CN113947000B - 地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程三维建模及分析，其公开了一种地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，实现快速建模、自动分析计算，以减轻设计工程师的建模和分析工作强度，提高设计工作效率。该方法在地下洞室模型的基础上，通过块体所揭露的位置和产状建立块体滑面；基于块体滑面进行方向判定、切割运算，生成围岩块体特征对象，并进行属性赋值；然后对围岩块体特征对象进行特征解码，将解析的信息存储到外部文件；调用有限元分析软件读取和解析该文件；根据解析信息重构块体三维模型，进行块体识别和滑面编号，然后进行一体化求解和计算分析；根据求解结果，提取各滑面的单元和节点的应力大小和方向，然后计算整个块体的安全系数并输出稳定性分析报告。

Description

地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法

技术领域

本发明涉及地下工程三维建模及分析，具体涉及一种地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法。

背景技术

地下洞室的结构空间跨度大、地质条件复杂，完成块体结构建模效率较低。将块体模型转化为STEP等中间格式文件，丢了属性信息及对应关联关系。导入到有限元分析软件，不能自动剖分网格、材料赋值、荷载施加和计算分析，无法实现块体快速建模和稳定分析的一体化，无法满足施工过程的快速、动态评估块体稳定安全的需要，并作出块体支护设计参数。

从公开的文献和资料来看，尚未发现在复杂地下洞室围岩的特征建模及稳定分析一体化的工具和方法，采用目前的流程和方法，无法满足工程设计及现场施工的快速、准确的要求。

因而，实现对复杂地下洞室围岩块体的快速建模、块体信息流转、快速评估块体稳定性的方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，实现快速建模、自动分析计算，以减轻设计工程师的建模和分析工作强度，提高设计工作效率。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，包括以下步骤：

S1、复杂地下洞室围岩块体的几何建模：

在地下洞室模型的基础上，通过块体所揭露的位置和产状建立块体滑面；

基于块体滑面进行方向判定、切割运算，生成围岩块体特征对象，并进行属性赋值；

S2、复杂地下洞室围岩块体的有限元建模：

对围岩块体特征对象进行特征解码，解析几何属性、材料属性、力学属性等；

将解析出来的信息按照一定格式存储到外部文件；

调用有限元分析软件，读取和解析该文件；

根据解析信息重构块体三维模型，进行块体识别和滑面编号，然后进行剖分网格、赋值材料、施加荷载和求解计算的一体化分析；

S3、复杂地下洞室围岩块体的稳定分析：

根据求解计算结果，提取各滑面的单元和节点的应力大小和方向，然后计算整个块体的安全系数，并输出稳定性分析报告；

S4、复杂地下洞室围岩块体信息的存储：

对围岩块体特征对象的几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储，分析、计算和报告来自同一特征对象，支持可视化和同步更新，保证了模型和数据一致；同时，在一个模型中，对同一个项目下的多块体稳定分析计算结果进行可视化管理。

作为进一步优化，步骤S1中，所述进行属性赋值的内容包括：块体容重、滑面材料参数、荷载参数，其中，荷载参数包括预应力支护、非预应力支护、地下水、地震力等。

作为进一步优化，步骤S1中，进行属性赋值后的围岩块体特征对象集成了块体几何模型和属性信息，块体几何模型可根据滑面位置和产状进行关联更新驱动。

作为进一步优化，步骤S2中，在重构块体三维模型，进行块体识别和滑面编号后，还包括：复核模型数据的完整性，如果不符合完整性要求，对模型参数进行检查修改，直至满足完整性要求。

作为进一步优化，步骤S3中，所述计算整个块体的安全系数具体包括：

对各滑面的单元和节点的应力进行法向和切向投影，计算滑面上每个节点或单元安全系数，并绘制安全系数分布图；

根据各滑面上的单元和节点法向力和切向力，计算块体的阻滑力和致滑力的大小和方向，计算整个块体的安全系数。

作为进一步优化，步骤S4中，将围岩块体的几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储在块体特征对象上，属性数据组织如下：

块体编号：字符型；

滑面个数：整数型；

滑面编号：整数型；

滑面类型：枚举型；

滑面1～N的边界几何拓扑信息、产状信息：浮点型

材料信息：浮点型；

力学信息：浮点型；

滑动方式：枚举型；

安全系数：浮点型；

备注信息：字符型；

其中，材料信息包括容重、摩擦系数、黏结属性；力学信息包括自重、支护力、地下水、地震力。

作为进一步优化，步骤S4中，实现对复杂地下洞室的多个围岩块体信息的存储和可视化管理。对围岩块体特征对象的几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储，分析、计算和报告来自同一特征对象，支持可视化和同步更新，保证了模型和数据一致。同时，在一个模型中，对同一个项目下的多块体稳定分析计算结果进行可视化管理。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过特征可以支持建立复杂结构的特点，将复杂地下洞室块体按照特征对象方式创建，基于特征对象构建块体有限元模型，然后进行剖分网格、赋值材料、施加荷载和求解计算的一体化分析，并进行稳定性分析，从而实现快速建模、自动分析计算，减轻了设计工程师的建模和分析工作强度，提高了设计工作效率。

(2)本发明中，块体对象是通过特征级实体定义，每一个块体对象包含了块体的属性信息包括尺寸信息、定位信息、材料信息、力学参数、支护参数、安全系数，以及其他关联信息，分析、计算和报告来自同一特征对象，支持可视化和同步更新，从而保证模型和数据一致。集成上述产状、材料和力学等信息，成为同一完整的信息模型，为准确、快速、更为精确的块体稳定分析评价提供数据支撑。本发明可将整个地下空间的块体可能组合和关键块体集成到一个模型上，形成一个全局性的地下洞室所有块体稳定分析评估的工程档案，为后续的设计和调整提供共享和多人协作提供支持。

(3)本发明中的建模与稳定性一体化分析的实现不依赖于特定软件平台，既可以基于商业三维设计分析软件，也可以采用自主开发的三维图形平台和分析工具，在工程应用领域具有重要的应用价值，并且具有高可信度、可应用性、可采纳性。

附图说明

图1为本发明基于地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法实现架构图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，实现快速建模、自动分析计算，以减轻设计工程师的建模和分析工作强度，提高设计工作效率。本发明根据复杂地下洞室围岩块体的几何特征模型和输入参数，构建有限元模型并计算分析，计算块体的安全系数，形成一体化和自动化的方案。

在具体实现上，如图1所示，本发明中的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法包括以下实现步骤：

S1、复杂地下洞室围岩块体的几何建模：

(1)在地下洞室模型的基础上，通过块体所揭露的位置和产状建立块体滑面，

(2)用上述多个滑面进行方向判定、切割运算，生成围岩块体特征；

(3)对块体特征对象进行赋值属性，包括块体容重、滑面力学参数、支护力、地下水、地震力等参数。如此，块体特征对象集成了几何模型和属性信息，块体几何模型可以根据滑面位置和产状进行关联更新驱动。

S2、复杂地下洞室围岩块体的有限元建模：

(1)对块体对象进行特征解码，解析几何属性、材料属性、力学属性等；

(2)提取块体的几何信息和各种属性信息，按照一定格式存储到外部文件；

(3)调用有限元分析软件，读取和解析该文件，解析内容包括几何信息、材料信息、荷载信息等。

(4)根据解析信息重构块体三维块，进行块体识别和滑面编号，复核模型数据的完整性。如果不符合完整性要求，对模型参数进行检查修改，直至满足完整性要求。然后剖分网格，赋值材料、施加荷载、求解计算。

S3、复杂地下洞室围岩块体的稳定分析：

(1)根据求解计算结果，提取各滑面的单元和节点的应力大小和方向；

(2)对各滑面的单元和节点的应力进行法向和切向投影，计算滑面上每个节点或单元安全系数，并绘制安全系数分布图；

(3)根据各滑面上的单元和节点法向力和切向力，计算块体的阻滑力和致滑力的大小和方向，计算整个块体的安全系数，并将主要结算结果存储到块体特征对象上；

(4)输出稳定分析计算报告。

S4、复杂地下洞室围岩块体信息的存储和多块体的可视化管理：

(1)将几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储在块体特征对象上；

(2)对块体对象进行特征解码，实现信息的快速提取、实时显示和交互修改并进行特征编码，在块体对象上更新和存储以上信息；

(3)块体特征对象属性的数据结构内容包括滑面编号、材料信息、力学信息等，通过特征解码输出中间文件格式，这些信息可用于有限元模型重构、材料赋值、荷载施加和计算分析，实现复杂块体建模、分析的自动化和一体化。

其中，块体特征对象属性的一种数据结构示例如下：

块体编号：字符型；

滑面个数：整数型；

滑面编号：整数型；

滑面类型：枚举型；

滑面1～N的边界几何拓扑信息、产状信息：浮点型

材料信息(容重、摩擦系数、黏结属性等)：浮点型；

力学信息(自重、支护力、地下水、地震力等)：浮点型；

滑动方式：枚举型；

安全系数：浮点型；

备注信息：字符型。

(4)在同一个项目模型文件中，管理多个块体特征对象，支持可视化和同步更新，保证模型和数据一致。通过块体特征对象，将整个地下洞室的块体可能组合和关键块体集成到一个模型上，形成一个全局性的地下洞室所有块体稳定分析评估的工程档案，为后续的设计和调整提供共享和多人协作提供支持。

基于上述方案，本发明可以实现快速建模、自动分析计算，减轻了设计工程师的建模和分析工作强度，提高了设计工作效率。

Claims (6)

1.地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、复杂地下洞室围岩块体的几何建模：

在地下洞室模型的基础上，通过块体所揭露的位置和产状建立块体滑面；

基于块体滑面进行方向判定、切割运算，生成围岩块体特征对象，并进行属性赋值；

S2、复杂地下洞室围岩块体的有限元建模：

对围岩块体特征对象进行特征解码，解析几何属性、材料属性、力学属性；

将解析出来的信息按照一定格式存储到外部文件；

调用有限元分析软件，读取和解析该文件；

根据解析信息重构块体三维模型，进行块体识别和滑面编号，然后进行剖分网格、赋值材料、施加荷载和求解计算的一体化分析；

S3、复杂地下洞室围岩块体的稳定分析：

根据求解计算结果，提取各滑面的单元和节点的应力大小和方向，然后计算整个块体的安全系数，并输出稳定性分析报告；

S4、复杂地下洞室围岩块体信息的存储和可视化管理：

对围岩块体特征对象的几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储，分析、计算和报告来自同一特征对象，支持可视化和同步更新，保证了模型和数据一致；同时，在一个模型中，对同一个项目下的多块体稳定分析计算结果进行可视化管理。

2.如权利要求1所述的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，

步骤S1中，所述进行属性赋值的内容包括：块体容重、滑面材料参数、荷载参数；

其中，载荷参数包括预应力支护、非预应力支护、地下水、地震力。

3.如权利要求2所述的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，

步骤S1中，进行属性赋值后的围岩块体特征对象集成了块体几何模型和属性信息，块体几何模型可根据滑面位置和产状进行关联更新驱动。

4.如权利要求1所述的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，

步骤S2中，在重构块体三维模型，进行块体识别和滑面编号后，还包括：复核模型数据的完整性，如果不符合完整性要求，对模型参数进行检查修改，直至满足完整性要求。

5.如权利要求1所述的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，

步骤S3中，所述计算整个块体的安全系数具体包括：

对各滑面的单元和节点的应力进行法向和切向投影，计算滑面上每个节点或单元安全系数，并绘制安全系数分布图；

根据各滑面上的单元和节点法向力和切向力，计算块体的阻滑力和致滑力的大小和方向，计算整个块体的安全系数。

6.如权利要求1-5任意一项所述的地下洞室围岩复杂块体建模与稳定分析一体化方法，其特征在于，步骤S4中，将围岩块体的几何信息、材料信息、力学信息进行分类标识和存储在块体特征对象上，属性数据组织如下：

块体编号：字符型；

滑面个数：整数型；

滑面编号：整数型；

滑面类型：枚举型；

滑面1～N的边界几何拓扑信息、产状信息：浮点型

材料信息：浮点型；

力学信息：浮点型；

滑动方式：枚举型；

安全系数：浮点型；

备注信息：字符型；

其中，材料信息包括容重、摩擦系数、黏结属性；力学信息包括自重、支护力、地下水、地震力。

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