塊體理論赤平投影的三維可視化方法技術

公開一種塊體理論赤平投影的三維可視化方法，其所屬領域為非連續工程計算及其可視化。其基本思想是將二維的赤平投影恢復到三維空間并進行展示和交互操作，主要步驟包括：根據輸入節理面的傾角和傾向得到每個節理面方程；求每兩個節理面交線，記錄所有可能的滑動方向；根據外力方向分析計算每個節理錐的滑動方向；建立所有節理錐的三維模型；分析計算每個節理錐的滑動模式和安全系數；根據計算結果繪制赤平投影三維可視化模型，并進行鼠標在三維空間的交互操作。其作用在于使得原本晦澀難懂的分析過程變得易于理解，分析結果更形象直觀，從而促進關鍵塊體理論在實際工程中的應用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術所屬領域為非連續工程計算及其可視化，涉及巖土工程中的非連續分析與計算、計算機圖形學、科學計算可視化等技術。
技術介紹
巖體作為邊坡、地基和地下洞室等工程的直接作用對象，是在漫長的地質歷史發展過程中經受了各種地質作用，并在地應力的長期作用下，在其內部保留了各種永久變形的跡象和地質構造形跡的天然地質體。因此，巖體具有一定的結構特征。這些結構特征是由巖體中含有不同類型的結構面及其在空間的分布和組合狀況所決定的。結構面是在地質歷史發展中，在巖體內形成的具有一定方向、一定規模、一定形態和特性、力學強度相對較低的面、縫隙以及帶狀的地質界面，如巖層層面、片理、節理、軟弱夾層、裂隙，以及斷層破碎帶等。結構體，又稱塊體，泛指被各類結構面和臨空面所切割的巖體。在自然狀態下，這些塊體處于靜力平衡狀態，在進行人工開挖過程中或開挖成型后，或對巖體施加新的荷載后，由于應力重新分布，暴露在臨空面上的某些塊體會失去原始的靜力平衡狀態，沿著某些結構面滑移，進而造成工程巖體的失穩破壞，給施工帶來嚴重的威脅，直接影響施工的安全和進度。巖體的破壞可分為變形破壞和塊體失穩破壞。從大量的工程實踐可以看出，在地下洞室、邊坡和地基等巖體開挖工程中，巖體的破壞多表現為塊體的失穩破壞，比如地下洞室的圍巖分類和圍巖支護的設計均與圍巖塊體的穩定性有密切關系；巖體的力學強度，包括巖石塊體強度和結構面強度，通常情況下，結構面的存在及其強度，控制著巖體的強度及穩定性。實際的工程巖體，其變形失穩往往由于結構面發生張開、閉合、錯動等而引起，而巖塊的力學性能通常比結構面高得多，其變形相對小得多，若不存在結構面時也穩定得多。所以，在地下洞室、邊坡和地基等巖體工程的設計及施工中，巖體穩定性研究是一項極為重要的內容。巖體穩定性分析的目的就是通過各種手段和途徑，正確認識受力巖體的變形和破壞規律，判定巖體的穩定狀況，預測其未來的變化，制定出有效的工程處理措施。其一般研究過程包括在地質勘查、巖體物理力學性質試驗的基礎上，通過經驗類比、工程地質定性分析等，對巖體的穩定性及失穩破壞模式作定性分析；通過將復雜的巖體進行必要的簡化，如抽象為剛性、彈塑性連續變形體，采用極限平衡分析法、有限差分法、有限單元法、離散單元法、邊界單元法、非連續變形分析法和數值流行法等，進行巖體穩定性計算與工程開挖、支護分析，為工程設計提出科學合理的意見和建議。塊體理論是一種巖體工程穩定性分析方法，最早由石根華在20世紀70年代提出。1977年，石根華在《中國科學》上發表“巖體穩定分析的赤平投影方法” 一文，標志著塊體理論初步形成，并在隨后對塊體理論做了嚴格的數學證明。1985年，石根華與R. E. Goodman共同編著的《Block Theory and Its Application to Rock Engineering))一書出版，標志著塊體理論體系的正式形成。目前，塊體理論已成為地下洞室、邊坡和壩基等工程巖體穩定分析的一種有效方法，在世界各國和地區得到了廣泛的研究和應用。經典塊體理論首先假定結構面為平面且貫穿整個研究區域，引出半空間的概念，視塊體為幾組結構面和臨空面半空間的交集，建立塊體分類體系；其次對不同產狀的結構面進行平移，建立塊體的數學抽象模型錐體(Pyramid)，并進一步區分出塊體錐(BlockPyramid)、節理維(Joint Pyramid)、開挖維(Excavation Pyramid)和空間維(SpacePyramid)的概念,進而提出塊 體“有限性定理”(Finiteness Theorem)和塊體“可動性定理”(Removability Theorem)，設JP為節理錐，EP為開挖錐，SP為空間錐，BP為塊體錐，則可給出兩個定理的簡潔表述有限性定理塊體有限當且僅當JP n EP = 0。可動性定理凸塊體可動當且僅當JP#0且jp n EP = 0。這兩個定理已由石根華給予了嚴格的數學證明，故也稱為石氏定理，是塊體理論的核心。在此基礎上運用全空間赤平投影和矢量計算法可對邊坡、隧洞等的可動塊體進行快速有效的識別和判斷；然后假定剛性塊體沿軟弱結構面脫離或剪切滑移，在主動力合力的作用下，即可確定相應塊體的滑動模式；最后根據結構面的內摩擦角識別出真實的關鍵塊體。
技術實現思路
如前所述，在實際工程中，特別是施工過程中，對巖石塊體的穩定性分析通常采用關鍵塊體理論，使用三維可視化方法展示其分析結果，一方面可以使分析結果更直觀，更易于理解；另一方面結合二維赤平投影，以多種方法演示同一結果，可使結果更具說服力；同時，通過提供三維交互功能，可以對三維可視化結果進行某種交互式的測試，以驗證分析結果的可靠性。關鍵塊體理論的三維可視化主要包括對赤平投影的三維可視化和對實際塊體的三維可視化。赤平投影本是用二維平面上的圓和點來表示三維空間的平面和直線(向量)，雖然直觀但難以理解。本專利技術的目的是提供一種赤平投影的三維可視化方法，將其分析過程和結果映射到三維空間，在參考球內用三維圖形的方式直接表示巖石結構面(尤指節理面)間的相互關系，同時滿足交互的要求，其關鍵是根據給定的巖體節結構面參數建立結構面錐體(尤指節理錐，以下簡稱JP)的三維模型，并給出其滑動模式以助于判斷塊體穩定性。該方法的主要步驟如下。步驟I :根據輸入結構面的傾角(Dip)和傾向(Dip Direction)得到每個結構面方程；步驟2 :求每兩個結構面交線，記錄所有可能的滑動方向；步驟3 :根據外力方向分析計算每個結構面錐體的滑動方向；步驟4 :建立所有結構面錐體(JP)的三維模型；步驟5 :分析計算每個結構面錐體(JP)的滑動模式和安全系數；步驟6 :根據計算結果繪制赤平投影三維可視化模型，并進行鼠標在三維空間的交互操作；步驟7 :根據上面的分析結果以及臨空面朝向和位置建立關鍵塊體三維模型并繪制。本專利技術有益效果是利用計算機圖形學技術對經典塊體理論的赤平投影分析方法進行三維可視化，使得原本晦澀難懂的分析過程變得易于理解，分析結果更形象直觀，從而促進關鍵塊體理論在實際工程中的應用。附圖說明圖I是結構面錐體三維模型建立示意圖；圖2是二維赤平投影分析結果示意圖；圖3是驗證實例赤平投影三維可視化結果示意圖；圖4是驗證實例標號為1001的JP形狀及其滑動方向；圖5是驗證實例標號為1001的關鍵塊體形狀渲染結果。具體實施例方式下面將結合附圖對本專利技術加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本專利技術的理解，而對其不起任何限定作用。步驟I :根據輸入結構面的傾角(Dip)和傾向(Dip Direction)得到每個結構面Pi方程AiX+Biy+CiZ = O (將結構面平移到通過參考球面的球心即原點)，即記錄每個結構面的法向量rij = normalize (τ)(I)步驟2 :求每兩個結構面Pi和Pi的交線，將其分為從球心(原點)出發的兩個方向相反的向量，并記錄共享該向量的相交結構面編號，用符號表不即為eu和ejj向量方向按右手系規則)，可用下式計算權利要求1.一種，其特征在于利用計算機圖形學技術將塊體理論赤平投影的二維分析過程和結果在三維空間進行展示，并提供三維交互的功能，使分析過程和結果具有動態效果，有利于對塊體理論的理解和應用，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種塊體理論赤平投影的三維可視化方法，其特征在于利用計算機圖形學技術將塊體理論赤平投影的二維分析過程和結果在三維空間進行展示，并提供三維交互的功能，使分析過程和結果具有動態效果，有利于對塊體理論的理解和應用，其包括如下步驟：步驟1：根據輸入結構面的傾角和傾向得到每個結構面方程，并將結構面平移到通過參考球的球心，記錄每個結構面的法向量；步驟2：求每兩個結構面交線，作為結構面錐體的棱和可能的雙面滑動方向；步驟3：求所有可能的結構面錐體滑動方向，包括單面滑動和雙面滑動，并將所有滑動方向按與外力方向的夾角從小到大排序；步驟4：建立所有結構面錐體的三維模型；步驟5：分析計算每個結構面錐體的滑動模式和安全系數，滑動模式由結構面錐體的可滑動性和滑動方向構成，滑動方向由落在結構面錐體內且與外力方向夾角最小的滑動向量確定；步驟6：根據計算結果繪制赤平投影三維可視化模型，并進行鼠標在三維空間的交互操作。步驟7：根據步驟5的分析結果尋找可能成為關鍵塊體的結構面錐體，分析構成該結構面錐體的結構面加上臨空面是否構成關鍵塊體，若構成關鍵塊體則建立其三維模型并進行繪制。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：薛健，李建勇，
申請(專利權)人：中國科學院研究生院，
類型：發明
國別省市：