巖土工程中基于柵格三維地層建模及空間分析

根據(jù)巖土介質(zhì)中復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象及其地層的層狀展鋪特性,建立了三維地層模型。三維地層信息系統(tǒng)在巖土工程中的重要作用就是數(shù)據(jù)庫管理功能、復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象的可視化及分析功能。闡述了3dsis的功能和應(yīng)用,提出了3dsis與數(shù)值分析方法、專家系統(tǒng)耦合集成的模型。

緩沖區(qū)分析是二維gis空間分析的基本功能,但目前對三維gis中的緩沖體分析研究較少。該文對三維緩沖體分析的意義進(jìn)行了分析,并針對地質(zhì)應(yīng)用,根據(jù)生長元是否向周圍均勻擴(kuò)散及擴(kuò)散周圍是否存在障礙物,對三維緩沖體的種類進(jìn)行了劃分。提出了有約束緩沖體的生成算法,討論了非均質(zhì)的緩沖體的生成算法。

本文介紹了gis三維地形建模技術(shù)的常用方法,利用arcgis平臺三維分析擴(kuò)展模塊建立一個三維地形模型。模型為該項巖土工程的建設(shè)提供了真實、客觀的可視化參考數(shù)據(jù),對本次巖土工程的建設(shè)起到了重要作用。

在巖土工程有限元數(shù)值模擬中,復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境使得建模困難,模型一般都被簡化處理。其結(jié)果直接影響計算的準(zhǔn)確性。借助地質(zhì)模型能最大程度地表達(dá)地質(zhì)實際的特點,將地質(zhì)模型和數(shù)值模型相結(jié)合,提出一種新的巖土工程有限元建模方法——crm地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化法。其核心思想是將三維地質(zhì)模型經(jīng)過特定方式轉(zhuǎn)化為符合有限元網(wǎng)格要求的數(shù)值計算模型。具體轉(zhuǎn)化過程為:①根據(jù)計算范圍對地質(zhì)模型進(jìn)行區(qū)域切割;②從切割模型提取控制數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu);③對重構(gòu)模型按地層屬性自動剖分有限元網(wǎng)格;④將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值分析系統(tǒng)完成建模。通過編程實現(xiàn)與實例驗證,這種方法能準(zhǔn)確生成復(fù)雜模型網(wǎng)格,整體建模速度快,自動化程度高,且能方便地模擬開挖過程,并可為不同的數(shù)值分析系統(tǒng)使用,極大地提高了前處理工作的效率。

針對于地表以下地質(zhì)空間的研究,三維地質(zhì)模型是一個可以有效、直接的研究方法。本文從鉆孔、剖面和散點三個角度對地質(zhì)空間三維動態(tài)模型進(jìn)行理論和構(gòu)建方面的闡述,伴隨著三維gis技術(shù)的發(fā)展,為地質(zhì)空間三維動態(tài)模型的深入提供了更廣闊的前景。

地質(zhì)剖面圖或籬柵圖是地質(zhì)勘探人員了解描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)手段之一。該文實現(xiàn)了從三維地質(zhì)模型中提取任意剖面圖的基礎(chǔ)算法,即三維tin與tin相交算法。該算法作為許多商業(yè)圖形軟件的核心算法,屬于商業(yè)秘密。該文詳細(xì)論述了該算法原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算流程等。該算法作為實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)的三維巖土工程系統(tǒng)的一部分,既能靈活的設(shè)定曲面形狀與方向,又能夠顧及到復(fù)雜的約束條件。最后針對具體的工程實例檢驗了算法的正確性和應(yīng)用價值。

基于距離的分析是gis中的一項基本空間分析功能,目前該分析主要是基于二維的,對三維空間的距離分析研究則較少。對基于三維柵格的距離分析進(jìn)行了研究,提出了基于三維柵格的最短距離算法,并把該算法應(yīng)用于非均質(zhì)的三維緩沖體的生成。

巖土工程本身的復(fù)雜性使巖土工程的三維模型分析結(jié)果與實際有一定的誤差。利用已有的工程反饋資料,對模型參數(shù)進(jìn)行反演分析。修正易調(diào)整的誤差因素,來彌補(bǔ)不易調(diào)整的誤差因素,將模型計算結(jié)果的最終誤差降到最小。將得到的反演參數(shù)用于下一階段的模型分析,由此獲得的三維計算結(jié)果更接近真實值。

激光掃描測繪技術(shù)作為新技術(shù)的一種被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域之中,它能夠通過目標(biāo)對象表面的三維坐標(biāo)得到完整全面的外觀,且重建精度較高,通過對原始數(shù)據(jù)的快速訪問構(gòu)建出三維數(shù)據(jù)的采集模型.本文將對三維激光掃面技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用以及自動建模方法進(jìn)行分析.

地質(zhì)問題本身的復(fù)雜性,使得三維地質(zhì)建模成為制約巖土工程數(shù)值模擬發(fā)展的障礙之一。充分利用工程地質(zhì)勘察的基本資料,根據(jù)所研究地質(zhì)對象的空間形態(tài)和相互關(guān)系,以autocad為平臺,借助autolisp二次開發(fā)技術(shù),進(jìn)行autocad三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。探討了建模過程中關(guān)于地表、地層以及軟弱帶等模擬的方法以及奇異單元的優(yōu)化處理技術(shù)。最后,將此建模方法應(yīng)用到實際工程中。結(jié)果表明,所建立的模型基本上保存了原地質(zhì)體的信息,在網(wǎng)格規(guī)模一定時充分利用了地質(zhì)體的控制信息,避免了建模過程中不必要的簡化所造成的失真。

文中針對導(dǎo)航及地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的二維巖土工程勘察圖紙已不能夠為計算機(jī)信息處理提供大量、簡捷和直觀的巖土勘察信息的問題,提出了三維建模技術(shù)和可視化技術(shù).該技術(shù)在分析和測量大量的勘察資料的基礎(chǔ)上,運用三維立體建模和可視化編程軟件技術(shù),實現(xiàn)了巖土勘察地形的立體空間模型,并在可視化技術(shù)下,該場景真實逼真,該模型的提出為巖土勘察工程提供了重要的參考價值,且在未來的發(fā)展中有較強(qiáng)的實用價值.

隨著計算機(jī)技術(shù)與虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展,三維可視化技術(shù)已經(jīng)逐漸被運用在眾多領(lǐng)域工程建設(shè)中.三維技術(shù)是將空間數(shù)據(jù)信息通過計算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)化為三維圖形,并且能對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效與直觀處理的高科技技術(shù),在建筑施工巖土工程中廣泛的被運用起來.本文就巖土工程中的三維可視化技術(shù)特點與技術(shù)要點進(jìn)行分析,指出三維可視化技術(shù)在巖土工程中的具體作用.

通過對一段時間開發(fā)工作的總結(jié),提出實現(xiàn)三維巖土工程平臺的整體思路。并將開發(fā)出的地質(zhì)模型自動生成、道路邊坡建模、基坑建模及計算等功能結(jié)合應(yīng)用實例加以介紹。

基于三維地質(zhì)模型的巖土工程數(shù)字化的應(yīng)用,成為我國巖土工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。巖土工程的三維地質(zhì)建模和可視化分析研究,提高了巖土工程的信息化管理水平,在巖土工程領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。本文對巖土工程三維地質(zhì)模型建模和可視化分析的特點進(jìn)行了介紹,結(jié)合巖土工程基坑開挖施工的實際情況,提出了基坑開挖體的三維地質(zhì)模型的建模方法,并對巖土工程基坑開挖體的三維地質(zhì)建模的可視化分析方法進(jìn)行了研究。

建立三維的土層模型是開展巖土工程數(shù)字化基礎(chǔ)工作之一.文章介紹運用柵格法在基于鉆孔數(shù)據(jù)情況下構(gòu)建土層三維模型.該方法能夠在建模中簡單通過柵格層之間的運算關(guān)系處理土層之間拓?fù)潢P(guān)系,能夠大大減少拓?fù)潢P(guān)系處理的計算量.在此以杭州地震小區(qū)劃項目中江北區(qū)三維建模工作為例,驗證了該方法能有效滿足工程需要.

三維地質(zhì)模型主要通過剖面構(gòu)造·自動建模方法要求這些剖面基本平行,并且相鄰剖面地質(zhì)體的差別不能過大·本文針對剖面數(shù)據(jù)較少且不平行的情形,設(shè)計了人機(jī)交互的三維地質(zhì)模型構(gòu)造方法,利用普通多面體柵格化算法和由marchingcubes算法得到的光柵矢量化,實現(xiàn)了光柵和矢量模型的相互轉(zhuǎn)換·在保證模型間拓?fù)湔_的基礎(chǔ)上,提高了地質(zhì)模型的編輯效率,并在實踐中得到了檢驗·

由于地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、賦存環(huán)境的隱蔽性和工程作用多變性的特點,給地質(zhì)信息描述和工程分析造成了許多困難。本文主要就三維巖土工程模型構(gòu)造方法進(jìn)行分析探討,從自然地質(zhì)對象和人工對象建模兩種方法進(jìn)行描述,對于復(fù)雜地層中基坑開挖分析建立在三維可視化具有一定幫助。

三維地質(zhì)建模軟件是計算機(jī)技術(shù)在地質(zhì)中應(yīng)用的重點和發(fā)展方向,它將大量地質(zhì)資料和地質(zhì)人員分析判斷結(jié)果抽象為可視化的地質(zhì)模型,使復(fù)雜的空間關(guān)系可視化,通過對模型的旋轉(zhuǎn),從不同的角度觀看模型,形象直觀。在三維地質(zhì)模型上任切剖面圖大大提高了地質(zhì)成圖的效率。該軟件已在多個工程的地質(zhì)工作中應(yīng)用,軟件功能不斷增強(qiáng),已經(jīng)從研究階段進(jìn)入實用階段。

提出基于真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)的巖土工程材料三維數(shù)值分析方法。運用數(shù)字圖像技術(shù),將巖土工程材料的表面圖像轉(zhuǎn)換為材料的真實矢量細(xì)觀結(jié)構(gòu)。然后通過一種簡單變換,將該矢量結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單層的三維結(jié)構(gòu)。最后采用研磨及掃描循環(huán)系統(tǒng),逐步掃描并生成每一層材料的表面細(xì)觀結(jié)構(gòu),將這些沿深度方向連續(xù)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐層逐層疊加起來,從而形成了整個試件的三維真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)。該細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以與傳統(tǒng)數(shù)值計算方法耦合來分析非均質(zhì)巖土工程材料的力學(xué)性能。以香港花崗巖為例,采用有限差分法軟件flac3d,分析巖石在單軸受壓情況下的三維應(yīng)力分布及裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展過程。計算結(jié)果顯示真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)能顯著影響材料的力學(xué)性能及破裂模式。

巖體工程本身可靠性、材料參數(shù)選擇與分類、工程優(yōu)化設(shè)計、災(zāi)變問題、工程邊坡與地下工程穩(wěn)定性、工程管理和數(shù)值計算等領(lǐng)域均大量涉及到模糊分析理論的應(yīng)用,通過應(yīng)用為工程設(shè)計和實踐服務(wù),在嘗試與經(jīng)驗總結(jié)中不斷推進(jìn)模糊分析理論的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢的日益顯著以及市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市空間也變得越來越擁擠。為了解決城市空間的問題，擴(kuò)大人們活動的空間，充分利用地下空間，實施巖土工程開發(fā)是一個有效的解決方法。工程地質(zhì)是巖土工程開發(fā)過程中的難點，科學(xué)合理地分析工程地質(zhì)是提高地下空間巖土工程開發(fā)質(zhì)量的有效途徑。本文將立足于地下空間巖土工程開發(fā)的實際，分析地下空間巖土開發(fā)過程中的工程地質(zhì)問題，進(jìn)而闡述地下空間巖土開發(fā)工程地質(zhì)勘測的新思路，希望能給施工單位帶來一定的啟示。

計算機(jī)技術(shù)在勘察領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,近年來隨著信息技術(shù)特別是計算機(jī)圖形學(xué)、地理信息科學(xué)、三維巖土工程建模和三維工程分析技術(shù)的發(fā)展,興起的三維巖土工程勘察信息技術(shù),更是受到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。它能夠?qū)Ω鞣N原始數(shù)據(jù)、圖像、圖件、文字報告進(jìn)行綜合動態(tài)管理,并在此基礎(chǔ)上生成二維地質(zhì)剖面圖、三維地質(zhì)模型等,提高了數(shù)據(jù)可視化程度,直觀形象地表達(dá)了構(gòu)筑物及區(qū)域地質(zhì)單元的空間展布規(guī)律,實現(xiàn)工程智能決策,以充分挖掘工程信息的價值。本系統(tǒng)首次實現(xiàn)利用導(dǎo)入鉆孔進(jìn)行三維建模并且手動調(diào)整尖滅比例設(shè)置；利用層面的下沉方式對地層進(jìn)行解譯,解譯過程支持人機(jī)交互控制層面,通過對建模參數(shù)設(shè)置控制模型的精度、范圍及插值效果,最終自動生成地質(zhì)體,實現(xiàn)三維分析應(yīng)用,實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)與剖面圖轉(zhuǎn)cad圖。