一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法

摘要

本发明公开了一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，首先基于所需的岩体随机结构面三维网络数值模型范围，确定各随机结构面的等效半径，设置半径阈值，小于阈值的结构面不予以建模；然后对需要建模的结构面，按照等效半径从大到小的顺序在三维离散元软件3DEC中依次生成各结构面，并在生成前隐藏与该结构面不相交的块体；最后将同一个结构面分为真实结构面部分和虚拟结构面部分，对两部分赋予不同的力学参数，以精确界定结构面的真实边界。本发明保证一个真实结构面只需要切割一次，从而最大可能地减小了虚拟结构面数量，极大地提高了计算效率，克服了虚拟结构面变形参数难取值而导致的计算误差。

权利要求

1.一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于所需的岩体随机结构面三维网络数值模型范围，确定各随机结构面的等效半径，设置半径阈值，小于所述阈值的结构面不予以建模；

步骤2：对需要建模的结构面，按照等效半径从大到小的顺序在三维离散元软件3DEC中依次生成各结构面，并在生成前隐藏与该结构面不相交的块体；

步骤3：将同一个结构面分为真实结构面部分和虚拟结构面部分，对两部分赋予不同的力学参数，以精确界定结构面的真实边界；

其中，所述步骤1中各随机结构面的等效半径计算方法如下：

基于Monte-Carlo方法生成的各随机结构面数据，根据所需的岩体随机结构面三维网络数值模型范围，首先判断结构面中心点是否在数值模型范围内，判断式如下：其中，JP为判断变量，Pi为中心点P的坐标值，Px、Py和Pz分别为中心点P的x、y、z轴坐标值， 和 分别为数值模型边界的最大值和最小值；

设RP为中心点为P的结构面的半径，则其等效半径 的求解方式如下：(1)JP＝0，则中心点P在数值模型内，该结构面等效半径(2)RP>JP>0，则该结构面等效半径计算如下：

(3)JP>RP，则该结构面与数值模型不相交，该结构面等效半径其中，所述步骤2具体包括：

步骤21：采用结构面切割命令，首先生成等效半径最大的结构面；

步骤22：提取各块体的中心点坐标和顶点坐标，计算各块体中心点与顶点距离的最大值Rmax，以各个块体中心点为圆心、Rmax为半径确定块体的最大外接球；提取各块体表面的几何特征，计算各块体中心点与表面距离的最小值Rmin，以各个块体中心点为圆心、Rmin为半径确定块体的最小内切球；

步骤23：若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc大于结构面等效半径Rpeqv加上块体最大外接球半径Rmax，则对该块体隐藏；若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc小于块体最小内切球半径Rmin减去结构面等效半径Rpeqv，则只显示该块体，隐藏其它所有块体；显示或隐藏块体命令执行后，开始切割生成该结构面；

步骤24：用与步骤22、23相同的判断方法，按结构面等效半径从大到小的顺序依次生成其它结构面。

2.根据权利要求1所述的一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：设结构面的中心点为(x0,y0,z0)，半径为r0，遍历该结构面上所有的节点，当该节点满足以下公式时，则赋予真实结构面的力学参数，否则赋予虚拟结构面的力学参数：其中：a、b、c分别为该结构面节点的x、y、z轴坐标值。

说明书

一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩体结构建模技术领域，具体涉及一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法。

背景技术

[0002] 室内试验结果和工程实践经验均表明，岩体结构面对岩体力学、水力学性质及行为起决定性作用。其中，与工程尺度相当或略小的岩体随机结构面是应重点关注的问题。为了全面认识工程区岩体随机结构面，需要在随机结构面测量与分析的基础上对某些结构面特性或某项综合指标进行计算，这就要求对随机结构面进行三维网络模拟。目前，Monte-Carlo方法是进行随机结构面三维网络模拟的最有效方法，该方法本质上是统计分析的逆过程。随机结构面三维网络模拟还包含计算机图形可视化技术，由此不但增强工程区岩体结构的感性认识，也可通过布尔运算或其它自编算法方便地求出一些无法测量的几何特性或岩体结构综合指标。目前存在的问题是，随机结构面三维网络模拟的应用仅停留在几何或图形层面，由于要真正解决岩体工程问题无法绕开力学计算，因此研究如何将随机结构面三维网络模拟有效地转换为岩体力学计算模型具有十分重要的意义。

[0003] 当前，将岩体随机结构面在三维离散元软件(3DEC)中进行表征的方法主要是通过构建大量的虚拟结构面进行，即构建一个真实结构面需要增加四个虚拟结构面，造成极低的计算效率，且构建的真实结构面只能是四边形，从而难以与估算的结构面直径相关联。虚拟结构面数量的增加及规模的不准确性会导致以下结果：

[0004] (1)岩体工程场地通常有成千上万、甚至超十万条结构面，若要构建部分较大规模的结构面，本就有庞大的结构面数量。若以增加四个虚拟结构面的方式来构建一个真实结构面，则大量的切割会造成海量的畸形块体，从而难以进行网格剖分。或者即使网格剖分成功，也会造成海量的单元和节点数据，从而导致极低的计算效率，且由于常应力单元、接触判断算法、接触力学算法等对稍不规则的单元带来的误差，会造成低精度的计算结果。

[0005] (2)真实结构面规模的不准确以及虚拟结构面变形参数难取值问题，都会导致计算结果的失真，从而难以进行岩体工程应用。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术不足，本发明提出一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，最大程度地减少虚拟结构面数量及规模，并将真实结构面看作圆形且以能较准确获得的直径进行度量。

[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1：基于所需的岩体随机结构面三维网络数值模型范围，确定各随机结构面的等效半径，设置半径阈值，小于所述阈值的结构面不予以建模；

[0009] 步骤2：对需要建模的结构面，按照等效半径从大到小的顺序在三维离散元软件3DEC中依次生成各结构面，并在生成前隐藏与该结构面不相交的块体；

[0010] 步骤3：将同一个结构面分为真实结构面部分和虚拟结构面部分，对两部分赋予不同的力学参数，以精确界定结构面的真实边界。

[0011] 进一步地，所述步骤1中各随机结构面的等效半径计算方法如下：

[0012] 基于Monte-Carlo方法生成的各随机结构面数据，根据所需的岩体随机结构面三维网络数值模型范围，首先判断结构面中心点是否在数值模型范围内，判断式如下：

[0013]

[0014] 其中，JP为判断变量，Pi为中心点P的坐标值，Px、Py和Pz分别为中心点P的x、y、z轴坐标值， 和 分别为数值模型边界的最大值和最小值；

[0015] 设RP为中心点为P的结构面的半径，则其等效半径 的求解方式如下：

[0016] (1)JP＝0，则中心点P在数值模型内，该结构面等效半径

[0017] (2)RP>JP>0，则该结构面等效半径计算如下：

[0018]

[0019] (3)JP>RP，则该结构面与数值模型不相交，该结构面等效半径

[0020] 进一步地，所述步骤2具体包括：

[0021] 步骤21：采用结构面切割命令，首先生成等效半径最大的结构面；

[0022] 步骤22：提取各块体的中心点坐标和顶点坐标，计算各块体中心点与顶点距离的最大值Rmax，以各个块体中心点为圆心、Rmax为半径确定块体的最大外接球；提取各块体表面的几何特征，计算各块体中心点与表面距离的最小值Rmin，以各个块体中心点为圆心、Rmin为半径确定块体的最小内切球；

[0023] 步骤23：若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc大于结构面等效半径Rpeqv加上块体最大外接球半径Rmax，则对该块体隐藏；若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc小于块体最小内切球半径Rmin减去结构面等效半径Rpeqv，则只显示该块体，隐藏其它所有块体；显示或隐藏块体命令执行后，开始切割生成该结构面；

[0024] 步骤24：用与步骤22、23相同的判断方法，按结构面等效半径从大到小的顺序依次生成其它结构面。

[0025] 进一步地，所述步骤3具体包括：

[0026] 设结构面的中心点为(x0,y0,z0)，半径为r0，遍历该结构面上所有的节点，当该节点满足以下公式时，则赋予真实结构面的力学参数，否则赋予虚拟结构面的力学参数：

[0027]

[0028] 其中：a、b、c分别为该结构面节点的x、y、z轴坐标值。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有有益效果：

[0030] (1)保证一个真实结构面只需要切割一次，无需额外增加任何虚拟结构面，从而最大限度地减少了虚拟结构面数量；

[0031] (2)按照结构面半径从大到小的顺序，以及采用块体外接球和内切球的判断方式，确保与结构面不相交的块体不进行切割，从而减小了虚拟结构面面积；

[0032] (3)以力学参数区分真实结构面和虚拟结构面，能确保构建的真实结构面规模与现实相符，且能人为控制虚拟结构面力学参数对计算结果的影响。

附图说明

[0033] 图1是本发明一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法的流程图；

[0034] 图2是结构面等效半径计算模型示意图；

[0035] 图3是结构面与块体外接球、内切球的空间关系示意图；

[0036] 图4是同一个结构面区分为真实结构面部分、虚拟结构面部分的离散元表征图；

[0037] 图5是本发明一实施例中岩体随机结构面三维网络模拟图的东北等视图；

[0038] 图6是本发明一实施例中岩体随机结构面三维网络模拟图的东南等视图；

[0039] 图7是本发明一实施例中岩体随机结构面的离散元表征图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

[0041] 如图1所示，一种岩体随机结构面的三维离散元表征方法，具体实施方法如下：

[0042] (1)采用测线法或测窗法对岩体随机结构面进行采样，基于岩体随机结构面统计分析理论，获得随机结构面产状、直径与体密度等统计特征，确定随机结构面三维网络模拟的生成区与应用区范围，采用Monte-Carlo方法生成各结构面数据，基于所需的数值模型范围，采用下述方式确定各随机结构面的等效半径，并对结构面按照半径从大到小进行排序，设置结构面半径阈值，小于此阈值的结构面不予以建模；

[0043] 基于Monte-Carlo方法生成的各随机结构面数据，根据所需的数值模型范围，首先判断结构面中心点是否在数值模型范围内，其判断式如下：

[0044]

[0045] 其中，JP为判断变量，Pi为中心点P的x、y、z轴坐标值， 和 分别为数值模型x、y、z边界的最大值和最小值；

[0046] 如图2所示结构面等效半径计算模型示意图，假定RP为中心点为P的结构面的半径，则其等效半径Rpeqv的求解方式如下：

[0047] a)JP＝0，则该中心点在数值模型内，取该结构面等效半径Rpeqv＝RP；

[0048] b)RP>JP>0，则该结构面等效半径的求解方法如下：

[0049]

[0050] c)JP>RP，则该结构面不可能与数值模型相交，取该结构面等效半径Rpeqv＝0。

[0051] (2)对需要建模的结构面，按照等效半径从大到小的顺序在三维离散元软件(3DEC)中依次生成各结构面，并在生成前隐藏与该结构面不相交的块体。具体步骤如下：

[0052] a)采用结构面切割命令，首先生成等效半径最大的结构面。

[0053] b)提取各块体的中心点坐标和顶点坐标，计算各块体中心点与顶点距离的最大值Rmax，并以各个块体中心点为圆心、Rmax为半径确定块体的最大外接球；提取各块体表面的几何特征，计算各块体中心点与表面距离的最小值Rmin，并以各个块体中心点为圆心、Rmin为半径确定块体的最小内切球。

[0054] c)若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc大于结构面等效半径Rpeqv加上块体最大外接球半径Rmax，说明结构面在该块体的最大外接球外围，则对该块体隐藏；若结构面中心点与某块体中心点的距离Lpc小于块体最小内切球半径Rmin减去结构面等效半径Rpeqv，说明结构面在该块体的最小内切球内部，则只显示该块体，隐藏其它所有块体。显示或隐藏块体命令执行后，开始切割生成该结构面。如图3所示结构面与块体外接球、内切球的空间关系示意图。

[0055] d)用与第2b)、2c)步相同的判断方法，按结构面等效半径从大到小的顺序依次生成其它结构面。

[0056] 以上2a)～2d)四个步骤全部采用3DEC命令和FISH语言实现，其中读入结构面几何信息的方式为用FISH语言读入外部文件再存入某个数组中，结构面几何信息可存放于.txt文档中。

[0057] (3)将同一个结构面区分为真实结构面部分和虚拟结构面部分，对两部分赋予不同的力学参数，以精确界定各结构面的真实边界。上述(1)和(2)两步的主要目的是舍去规模较小的结构面，并不生成任何额外的虚拟结构面，但切割生成的结构面规模仍比真实结构面规模大。因此，需要通过第(3)步来精确界定各结构面边界。

[0058] 如图4所示同一个结构面区分为真实结构面部分、虚拟结构面部分的离散元表征图，假定某结构面的中心点为(x0,y0,z0)，半径为r0，则在三维离散元软件(3DEC)中应用FISH语言遍历该结构面上所有的节点，当该节点满足以下公式时，则赋予真实结构面的力学参数，否则赋予虚拟结构面的力学参数：

[0059]

[0060] 式中：a、b、c分别为该结构面节点的x、y、z轴坐标值。

[0061] 假定某工程场地通过半迹长测线法获得的岩体随机结构面统计特征见表1～3。选取110m×150m×110m的立方体区域作为结构面三维网络模拟的生成区，共生成结构面36026条，将中间的60m×100m×60m作为应用区，其三维网络模拟见图5、图6。

[0062] 表1

[0063]

[0064] 表2

[0065]组号 平均半径 平均直径
1 7.55 15.11
2 5.20 10.39
3 5.07 10.13
4 5.34 10.67
5 4.87 9.74

[0066] 表3

[0067] 组号 1 2 3 4 5体密度(条/m3) 1.67×10-3 2.70×10-3 3.27×10-3 4.72×10-3 6.82×10-3

[0068] 设置54m×10m×60m的长方体区域，用于进行地下工程岩体随机结构面的离散元表征。经统计和计算，在该长方体区域内共有681条结构面。按照各结构面等效半径从大到小的顺序进行排序，设置半径阈值为2m，共剩下468条结构面，对于半径比2m小的结构面，不进行后续处理与建模。按照上述流程进行编程，最终构建的离散元表征图见图7(含地下洞室工程实体单元)。

[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。