CN105184864B - 一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法 - Google Patents
一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，与现有技术相比解决了地基换填工程量计算过程繁琐、主观性的缺陷。本发明包括以下步骤：预处理原始数据，搜集场区勘探孔资料和地形图数据，对勘探孔资料和地形图数据进行解译预处理；建立初始三角网模型，对预处理后的数据进行插值计算，初步生成不规则三角曲面和地形起伏曲面；建立虚拟钻孔的地层信息，插入虚拟钻孔，拟合出与标准地层相对应的虚拟钻孔的地层信息；生成场区三维地质结构模型，结合各地层曲面数据和地表起伏曲面，设定场地限制条件，生成基于三棱柱体元的三维模型。本发明极大地提高了工作效率，消除了人为的计算误差。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体来说是一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法。
背景技术
建（构）筑物地基换填工程量计算的传统方法是土建设计人员根据工程地质剖面图和基础平面图，利用人工判读的方式确定每个基础的持力层，估算出每个基础所在位置持力层的深度，进而根据已知的设计参数，如场地设计标高、基础埋深、最小地基承载力特征值等，计算地基处理工程量的相关参数，主要是地基开挖深度、换填高度和换填工程量。
以上方法主要存在以下问题：
（1）主观性强，计算精度低。设计人员采用二维剖面图作为计算的原始资料，基础计算时只能参考邻近勘探点，当地质条件复杂时偏差很大；
（2）计算工作量大，计算过程繁琐。传统的方法通常是首先假定一换填深度，然后核算换填后的地基承载力，如不满足要求则需要重新计算。这样往往要通过数次计算才能满足要求。
（3）管控难度大，造价计算较粗糙。设计人员采用区域代表性勘探点进行计算，无法给出具体单个基础的地基基础埋深及具体地基处理工作量，造成现场施工管控难度大，业主难以进行精细化工程造价控制。
如何开发出一种能够简化、客观的进行地基换填工程量计算的应用工具已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中地基换填工程量计算过程繁琐、主观性的缺陷，提供一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，包括以下步骤：
预处理原始数据，搜集场区勘探孔资料和地形图数据，对勘探孔资料和地形图数据进行解译预处理；
建立初始三角网模型，对预处理后的数据进行插值计算，初步生成不规则三角曲面和地形起伏曲面；
建立虚拟钻孔的地层信息，插入虚拟钻孔，拟合出与标准地层相对应的虚拟钻孔的地层信息；
生成场区三维地质结构模型，结合各地层曲面数据和地表起伏曲面，设定场地限制条件，生成基于三棱柱体元的三维模型。
所述的预处理原始数据包括以下步骤：
获取场区勘探孔资料，勘探孔资料包括钻孔在三维空间的坐标、钻孔的勘探深度、地层分层信息；
针对地层分层信息对场区地层进行统一分层，建立标准地层；
获取地形图数据，地形图数据包括测点三维空间坐标、坐标系、高程系、投影方法；
对场区勘探孔资料和地形图数据进行数据归类和计算转换，使地形图坐标数据、勘探孔坐标数据、高程系三者相一致。
所述的建立初始三角网模型包括以下步骤：
针对勘探孔资料确定勘探孔间的基本拓扑关系；
针对勘探孔间的基本拓扑关系，采用线性内插加密法生成初始的地表面不规则三角网；
对地形图数据进行线性插值计算，生成数字地面高程模型；
将数字地面高程模型作为地面上限设置条件，形成地形起伏曲面。
所述的建立虚拟钻孔的地层信息包括以下步骤：
采用自适应插值加密策略构建插值加密虚拟钻孔，其具体步骤如下：
指定插值点间距或位置；
对区域边界进行离散分析，添加边界插值点；
对区域内部进行规则离散分析，添加内部插值点；
设定间距阈值，根据原始钻孔分布情况将插值点与原始钻孔进行对比，将小于间距阈值的插值点移除；
在边界插值点和内部插值点处构建插值加密虚拟钻孔；
采用克里金插值法，利用原始钻孔数据拟合虚拟钻孔中的地层信息。
所述的生成场区三维地质结构模型包括以下步骤：
在地形起伏曲面上，根据虚拟钻孔中的地层信息标注出插值加密虚拟钻孔，将原始勘探孔和插值加密虚拟钻孔进行合并，构建出初始的地层三角网模型；
在地层三角网模型中，从地表面的不规则三角网中提取一个三角形，将这个三角形设置为第一个勘探的上三角形；
根据第一个勘探的上三角形顶点地层编号，按知识推理方法向下扩展新三角形；
根据上下三角对应关系和钻孔点链构建三棱柱形网格体，记录三棱柱形网格体的描述信息，并将下三角形置为上三角形；
依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止；
遍历地表面的不规则三角网，分别依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止。
有益效果
本发明的一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，与现有技术相比极大地提高了工作效率，消除了人为的计算误差，也保证了现场工程质量和造价管控。本发明在已有原始数据的基础上，结合插值得到的虚拟钻孔资料，生成三维地质结构模型，从而针对三维地质结构模型能够自动判别基础类别，实现自动化计算，基本上消除了计算的人为性误差。在提高精度和效率的基础上，通过自动生成的换填资料也保证了现场工程质量和造价管控。具备了简单、快速、自动化程度高等特征，实现了换填工程量的可视化。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2a-图2c为本发明中三棱柱形网格的结构示意图；
图3为本发明生成的地质结构模型效果图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，包括以下步骤：
第一步，预处理原始数据。搜集场区勘探孔资料和地形图数据，对勘探孔资料和地形图数据进行解译预处理。其具体包括以下步骤：
（1）获取场区勘探孔资料，勘探孔资料为原始初始信息，记载在相关文件和资料中。勘探孔资料包括钻孔在三维空间的坐标（X、Y、Z）、钻孔的勘探深度h、地层分层信息，地层分层信息即各岩层岩性描述、地层厚度、埋深、承载力等。
（2）针对地层分层信息对场区地层进行统一分层，建立标准地层，标准地层用于模拟当前场区的地层信息。
（3）获取地形图数据。地形图数据包括测点三维空间坐标、坐标系、高程系、投影方法等，地形图数据也为原始信息，同样记载在相关文件和资料中。
（4）对场区勘探孔资料和地形图数据进行数据归类和计算转换，其目的是将相互关联性差且不规则的各类数据使用现有技术的方法进行归类和计算转换，以便于下一步进行插值计算，并且转换后还需保证地形图坐标数据、勘探孔坐标数据、高程系三者相一致，以保证数据转换过程中的准确性和对应关系。
第二步，建立初始三角网模型。对预处理后的数据进行插值计算，初步生成不规则三角曲面和地形起伏曲面。由于勘探孔数据的离散性, 仅通过勘探孔数据用 TIN 表面法构建地层模型不能有效地反映地质形态的原貌, 需对原始的勘探孔数据进行插值加密。确立勘探孔间的基本拓扑关系后，采用线性内插加密法生成地表面不规则三角曲面（TIN）。地形起伏曲面则主要根据地形图数据进行线性插值生成DEM模型（数字地面高程模型），为场地提供地面上限设置条件。其具体步骤如下：
（1）针对勘探孔资料确定勘探孔间的基本拓扑关系，根据勘探孔资料中勘探孔的位置信息，得出多个勘探孔之间的基本拓扑关系图。
（2）针对勘探孔间的基本拓扑关系，采用线性内插加密法生成初始的地表面不规则三角网，即地表面不规则三角曲面（TIN）。
（3）对地形图数据进行线性插值计算，生成数字地面高程模型，即DEM模型。
（4）将数字地面高程模型作为地面上限设置条件，结合地表面不规则三角曲面（TIN）形成地形起伏曲面。
第三步，建立虚拟钻孔的地层信息。插入虚拟钻孔，拟合出与标准地层相对应的虚拟钻孔的地层信息。由于场区设定的地层曲率和部分地层分布不均，针对场区内原始钻孔数据稀疏且分布不均的特点，生成的曲面不能满足后期计算和三维模型的构建的要求，需要采用自适应插值加密策略构建插值加密虚拟钻孔，为后面的地层三维构建提供基础数据。其具体包括以下步骤：
（1）先采用自适应插值加密策略构建插值加密虚拟钻孔，以备用于拟合虚拟勘探孔的地层信息。其具体步骤如下：
A、指定插值点间距或位置，具体数值由用户根据需要来确定。
B、对区域边界进行离散分析，在区域边界添加边界插值点。
C、对区域内部进行规则离散分析，添加内部插值点。
D、设定间距阈值，间距阈值的设计用于将过于靠近原始钻点的插值点移除，其数值可以根据实际情况而设定。根据原始钻孔分布情况将插值点与原始钻孔进行对比，将小于间距阈值的插值点移除。
E、在边界插值点和内部插值点处构建插值加密虚拟钻孔，从而确定虚拟钻孔的位置。
（2）采用克里金插值法，利用原始钻孔数据拟合虚拟钻孔中的地层信息。
第四步，生成场区三维地质结构模型，结合各地层曲面数据和地表起伏曲面，设定场地限制条件，生成基于三棱柱体元的三维模型。在已生成的地表起伏面的基础上，同时利用原始钻孔与插值加密虚拟钻孔合并后构建初始地层三角网模型，逐个将三角形沿钻孔向下扩展生成三棱柱形网格TP（Tri-Prism），建立地层的整体描述三维模型。其具体步骤如下：
（1）在地形起伏曲面上，根据虚拟钻孔中的地层信息标注出插值加密虚拟钻孔，如图2a、图2b和图2c所示，将原始勘探孔和插值加密虚拟钻孔进行合并，构建出初始的地层三角网模型。
（2）在地层三角网模型中，从地表面的不规则三角网中提取一个三角形，将这个三角形设置为第一个勘探的上三角形。
（3）根据第一个勘探的上三角形顶点地层编号，按知识推理方法向下扩展新三角形。
（4）根据上下三角对应关系和钻孔点链构建三棱柱形网格体，记录三棱柱形网格体的描述信息，并将下三角形置为上三角形。
（5）依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止，即完成当前三棱柱形网格体在结构模型垂直方向的建立。
（6）遍历地表面的不规则三角网，分别依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止，即将表面的不规则三角网所包含的所有三棱柱形网格体，分别建立垂直方向的结构模型，最终完成场地地层三维地质结构模型的建立。
场地地层三维地质结构模型建立后，其可以方便地计算出地基换填工程量。将基础参数叠加与三维模型中，系统根据参数要求，自动查找相对应的土层。当需确定基础埋深参数时，系统可以根据换填范围轮廓线的角点、换填范围内的勘探点（如果存在勘探孔）、二维地质剖面线与换填范围轮廓线的交点（如果存在剖面线过换填区域）等控制点，读取各控制点处的地层信息，确定各控制点的换填深度，最终以深度最大值作为该基础的实际埋深。确定基础埋深和持力层位置时，模型可以结合基础尺寸大小计算出单个基础换填工程量，最终结合不同基础的类型和数量汇总计算输出建（构）筑物地基换填工程量清单和标注地基换填工程量的基础布置图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (3)
1.一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
11）预处理原始数据，搜集场区勘探孔资料和地形图数据，对勘探孔资料和地形图数据进行解译预处理；
12）建立初始三角网模型，对预处理后的数据进行插值计算，初步生成不规则三角曲面和地形起伏曲面；所述的建立初始三角网模型包括以下步骤：
121）针对原始搜集的勘探孔资料确定勘探孔间的基本拓扑关系；
122）针对勘探孔间的基本拓扑关系，采用线性内插加密法生成初始地表面不规则三角网；
123）对原始搜集的地形图数据进行线性插值计算，生成数字地面高程模型；
124）将数字地面高程模型作为地面上限设置条件，形成地表起伏曲面；
13）建立虚拟钻孔的地层信息，插入虚拟钻孔，拟合出与标准地层相对应的虚拟钻孔的地层信息；
14）生成场区三维地质结构模型，结合各地层曲面数据和地表起伏曲面，设定场地限制条件，生成基于三棱柱体元的三维模型；
所述的生成场区三维地质结构模型包括以下步骤：
141）在地形起伏曲面上，根据虚拟钻孔中的地层信息标注出插值加密虚拟钻孔，将原始勘探孔和插值加密虚拟钻孔进行合并，构建出初始的地层三角网模型；
142）在地层三角网模型中，从地表面的不规则三角网中提取一个三角形，将这个三角形设置为第一个勘探的上三角形；
143）根据第一个勘探的上三角形顶点地层编号，按知识推理方法向下扩展新三角形；
144）根据上下三角对应关系和钻孔点链构建三棱柱形网格体，记录三棱柱形网格体的描述信息，并将下三角形置为上三角形；
145）依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止；
146）遍历地表面的不规则三角网，分别依次向下扩展新三角形，直到三角形顶点均为各自钻孔底部点为止。
2.根据权利要求1所述的一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，其特征在于，所述的预处理原始数据包括以下步骤：
21）获取场区勘探孔资料，勘探孔资料包括钻孔在三维空间的坐标、钻孔的勘探深度、地层分层信息；
22）针对地层分层信息对场区地层进行统一分层，建立标准地层；
23）获取地形图数据，地形图数据包括测点三维空间坐标、坐标系、高程系、投影方法；
24）对场区勘探孔资料和地形图数据进行数据归类和计算转换，使地形图坐标数据、勘探孔坐标数据、高程系三者相一致。
3.根据权利要求1所述的一种用于天然地基换填工程量计算的场地地层三维地质结构模型生成方法，其特征在于，所述的建立虚拟钻孔的地层信息包括以下步骤：
31）采用自适应插值加密策略构建插值加密虚拟钻孔，其具体步骤如下：
311）指定插值点间距或位置；
312）对区域边界进行离散分析，添加边界插值点；
313）对区域内部进行规则离散分析，添加内部插值点；
314）设定间距阈值，根据原始钻孔分布情况将插值点与原始钻孔进行对比，将小于间距阈值的插值点移除；
315）在边界插值点和内部插值点处构建插值加密虚拟钻孔；
32）采用克里金插值法，利用原始钻孔数据拟合虚拟钻孔中的地层信息。
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