一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法技术

本发明专利技术属于岩体工程技术领域，公开了一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法，对岩体进行现场勘察，获得岩体的地层岩性、地质构造与岩层产状；对岩体中含柱状节理的岩层进行现场勘察，获得柱状节理的发育特征；确定岩体中需要开挖洞口的几何特征；确定岩体的层状岩体二维结构图；建立层状岩体的三维数字模型；建立非规则柱状节理岩体的三维数字模型；在层状岩体三维数字模型相应柱状节理层上建立非规则柱状节理岩体；在层状岩体三维数字模型中开挖复杂非规则洞口；大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型切片建立与输出。在本发明专利技术的基础上，可以开展结构完全一致的大尺度复杂非规则柱状节理岩体在各种加载条件下的破坏性试验。载条件下的破坏性试验。载条件下的破坏性试验。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法


[0001]本专利技术涉及岩体工程
，具体而言，涉及一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法。

技术介绍

[0002]在岩体工程中，岩体结构的力学特性和破坏模式对其安全性及稳定性具有重要影响，因此需要针对岩体结构不同的力学特性来制定不同的安全措施。
[0003]相关技术中，可以在工程现场采集到多个岩体样本，并在不同的加载条件下，对不同的岩体样本进行破坏性试验，从而得到岩体样本在不同加载条件下的力学特性与破坏模式。
[0004]但是，采用破坏性试验确定岩体结构的力学特性与破坏模式，无法获取同一岩体结构在不同加载条件下的变化规律，导致获取的岩体结构的力学特性和破坏模式不准确。
[0005]杨圣奇等人发表在《河海大学学报》上的一篇文章中指出，传统的物理试验方法难以实现完全一致岩体结构的多次重复性试验，且开展难度大、步骤复杂，而数值模拟试验为获得岩体结构在不同加载条件下的力学特性与破坏模式提供了一种新方法。通过数值模拟技术，我们可以开展复杂结构岩体工程的开挖力学相应与破坏模式的全过程分析。鞠杨等人在《中国科学：技术科学》中指出三维数字模型的建立是数值模拟试验中极为重要的内容，三维模型建立的精细化程度很大程度上影响着数值模拟的计算精度。含多种薄弱结构下大尺度柱状节理岩体的破坏模式分析对相应大型工程的建设、施工及安全稳定性评价具有重要的指导意义，但其三维数字模型的精确化建立具有极为复杂的建模过程，因而难以实现，往往对其进行多次简化建立相似模型(Wang等人2022)。但这大大降低了三维模型的精度，使得后续的数值模拟结果不能真实反映实际工程中复杂岩体的力学特性与破坏模式。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法，解决了大尺度复杂岩体工程三维数字模型建模困难的技术问题，实现了可开展结构完全一致大尺度复杂非规则柱状节理岩体在不同加载条件下的力学试验，最终得到同一大尺度复杂非规则柱状节理岩体的力学特性与破坏特征，为岩体工程相关设计提供指导的技术效果。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法，步骤如下：
[0009]步骤1，对大尺度复杂非规则柱状节理岩体进行现场勘察，获得大尺度复杂非规则柱状节理岩体的地层岩性、地质构造与岩层产状；
[0010]地层岩性与岩层产状包括大尺度复杂非规则柱状节理岩体中各岩层的倾角、走向、岩石的成分、结构以及柱状节理、层间错动与断层的位置；
[0011]地质构造包括原生构造与断裂构造，原生构造为柱状节理，断裂构造为层间错动、
断层；
[0012]步骤2，对天然大尺度复杂非规则柱状节理岩体中含柱状节理的岩层进行现场勘察，获得柱状节理的发育特征；
[0013]对柱状节理进行分类，分类数量为k；
[0014]获得k类柱状节理的发育规则程度；
[0015]柱状节理的发育规则程度体现为柱状节理横截面的形状以及各形状数量与全部形状数量之比；柱状节理横截面的形状全部近似为多边形，统计时按近似的多边形进行统计，纳入统计的多边形最少为三角形，最多为八边形；
[0016]步骤3，确定大尺度复杂非规则柱状节理岩体中需要开挖洞口的几何特征；获得开挖洞口的数量以及各洞口的空间分布与几何特征；其中，需要获取的开挖洞口的各种特征根据所选取的实际天然大尺度岩体决定，若岩体中存在多个开挖洞口，则需要对其进行现场勘察，获取相应的空间结构特征；
[0017]步骤4，确定天然大尺度复杂非规则柱状节理岩体的层状岩体二维结构图；层状岩体二维结构图不包括柱状节理及开挖洞口；层状岩体为仅包含各岩层、层间错动和断层的岩体；层状岩体二维结构图为层状岩体的剖面图；
[0018]步骤5，建立层状岩体的三维数字模型；将层状岩体二维结构图转化为二维灰度图，将各岩石层、层间错动、断层的灰度值重新调整为a1，a2，a3，a4...a
i
...，a
i
∈[0，255]，f＝1，2，3，4...，其中a1，a2，a3，a4...的值的设定具有一定间隔，且该间隔应尽量大；
[0019]将灰度图调整为需要的尺寸h
×
v，其中h和v的单位是像素，h为层状岩体二维结构图长方向的像素点个数，v为层状岩体二维结构图宽方向的像素点个数；h和v的取值与精度有关；此外，h和v具有一定的比例关系，调整前后层状岩体二维结构图的长宽比例保持不变，即h/v保持恒定；
[0020]将灰度图复制t次，即得到层状岩体的三维数字模型切片，其中t为建立的层状岩体的三维数字模型的厚度，单位是像素点；
[0021]三维数字模型切片直接以数字矩阵的形式建立，三维数字模型由切片叠加形成；
[0022]步骤6，建立非规则柱状节理岩体的三维数字模型；
[0023]建立与大尺度复杂非规则柱状节理岩体中k类柱状节理发育特征相近的k张尺寸足够大的Voronoi图Fig.j
Voronoi
，(j＝1，2，3...k)；
[0024]将图Fig.j
Voronoi
中岩石与柱状节理的灰度值重新调整为b1，b2；
[0025]根据图Fig.j
Voronoi
建立与大尺度复杂非规则柱状节理岩体中柱体倾角一致的k个非规则柱状节理岩体三维数字模型，非规则柱状节理岩体三维数字模型的大小与层状节理岩体三维数字模型保持一致；
[0026]步骤7，在层状岩体三维数字模型相应柱状节理层上建立非规则柱状节理岩体；
[0027]根据层状岩体的二维灰度图，确定柱状节理所在岩层的灰度值z1，z2，z3...；
[0028]在层状岩体的三维数字模型中分别将灰度值为z1，z2，z3...的区域替换为对应柱状节理种类的非规则柱状节理岩体三维数字模型；
[0029]替换时，只将层状岩体中对应非规则柱状节理岩体三维数字模型位置中灰度值为b2的部分替换，不替换b1的部分；
[0030]步骤8，在层状岩体的三维数字模型中开挖复杂非规则洞口；
[0031]将非规则洞口分割为规则的立体图形，如长方体、球、半球、圆锥、圆台、棱台等；
[0032]分别建立分割后立体图形的三维数字空洞模型d1，d2，d3...；
[0033]确定层状岩体三维数字模型中各开挖立体图形的区域s1，s2，s3...；
[0034]将层状岩体三维数字模型中s1，s2，s3...区域替换为d1，d2，d3...区域；
[0035]步骤9，将最终得到的数字模型切片叠加，得到大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型；
[0036]叠加的方式采用编程软件进行处理，以矩阵的布尔运算进行叠加。
[0037]通过上述的一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法制得。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大尺度复杂非规则柱状节理岩体三维数字模型建立方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，对大尺度复杂非规则柱状节理岩体进行现场勘察，获得大尺度复杂非规则柱状节理岩体的地层岩性、地质构造与岩层产状；地层岩性与岩层产状包括大尺度复杂非规则柱状节理岩体中各岩层的倾角、走向、岩石的成分、结构以及柱状节理、层间错动与断层的位置；地质构造包括原生构造与断裂构造，原生构造为柱状节理，断裂构造为层间错动、断层；步骤2，对天然大尺度复杂非规则柱状节理岩体中含柱状节理的岩层进行现场勘察，获得柱状节理的发育特征；对柱状节理进行分类，分类数量为k；获得k类柱状节理的发育规则程度；柱状节理的发育规则程度体现为柱状节理横截面的形状以及各形状数量与全部形状数量之比；柱状节理横截面的形状全部近似为多边形，统计时按近似的多边形进行统计，纳入统计的多边形最少为三角形，最多为八边形；步骤3，确定大尺度复杂非规则柱状节理岩体中需要开挖洞口的几何特征；获得开挖洞口的数量以及各洞口的空间分布与几何特征；步骤4，确定天然大尺度复杂非规则柱状节理岩体的层状岩体二维结构图；层状岩体二维结构图不包括柱状节理及开挖洞口；层状岩体为仅包含各岩层、层间错动和断层的岩体；层状岩体二维结构图为层状岩体的剖面图；步骤5，建立层状岩体的三维数字模型；将层状岩体二维结构图转化为二维灰度图，将各岩石层、层间错动、断层的灰度值重新调整为a1,a2,a3,a4…
a
i
…
，a
i
∈[0,255],i＝1,2,3,4
…
，其中a1,a2,a3,a4…
的值的设定具有一定间隔，且该间隔应尽量大；将灰度图调整为需要的尺寸h
×
v，其中h和v的单位是像素，h为层状岩体二维结构图长方向的像素点个数，v为层状岩体二维结构图宽方向的像素点个数；h和v的取值与精度有关；此外，h和v具有一定的比例关系，调整前后层状岩体二维结构图的长宽比例保持不变，即h/v保持恒定；将灰度图复制t次，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏英杰，赵丹晨，杨海，李天娇，唐春安，刘炳辰，孟庆坤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：