工程岩体三维构模中钻孔数据处理方法

钻探、物探等工程地质勘察数据是揭示工程岩体空间状态的原始数据,其大量原始数据的处理是工程岩体三维构模中存在的主要困难之一。从三维构模的角度出发,将工程岩体按几何特征抽象为连续性岩体、断裂岩体、倒转褶皱岩体和侵入岩体4种结构单元类型。由于钻孔数据是描述工程岩体的重要原始数据,且具有多尺度性的特点,以钻孔数据为例,提出原始数据的纵向概化准则、横向概化准则和纵横向协调准则的处理方法,解决工程岩体多尺度显示问题。根据地质学的地质数据解释方法,结合岩层层状分布的特点,提出工程岩体三维构模中急需的钻孔数据处理方法:原始数据纵向概化准则和原始数据层处理概化方法。利用层处理方法对实测钻孔数据进行概化处理,确定工程岩体所对应的结构单元类型,进而建立组合结构工程岩体三维模型,验证了所提出的钻孔数据处理方法的可行性。     

非层状岩体三维可视化构模技术研究

根据工程岩体的特征，从三维构模的角度，在中国矿业大学(北京)岩土工程研究所研究工作的基础上将岩体的结构单元类型分成二大类四种：即层状的连续型非倒转岩体、非连续型(断裂)岩体及倒转褶皱岩体和非层状岩体(侵入岩体、喷出岩体等)。借助三维GIS的可视化技术与面向对象的构模方法，根据非层状岩体的空间几何特征及地质数据的特点，提出适合于非层状岩体的数据模型，采用断面构模技术实现非层状岩体三维构模。利用多条轮廓线之间的三维表面重构方法构建非层状岩体的表面模型，将多条轮廓线之间的表面重构问题转化为体数据中的等值面构造问题。进而形成非层状岩体的三维可视化构模技术。开发了三维可视化构模系统，并利用该系统所提供的构模技术实现了灵宝金矿侵入型岩体三维模型的构建。     

复杂工程岩体结构三维可视化构造及其应用

针对岩体结构的复杂性和无规律性,提出了一种新的基于NURBS算法的岩体结构三维可视化构造技术。根据实测的离散信息和交互解译得到一系列二维剖面,以系统的思想实现了岩体结构三维可视化模型,并能进行与工程密切相关的结构可视化分析。最后将该技术成功应用到糯扎渡水电站工程的三维岩体结构模拟和可视化分析中,对工程设计有较大的指导意义。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

基于激光扫描的高边坡危岩体识别及锚固方法研究

 利用三维激光测量技术获取高陡边坡的高密度点云坐标数据,建立高边坡表面模型。基于三维激光点云数据提取高陡边坡的岩体结构面的产状和几何信息数据。在此基础上,提出危岩块体的识别方法,即将高陡边坡的危岩体点云数据进行构网,形成为块体单元,然后利用虚拟结构面对块体单元进行分割,形成空间块体模型,并根据危岩体失稳类型对空间块体模型进行分类。基于极限平衡理论和各类危岩的破坏机制以及作用在危岩体上荷载组合,建立危岩体锚固计算方法。将该方法应用于东平白佛山边坡的危岩体调查及治理中,根据白佛山边坡危岩体的主要荷载类型(如自重、裂隙水压力和地震力等)及不同类型的危岩体稳定系数,计算不同类型危岩体的最小锚杆数。研究结果表明：(1) 三维激光扫描技术可以远距离、快速获取高陡边坡的空间坐标数据,进而获取岩体结构面的空间信息和产状;(2) 基于危岩体空间坐标数据、结构面空间信息和不同荷载组合,可进行危岩体分类和锚固计算,得到危岩锚固所需的锚杆或锚索数,为危岩锚固治理设计提供依据。工程实例表明,该方法具有较强的适用性和可靠性,有助于高陡边坡危岩体加固方案的设计和优化。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

Advances in statistical mechanics of rock masses and its engineering applications

To efficiently link the continuum mechanics for rocks with the structural statistics of rock masses,a theoretical and methodological system called the statistical mechanics of rock masses(SMRM)was developed in the past three decades.In SMRM,equivalent continuum models of stressestrain relationship,strength and failure probability for jointed rock masses were established,which were based on the geometric probability models characterising the rock mass structure.This follows the statistical physics,the continuum mechanics,the fracture mechanics and the weakest link hypothesis.A general constitutive model and complete stressestrain models under compressive and shear conditions were also developed as the derivatives of the SMRM theory.An SMRM calculation system was then developed to provide fast and precise solutions for parameter estimations of rock masses,such as full-direction rock quality designation(RQD),elastic modulus,Coulomb compressive strength,rock mass quality rating,and Poisson’s ratio and shear strength.The constitutive equations involved in SMRM were integrated into a FLAC3D based numerical module to apply for engineering rock masses.It is also capable of analysing the complete deformation of rock masses and active reinforcement of engineering rock masses.Examples of engineering applications of SMRM were presented,including a rock mass at QBT hydropower station in northwestern China,a dam slope of Zongo II hydropower station in D.R.Congo,an open-pit mine in Dexing,China,an underground powerhouse of Jinping I hydropower station in southwestern China,and a typical circular tunnel in Lanzhou-Chongqing railway,China.These applications verified the reliability of the SMRM and demonstrated its applicability to broad engineering issues associated with jointed rock masses.     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

 根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

Building information modeling based on intelligent parametric technology

In order to push the information organization process of the building industry, promote sustainable architectural design and enhance the competitiveness of China’s building industry, the author studies building information modeling (BIM) based on intelligent parametric modeling technology. Building information modeling is a new technology in the field of computer aided architectural design, which contains not only geometric data, but also the great amount of engineering data throughout the lifecycle of a building. The author also compares BIM technology with two-dimensional CAD technology, and demonstrates the advantages and characteristics of intelligent parametric modeling technology. Building information modeling, which is based on intelligent parametric modeling technology, will certainly replace traditional computer aided architectural design and become the new driving force to push forward China’s building industry in this information age. __________ Translated from Journal of Chongqing University (Natural Science), 2006, 29(6): 107–110 [译自: 重庆大学学报 (自然科学版)]     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.     

三维可视化建模技术在岩体质量评价中的应用

 岩体的结构特征对岩体工程施工有着重要影响,因此,正确进行岩体质量评价对工程设计和建设具有十分重要的意义。通过对大量数据的采集分析,运用三维可视化工程软件,以一种新的数据结构和方法建立工程结构和地质体三维线框和块段模型,并采用地质统计学方法对三维地质块段进行质量评价指标有效估值,最后按照空间图形集合运算算法,将不同指标的块段模型合并到一起,对岩体质量进行分析评价。将上述理论方法应用到金川III矿区的矿岩可崩性研究中,获得良好的应用效果。     

Engineering geological mapping of heterogeneous rock masses in the Northern Apennines: an example from the Parma Valley (Italy)

Most of the geological formations in the Northern Apennines are made up of flysch and tectonic mélanges. A general characterization of the most common rock masses cropping out in the Val Parma is presented in this paper, using the Marinos–Hoek classification based on the Hoek–Brown criterion. Three groups were identified: heterogeneous rock masses essentially controlled by single discontinuities with strengths much lower than the main rock mass (HH); truly heterogeneous rock masses with approximately equal alternations of hard and weak horizons which fail through the weaker materials (TH) and a rock mass in which the majority of the material is weak, tending to soil-like behaviour (WH). A general engineering geological map of the study area is presented, highlighting the spatial distribution of the three different groups.     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。     

基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究

钻孔过程中钻具实时响应特征蕴藏着大量工程地质信息,通过解译钻进数据定量评价岩体完整性,可为快速获取工程岩体的地质特征提供新途径。采用高精度数字液压、扭矩、转速和激光位移传感器监测地质钻机传动部位,搭建了新型地质钻机数字钻进监测系统。开展了均质材料和裂隙岩体原位钻进试验,根据实时、连续及同步获取的钻具响应特征参数,建立了钻进压力、钻进扭矩、钻头转速和钻进速度的函数关系。在此基础上,滤除钻机机械参数对钻进速度的影响,提出了用于表达岩体完整性的新指标——钻进过程指数。研究发现,钻进过程指数的数字变化趋势能综合反映岩体的破碎程度,能通过信息化方法和数据运算获取岩体完整性,削减了人工统计RQD和编纂岩芯柱状素描图等繁杂的工序,还降低了人为主观因素的不利影响。     

范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别及参数表征

 借助先进的3GSM三维岩体不接触测量技术,对范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构面进行现场测量,获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,得到砂岩岩体结构面联通网络,基于离散介质渗流方法和现场水文试验数据,建立岩体水力学参数表征方法,得到宏观岩体水力学参数,并分析参数的尺寸效应,实现岩体结构参数(几何形态)数字信息与水力学参数的定量表征有机衔接,为范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构稳定性分析和突水危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持。     

不规则柱状节理网络随机模拟方法研究

现场调研发现,不规则柱状节理岩体柱列横截面为不同边数多边形镶嵌组合图形。为了生成不规则柱状节理网络,基于voronoi图生成原理建立了不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形的随机模拟方法,即:先将不规则柱状节理岩体区域假设为矩形区域,确定该矩形区域的范围,然后在该区域内采用随机函数生成一定数量的随机点,通过控制镶嵌组合图形不同边数多边形的比例对随机点进行筛选,得到生成voronoi图所需数据点,然后采用delaunay三角剖分算法生成voronoi图,即为所需不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形,再在CAD软件中对该镶嵌组合图形进行编辑处理,即可得到不规则柱状节理网络三维模型,可为后续3D打印柱状节理网络实体模型和建立不规则柱状节理网络数值计算几何模型提供支撑。最后,以Giant's Causeway典型柱状节理岩体为例进行其柱列横截面镶嵌组合图形随机模拟,初步验证了上述方法的可靠性。     

裂隙岩体三维网络流的渗透路径搜索

裂隙是岩体的主要渗透通道,但裂隙网络的分布非常复杂,只能借助计算机模拟技术。以随机不连续面三维网络计算机模拟技术构筑岩体裂隙系统的空间分布,为岩体水力学问题研究提供岩体空隙结构的物理背景;依据计算几何学提出三维空间裂隙间相互位置关系模式和相应的判定算法,并建立裂隙网络系统渗流模型和表征裂隙间相互位置关系的图论数学模型,经定义边界条件、确定连通分量、删除孤立裂隙等一系列预处理后,实现了裂隙岩体三维网络流渗透路径的计算机搜索。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

基于统计岩体力学的隧道围岩分级方法

国标《工程岩体分级标准》(GB50218—94)在隧道设计阶段应用广泛,但是由于地质条件的复杂性及岩体各向异性的影响,不能精准预测施工阶段隧道围岩等级。本文基于统计岩体力学提出了针对隧道施工阶段的围岩分级方法,即通过现场岩体结构面统计和岩石力学试验,获取结构面参数和岩石力学参数,应用统计岩体力学强度理论及本构理论,获得具有各向异性特征的岩体弹性模量参数E_m,进而应用经验公式换算得到BQ值,从而确定隧道围岩基本分级。在实例中,小盘岭2号隧道GDK347+360里程处围岩设计分级为Ⅲ级;应用此方法重新分级的结果为Ⅳ级,低于设计分级,这与现场观察和监测的围岩性状吻合,说明本方法在隧道施工阶段能较为客观地反映围岩性质。以上研究结果表明,在含碳泥质板岩隧道围岩施工阶段岩体分级过程中,本方法具有良好地适用性。