际咬合节理岩体进行现场调查，确定其咬合节理分布形态、节理密度、节理宽度及其表征单元体积，并根据表征单元体积确定模拟区域范围R×R；

(2)根据节理分布形态和节理密度在模拟区域R×R内生成N个随机种子，其中，N的值为模拟区域范围内实际柱状节理岩体的数量；采用随机种子生成Voronoi结构，该Voronoi结构即为完全随机分布的节理岩体模型，然后基于Lloyd松弛算法调整节理种子的位置、生成中心Voronoi结构，该中心Voronoi结构为与工程现场节理形态相符的节理岩体模型；

(3)由上述中心Voronoi结构生成周期性的Voronoi图形；

(4)根据节理宽度对周期性Voronoi图形的内部边界进行偏移，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。

上述步骤(1)中，对实际咬合节理岩体进行现场调查包括调查实际咬合节理岩体的分布、产状、密度、迹长和宽度。

上述步骤(2)中，基于Lloyd松弛算法调整节理种子位置的方法包括下述步骤：

①根据现场节理分布特征，生成相应数量的随机点；

②根据随机点的分布，从各点相对中心位置处进行网格剖分；

③计算各网格中心点的位置，将随机点调整至该处；

④再根据随机点新的位置情况进行网格剖分，重复上述步骤，直至随机点位置改变值在允许范围内，即完成了节理种子位置的调整。

上述步骤(3)中，由中心Voronoi结构生成周期性的Voronoi图形的方法包括下述步骤：先从中心Voronoi结构中选取单元胞结构，该单元胞为自中心Voronoi结构形心位置向外扩散形成的正方形区域，其面积为中心Voronoi结构的1/9；上述单元胞中包含X个节理种子，将X个节理种子向周边8个区域内平移，在R×R区域内形成数量为9X的节理种子集合，将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分，切割修剪形成周期性的Voronoi图形。

其中，切割修剪是指将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分形成新的Voronoi图形后，截取出其中与单元胞结构对应位置处的Voronoi图形，即为周期性的Voronoi图形。

上述步骤(4)中，对步骤(3)生成的周期性Voronoi图形中各个Voronoi多边形的线条进行偏移，使相邻Voronoi多边形的线条间的间隔与节理宽度相符，即形成与实际柱状节理岩体相同厚度的节理面，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法步骤简单、成本低廉、实用性强，通过本发明的方法生成的咬合节理岩体周期性结构模型填补了实际研究中生成不同周期性结构、不同节理厚度、不同咬合等情况的岩体结构模型的空白，这样能够制备不同咬合节理岩体周期性结构的数值试样，从而能够进行不同三维节理的剪切强度测试，得到剪切强度随着不同节理的变化规律；进而开展咬合节理岩体的力学特性、渗流特性，从而为工程安全研究提供技术保障和理论支撑。

附图说明