（固体力学专业论文）基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究.pdf

中山大学硕士学位论文 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 专业：固体力学 姓名：张伟帆 导师：周翠英教授博导 摘要 地下空间开发与资源利用是二十一世纪城市建设的主题，地质体作为地下空间开发 利用中的作用对象，其模型构造是岩土工程信息化的重要组成部分。由于地质体的结构 复杂性、赋存环境的隐蔽性和工程作用多变性的特点，给地质信息描述和工程分析造成 了许多困难。岩土工程信息仿真分析平台可以较好地解决此类问题，它可以在三维地质 模型上直观地进行基坑数据管理、开挖支护仿真、力学分析等操作，对指导基坑工程设 计、施工具有一定的理论和实践意义。因此，本文选题为“基于三维地质模型的基坑开 挖稳定性研究 展开研究，旨在将复杂地层中基坑开挖分析建立在三维可视化基础上， 为实现岩土工程的可视化研究奠定基础。研究的主要内容包括： ( 1 ) 基于曲面建模思想，应用m u l t i q u d r i c 插值算法和n u i 出s 曲面逼近技术构造 了三维地质模型；借助三维约束建模理论构建了基坑工程中围护结构和支护结构等人工 对象模型，并与三维地质模型集成为统一的岩土工程模型；实现了岩土工程模型的三维 可视化，完成了模型变换、对象提取、基坑开挖等功能。 ( 2 ) 研究了基于大型有限元软件a d i n a 的基坑开挖数值模拟，考虑了分步开挖、 支护对基坑变形的影响，得到的基坑变形分析结果与实际监测数据相吻合。 ( 3 ) 进行了岩土工程模型与有限元分析模型的集成研究，建立了二者之间的访问 接口，实现了程序平台对a d i n a 建模、分析、后处理的批处理调用。 ( 4 ) 设计并实现了岩土工程信息仿真分析系统，根据系统需求把它分为岩土工程 建模模块、基坑开挖分析模块两个主模块以及用户界面模块、数据管理模块、成果输出 模块三个辅助模块。 ( 5 ) 将仿真分析系统应用于广州珠江新城基坑工程，验证了其工程实用性和可靠 性。 关键词：三维地质建模，m u l t i q u d n c 插值；人工对象模型，基坑开挖，有限元分析； 集成 r e s e a r c ho ns t a b i l i t yo f d e e pe x c a v a t i o nb a s e do n3 dg e o l o g i c a l s u a l i z a t i o n m 萄o r ：s o l i dm e c h a n i c s n a m e ：z h a n g w r e i f a n s u p e r v i s o r ：p r o z h o uc u i y i n g a b s t r a c t u n d e r g r o u n ds p a c ed e v e l o p m e n ta n dr e s o u r c e u t i l i z a t i o na r et h et o p i c so fu r b a n c o n s t r u c t i o ni 1 12ls tc e n t u 够g e o l o g i c a ls o l i di st h ci m i i lo b j e c to fu n d e 略r o u n ds p a c e d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n ，a n di t sm o d e l m g i sa ni l ：n p o r t a n tp a r to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i i l g i 1 1 南r m a t i z a _ t i 0 1 1 d u et ot h es t r u c t u r a lc o m p l e x i 够o fg e o l o g i c a ls o l i d ，t h ei n v i s i b i l i t yo f e r 拍r m l e n t 砒l dv a u r 谊b i l i t yo fe n g i n e e r m ga p p l i c a t i o n ，i ti sd i 伍c u l tt op r a c t i c eg e o l o g i c a l i i l f o r m a t i o nd e s c r i p t i o na i l de n g 洫e e r m ga n a l y s i s g e o t e c h n i c a le n g i i l e e r i i l gi i l 南r n l a t i o n s i r n u l a t i o na n a l y s i sp l a t 如r mc a np r o v i d eau s e 向l t o o l t os o l v et h e s ep r o b l e m si ne x c a 、，a t i o n e n g m e e r i l l g i tc a na l s or e a l i z ed a t am a n a g e m e m ，e x c a v a t i o ns u p p o r t a r l dm e c h a m c a la m l y s i s o fd e e pe x c a v a t i o i l ， d i r e c t l y s ot h ep l a t f o mh a sac e r t a i l lt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i n c a n c e 内rf o u n d a t i o nd e s 远na n dc o n s t r u c t i o n t h e r e 南r e ，t h er e s e a r c hc o n c e r n sa b o u t t h es t a b i l i t ya n a l y s i so fd e 印e x c a v a t i o nb a s e do n3 dg e o l o g i c a lm o d e l t h en l a i nr e s e a r c h i n c l u d e s ： ( 1 ) b a s e do ns u r f a c em o d e l i n gt h e o m u t i q u d r i cn e r p o l a t i o na n dn u r b s a p p r o x i r l l a t i o n a r eu s e dt ob u i l da3 dg e o l o g i c a lm o d e l ；b a s e do ng e o m e t r i cc o n s t r a i n tt h e o a n i f i c i a lo b j e c t m o d e l ss u c ha ss u p p o n i n gs t r u c t u r ei 1 1e x c a v a t i o ne n g m e e r i n ga r ea l s ob u i l ta n dn e g r a t e d i n t oau n “eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r _ i i l gn l o d e lw i t h3 dg e o l o g i c a lm o d e l ；3 dv i s u a l i z a l i o no f g e o t e c l l l l i c a le n g i n e e r i l l gm o d e l i sr e a l i z e dw i t hm n c t i o n so ft r a j l s f o r 疵m gi n o d e l ，s e l e c t i l l g o b j e c ta n de x c a v a t 协g ( 2 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o u n d a t i o np i ti ss t u d i e du s i i l gf - m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e m ) o fa d i n as o r w a r e ，a n dt h ee f r e c to fs t e p - b y - s t e pe x c a v a t i n ga n ds u p p o r t 证gi sc o l l s i d e r e d t h ea 1 1 a 1 ”i cr e s u n sc o 血i d e dw e uw i t hm o n i t o r i n gd a t a ( 3 ) i n t e g r a t i o nb e t w e e ng e o t e c h n i c a lm o d e la r l df e m i sd i s c u s s e da n da na c c e s si n t e r f a c e i sd e v e l o p e d ；t h es y s t e mp l a t 南r mr e a l i z e ss o m ef u n c t i o n si i l c l u d m gm o d e l 洫g ，a n a l y z i i l ga n d p o s t p r o c e s s i l 玛o f a d i n ai nb a t c h i i 中山大学硕士学位论文 ( 4 ) g e o t e c h n i c a li n 南r m a t i o ns 疏u l a t i o na n a l y s i ss y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dw 1 1 i c h c o l l s i s t so f t 、v om a i l lm o d u l e sa n dt 量1 r e es u p p l e m e m a r ) rm o d u l e s t h cm a 洫m o d u l e si i l c l u d e g e o t e c h n i c a le n g i n e e r 试gm o d e l m gm o d u l ea n dd e e p e x c a v a t i o na n a l y s i sm o d u l e ；t h e s u p p l e m e n t a d 7m o d u l e si 1 1 c l u d eu s e ri n t e r f - a c em o d u l e ，d a t am a n a g e m e n tm o d u l e ，a r l dr e s u h s o u t p u tm o d u l e b ya p p l y m gt 1 1 i ss y s t e mt ot h ed e 印e x c a v a t i o np r o j e c to fz h u j i a n gn e 叭o w n d i s t r i c t ，g u a n g z l l o uc “y ，c h i i l a ，i ti st e s t i n e dt h a tt h ep r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m i sw e l l k e y w o r d s ： 3 dg e o l o g i c a i m o d e i i n g ；m u l t i q u d r i ci n t e r p o l a t i o n ；d e e pe x c a v a t i o n ； a r t i f i c i a lo b j e c tm o d e l i n g ；f e m ；i n t e g r a t i o n 1 i i 中山大学硕士学位 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狱伟吵甩 日期：如o 年月g 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：张伟慨导师签名：7 掸 日期：加o 年舌月8 日日期：阵6 月厂p 日 中山大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究意义 地下空间的开发与利用是2 l 世纪城市建设的主题，近2 0 年来，我国兴建了大量的 高层建筑、轨道交通等公共设施，随着基坑规模和深度的不断加大，出现了大量的深基 坑工程问题【lj 。一方面，基坑开挖卸荷使基坑四周及坑底土体的应力场发生变化，土体 向坑内方向挤压围护结构，如果围护结构支撑力不足，就有可能导致基坑失稳，造成损 失；另一方面，城市地下空间的开发与利用促进了以三维地质模型构造为基础的地下工 程信息化的发展【2 】。由于地质环境的复杂性和隐蔽性，与地面土地利用相比，地下空间 开发利用存在着诸多不确定问题，给基坑工程的设计者和决策者带来诸多困扰。因此， 如何通过三维地质可视化开发平台进行基坑开挖稳定性研究是基坑工程中值得探讨的 课题。这一问题可以通过将信息技术引入基坑研究中得以解决，在基坑开挖仿真模拟平 台上，借助恰当、可靠的分析方法判断基坑开挖、支护过程的稳定性。因此，基于三维 地质可视化的基坑开挖仿真模拟研究具有重要的实际意义。 为此，本文以广州珠江新城深基坑工程为研究对象，系统开展基于三维地质可视化 的基坑开挖仿真模拟研究。借助三维可视化技术，建立基于钻孔数据的三维地质模型， 在此基础上进行基坑分步开挖模拟，同时构建基坑工程中的人工对象模型，如地下连续 墙、桩、锚杆、支撑等。在开挖过程中，采用有限元数值模拟的方法，考虑分步开挖、 支护的影响，计算开挖过程中土体及围护结构的变形，系统、全面地分析基坑的稳定性， 并结合三维可视化技术对变形分析结果进行基于数字化平台的处理。通过研究，不但可 以得到比较可靠的数值、图形等计算结果，而且能直观体现基坑开挖过程各个施工阶段 的变形情况和变形规律，将有助于根据现场监测数据进行支护设计方案的修改与优化， 以达到经济合理、安全可靠的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 三维地质建模研究现状 三维地质建模是以计算机技术和地质学为基础学科而发展起来的一项关键技术，是 借助计算机和科学可视化技术从2 5 维和真3 维的角度对地质对象及其环境进行模拟和 显示。作为三维g i s 中的一项重要内容，三维地质建模从上个世纪八十年代开始被人们 关注，至今，国内外学者已经对其开展了深入的研究，主要集中在三维数据模型、建模 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 方法、可视化模拟以及工程应用等方面。 ( 1 ) 三维数据模型 工程地质三维数据模型的建立很大程度上借鉴了三维g i s 领域数据模型思想【3 】，在 引入了地质学概念后，才逐步形成了较完善的三维地质模型。目前的研究主要分为面模 型、体模型以及混合模型。 面模型侧重于三维空间实体的表面表示，如地质层面的轮廓和空间架构，其模拟的 表面可以是封闭的，也可以是非封闭的。它的突出优点是便于显示和数据更新，不足之 处在于缺少三维几何描述和内部属性，难以进行空间分析。面模型主要包括多层t 烈模 型和多层d e m 模型。 t i n 模型是三维建模领域最常用的数据模型。刘少华，程朋根【4 】等对t i n 模型的构建 算法进行了研究，实现了三维地形的可视化。朱合华等1 5 】在地层建模研究中，采用t i n 来构造地层面和钻孔之间的剖面。熊祖强、贺怀建等【6 】利用等高线数据构造t i n 模型， 并生成三维地层。李晓军，朱合华等【7 】研究了n n 模型在煤层中三维实体地质模型的应 用。l i n d e n b e c k ，e b e r t 等【8 j 在表面建模过程中，实现了三角网格裁剪的程序。r l 甜u a d a 和j 勋p e r 【9 】详细阐述了d e k u j n a yt i n 算法在地学建模中的应用。y o n gx 和m 洫s 等【1 0 】 研究了如何使用t i n 网格去表示复杂的地质体。 面模型中多层d e m 模型，国内外也有不少的研究。胡金星，吴立新【l l 】等对多层d e m 建模的概念进行了初步研究，提出了建模总体框架。贺怀建，白世伟等【1 2 】在三维地层模 型构造时，提出了使用多层d e m 作为岩层和土层的描述方法。王纯祥，白世伟等【l3 j 借 助数字高程的思想提出多层d e m 处理不规则曲面地层，建立了真三维地层模型。朱良峰 等改进了多层d e m 构模技术，对复杂地层进行较逼真的描述。夏艳华【1 5 l ，张珊珊【蚓， 杨朝辉【1 1 7 1 ，刘少华【l8 】等也对基于多层d e m 模型构造三维地层进行了研究。在国外， b o n h o m - c 绷e r 【1 9 】详细描述了d e m 建模中使用栅格数据结构来构造地层单元的方法。 a l a nm 和n o r n l a nl 【2 0 j 提出的地层面建模思路体现了多层d e m 模型思想。l t a c h e r 【2 1 】， g y o z 0j o r d a i l 【2 2 j 探讨了多层d e m 模型在相关领域的应用。 体模型主要是应用体元模型来表达三维地质模型，它的突出优点是可以进行三维空 间操作和分析，但是数据量庞大，需要的较好的硬件配置。目前的研究集中在基于体元 模型构造三维地层方面。比较突出的研究是三棱柱体元、四面体( t e n ) 体元等。 c a r l s o i l ，e 【2 3 】较早地提出，以地质元( 镜体l e n s ) 作为基础建立地下结构模型。s i i l l o n mh 【2 4 】根据钻孔和地层的分布特点，提出了适用于层状地质体建模的三棱柱模型。张煜， 白世伟【2 5 】在构建地层模型时，提出了使用三棱柱体元来构造地层。齐安文，吴立新等【2 6 】 提出了基于类三棱柱构建地层模型的方法，并做了进一步研究，发展成为广义三棱柱理 论【2 7 1 。徐能熊口钔、刘少华口9 1 、车德福【3 0 1 探讨了三棱柱体元对特殊复杂地层构模的适用 性。 中山大学硕士学位论文 使用四面体体元构造地层的方法是在3 dd e 饥n a y 三角化研究的基础上提出的，t e n 模型是一个基于点的四面体的3 d 矢量数据模型【3 1 。在国外，b 删j o e 【3 1 1 ，v e c t o rjd 【3 2 】， p i l o u tm 【3 3 】等学者都对基于t e n 体元的三维地质建模做了相关讨论。吴江斌，朱合华【3 4 1 提出了使用四面体去构造地层的具体方法。熊磊，杨鹏等【3 5 】研究了不规则四面体体元在 矿层三维可视化中的应用。 在体元建模方面，还有一些学者使用其它方法研究了体模型。s i m o n 【2 4 】探讨了实体 ( s o l i d ) 构模方法来描述地质体复杂内部结构。b a y e r 等【3 6 】使用边界模型去构造三维地 层实体模型。周翠英，董立国等【3 7 】提出利用块体理论构造地层模型。 除了采用单一面模型或者体模型去构造三维地层外，还有一些研究是基于多种模型 混和使用的。李清泉、李德仁【3 8 】根据不同应用提出了t i n 和c s g 集成模型、八叉树和四 面体混合模型等。王彦兵、吴立新【3 9 】等在广义三棱柱模型( g t p ) 中引入四面体几何元 素，进行模型扩展。沈爱俊等【4 0 】研究了多层d e m 与g t p 混合数据模型的实现和应用。 ( 2 ) 建模方法 近2 0 年来，学者们提出了各种方法构建三维地质模型以模拟地层、岩层等地质结构。 c a d 技术是比较早且常用的建模方法。rm a r s c h a l l i n g e r 【4 1 】探讨了使用a u t o c a d 和 s u r 丘屺e 组合的方式来建立地层模型的方法。f l o a t e rm ，h a l b w a c l l sy 等【4 2 】对基于c a d 技术 的地层建模方法做了具体阐述。法国学者m a l l e t 【4 3 】【4 4 】提出了与传统c a d 不同的离散光滑 插值技术( d i s c r e t es m o o t hi n t e r p o l a t i o 玛d s i ) ，它通过相互连接的节点来模拟地质体， 是目前g o c a d 建模软件的核心技术。d ek e m p 【4 5 1 ，s p r a g u ek 【4 6 】研究了三维b e z i e r 曲面和 n u i 出s 曲面相结合的方法进行地层建模。b r a n d e ls 【4 7 】等提出一个“g e o l o g i c a lp i l o t ，可 以实现三维地质模型的自动构建和更新。 国内的研究起步比较晚，但也取得了一些成果。毛先成和戴塔根【4 8 j 提出了地质体几 何造型的概念及地质体建模的几何造型方法。田宜平等【4 9 j 提出相似变形插值法，并应用 于三维地层构造。方海东，刘义怀等【5 0 】采用切片级重建的体视化方法建立三维地质模型， 即“交互式解译法”。钟登华，李明超等【5 l 】提出了一种新的基于n u i 强s 算法的岩体结构 三维可视化构造技术。 ( 3 ) 三维可视化 在确定了三维数据模型和建模方法后，研究人员需要将空间离散的地质数据通过可 视化技术( v i s u a l i z a t i o ni 1 1s c i e n t i f i cc o n l p u t i l l g ) 实现结构化建模与g i s 的集成。在三维地 质可视化的研究中最具代表性的是s i lwh ，l 2 4 j ，他在自己的著作中详细阐述了实现 地下结构三维可视化的基本方法。r h y n e 【5 2 】研究了g i s 与可视化技术( s c i v i s ) 集成下的 虚拟g i s 系统，实现三维世界的可视化浏览与漫游。v e r b r e e ，m a r e n 等【5 3 】也对三维g i s 与 虚拟现实( v r ) 做了研究。s e r o n ，t o l l r e n s 等使用光线追踪技术实现三维地层的可视 化。j o n e s ，m c c a 陆e y 等人【5 5 】在地质建模过程中，使用基于“3 dg e o s p a t i a l ”人机交互软 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 件来实现可视化。 在三维地质可视化显示方面，国内学者也做了很多研究，主要通过商业化3 d 图形软 件a p i 函数来实现。o p e n g l 在这方面独树一帜，受到广大开发者的青睐，白世伟【1 3 】，万 剑华【5 6 】，周翠英5 7 1 ，刘少华等都借助o p e n g l 技术实现三维地层的可视化。除o p e n g l 外，其它三维可视化语言i d l 【1 7 】，v r m l 【5 引，d j r e c t x 【5 9 1 ，v t k 【6 1 也被研究人员引以为用， o s g 【1 1 1 ，1 1 2 】是近几年来比较流行的三维仿真技术。 ( 4 ) 工程应用 三维地质建模是为了解译隐蔽的、不确定的地质信息，它的最终目的还是要服务于 实际工程【6 0 】。三维地质建模在工程上的应用主要体现在三维可视化方面，即在三维可视 化平台上进行工程信息的查询、管理等操作。在工程的力学分析方面，当前的研究只是 一些初步探索，还缺乏实质性的研究。目前，三维地质建模在大型工程领域的研究，主 要集中边坡工程、水利水电工程、隧道工程等方面。 在边坡工程方面，白世伟和王明华【6 1 】根据某一边坡工程特点，通过建立d e m 来实 现边坡开挖可视化及开挖后的稳定性分析；潘伟，刘大安等【6 2 j 研究了在g e m c o m 软件平 台下生成适用于边坡工程的三维地质模型；郑文棠，徐卫亚等【6 3 】基于a u t o c a d 平台构建 三维可视化模型，并借助离散元方法在高边坡的应力变形分析中进行了应用；郭玉荣， 赵继承掣叫采用多边形区域自动分割技术来形成初始边坡地层模型，提高了边坡地层建 模效率。 、 在水利水电方面，钟登华、李明超等1 6 5 石9 】引入n u r b s 建模技术，将构造的地层模型 集成在v i s u a l g e o 系统中，并应用于多个大型水利水电工程的设计；潘炜，刘大安等【6 6 】 对某一水电站坝址的三维地质建模做了研究；范孝锋，许国等f 6 7 】利用g o c a d 软件，生 成了三维地质模型，指导了水电工程的设计；赵攀，田宜平等【6 8 】应用g e oe n g i n e 软件对 水利水电工程的地层模型进行建模。 其它方面，a s e 【a d i 和m h u i s m a n 【7 0 】对隧道周边围岩进行了三维地质可视化，便 于进行隧道空间分析；曾宏和王媛【7 1 】利用g o g 如软件结合d s i 插值方法，对某水电站深 埋引水隧洞沿线区域的三维地质模型进行了可视化研究。 1 2 2 基坑稳定性有限元分析研究现状 基坑的稳定性问题涵盖两方面内容：强度稳定性和变形稳定性。强度的稳定性是以 强度为控制指标，它通常从基坑的安全角度考虑，主要验算结构的强度和稳定性；变形 的稳定性在考虑基坑本身的同时，还要保证环境安全，要求围护结构和坑外土体的变形、 位移限制在一定范围之内。变形稳定性控制一般严于强度稳定性控制，越来越多的深基 坑引起的环境问题使基坑的稳定性研究向变形控制方向发展。 由于基坑分析向变形控制阶段发展，必须考虑诸多复杂因素，如支护结构的整体性 中山大学硕士学位论文 状、复合式结构分析、基坑开挖因素等，因此，仅仅采用古典方法( t r e z a g l l i p e c k 法1 7 2 1 、 h b l u m 法、等值梁法等) 是不切合实际的。众多学者和工程设计人员开始将数值模拟 方法应用到基坑变形分析中，而有限单元法是众多数值方法中应用较多、较为有效的一 种方法。 有限单元法是近三、四十年随着计算机的广泛应用而发展起来的一种数值方法，它 的突出优点是非常适合处理非线性、非均质和复杂边界问题，而基坑的变形分析恰好存 在这些问题。自从1 9 6 6 年c l o u g h 和w r o o d w 向首先使用有限元法分析土坝问题以来， 有限元方法在岩土工程界的应用得到了迅速的发展，已经由二维平面分析逐步发展到三 维空间分析，并取得了良好的分析效果。 1 9 7 2 年，c l o u 曲【7 3 】等首先采用采用平面有限元方法对内支撑式的基坑开挖进行了 模拟，分析了基坑的稳定性。随后，s h p s o n 【7 4 】、w i t t l e 、0 u 等也针对不同基坑做 了类似的研究，验证了有限元方法在基坑开挖稳定性分析方面的适用性。但是这些研究 只是二维有限元分析，与深基坑实际的三维空间结构存在差别，越来越多的学者开始涉 足基坑三维有限元分析领域。 t a b r i z i 【_ 7 7 j 编制了三维有限元程序分析土钉支护的开挖行为，得出如下结论：随基坑 开挖深度的增大土钉的应力增大。o u 【7 8 】用d u n c 扑c h a n g 模型模拟土体，提出了一种分 析基坑开挖的三维有限元方法，研究了基坑开挖的角部效应，随后他r 7 9 】采用c u t 3 d 程 序模拟基坑开挖过程，能较好地预测墙体的变形和地表的沉降。r o b o s k i 【8 0 】采用c 刚s p 进行基坑的三维有限元参数分析，讨论了基坑几何尺寸、开挖深度以及支护结构刚度对 三维效应的影响。z d r a v k o v i c 【s l j 借助i c f e p 软件，土体采用m o n c o u l o m b 本构关系， 研究了基坑开挖三维数值分析中不同模拟的假设对基坑变形和围护结构内力的影响。 b l a c k b u m 【8 2 】在p l a x i s3 df o u n d a t i o n 平台上对基坑进行了三维模拟，分析了基坑开挖长 度、宽度、深度、支撑系统刚度、基坑抗隆起稳定性等对三维变形的影响，支撑内力和 土体变形的分析结果与实测数据相吻合。y e o w 等【8 3 】分析了动荷载下基坑支护结构的三 维空间变形效应。 国内专家学者在基坑有限元分析方面也取得了很大进展。二维方面：曾国熙等【8 4 】 在国内首先编制了用来分析板桩支护的基坑开挖有限元程序，土体采用双曲线的应力应 变关系，对基坑开挖进行了若干参数分析。侯学渊【8 5 】以b i o t 固结理论为基础编制了有 限元和无限元耦合程序，重点分析了基坑开挖过程中的地表沉降及其影响因素。谭跃虎 【8 6 】采用有限元法分析开挖深度、安全系数、挡墙刚度以及不排水抗剪强度对墙体变形的 影响。高俊合【87 】在基坑有限元分析时，设置了墙土之间的接触单元，并考虑了渗流作 用，提高了分析精度。 进入二十一世纪以来，国内的研究人员引入了国外先进思想并结合我国基坑工程现 状，逐渐开始在三维分析方面进行探索。赵海燕等【8 8 】设土体为d 吼c a n _ c h a n g 模型，墙 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 土之间设置d e s a i 单元，编制了三维有限元程序分析不同网格划分对变形的影响。俞建 霖【8 9 j 研制了类似的程序，研究围护结构变形、主动土压力、支撑轴力、地表沉降的空间 分布。 商业化有限元软件的兴起促进了基坑三维有限元分析的发展，大大提高了分析效 率。谢雄耀【9 0 】运用m a r c 有限元分析软件，土体采用d p 模型并考虑其的流变效应，对 基坑开挖过程进行了三维建模分析。陆新型9 1 】将a n s y s 应用于深基坑工程的三维分析 中，对比了不同开挖方法对基坑变形的影响。崔宏环【9 2 】运用a b a q u s 软件对双排桩支 护基坑进行三维有限元分析，讨论了排桩间距、桩墙刚度、冠梁刚度对基坑变形的影响。 李宇p 3 j 借助a d i n a 动态模拟了基坑开挖过程，对土钉支护的基坑进行了三维数值模拟 和变形分析。宗金辉【9 4 1 、徐中华9 5 1 、甄精莲【9 6 1 、张云【9 7 1 等也从不同角度在基坑三维有 限元分析方面做了研究和探讨。 1 3 存在问题 ( 1 ) 在三维地质建模可视化方面，目前的研究主要集中在自然地质模型构造方面， 含有人类工程活动信息建模的研究较少。三维地质建模更多的是针对三维地层、水位以 及褶皱、断层等自然地质信息的计算机仿真，而实际的情况是，任何工程场景也包括了 大量的人工对象信息，如基坑工程中的围护结构和支护结构。缺乏了这些模型信息，三 维地质模型并不能完全描述整个工程的岩土信息，因此，需要增加人工对象信息到三维 地质模型中，建立一个完整的岩土工程信息可视化模型。 ( 2 ) 在三维地质建模的应用方面，现有的研究主要是在三维可视化方面，仅属于 “可视 的层面，即使有一些分析功能，也只是简单的查询、更新等人机交互，涉及地 质模型的物理力学性质比较少。因此，为了能让三维地质建模更好的应用于工程设计、 指导工程施工，可以在三维地质可视化平台上增加力学分析功能，而如何进行三维地质 模型和力学模型的完好结合还缺乏实际的研究。 1 4 本文的研究思路与内容 针对以上三维地质建模和工程分析研究中存在的问题，本文以曲面建模技术为基 础，建立了三维地质模型；在该模型基础上，利用三维约束建模理论，研究了基坑工程 中各种人工对象模型的构造，从而建立一个统一、完整的三维岩土工程模型；对岩土工 程模型的数据结构进行设计，加入了物理力学信息属性，使其能够完整描述复杂的力学 性质；利用面向对象技术和o p e n g l 图形库，实现了岩土工程模型的三维可视化；应用 w m d o w s 的并发与进程调用技术，实现了岩土工程模型与有限元力学分析模型的集成， 建立了二者的访问接口；设计并开发了岩土工程信息仿真分析系统，并将其应用于实际 的基坑工程。根据上述研究思路，本文主要开展了以下几方面的工作： 中山大学硕士学位论文 ( 1 ) 建立三维岩土工程模型。研究了自然地质对象建模中的插值和逼近算法，并 进行了组合应用建模；构造了基坑工程中人工对象的钻孔模型、钻孔灌注桩模型、高压 旋喷桩模型、连续墙模型、支撑模型、立柱模型、冠梁( 腰梁) 模型、锚杆( 锚索) 模 型等，这些模型不但具有逼真性，且可以方便地调整、修改。 ( 2 ) 设计岩土工程模型的数据结构，使其能够完整的表述物理力学性质；在此基 础上，对三维岩土工程模型的计算机实现进行研究，研究模型的变换、对象提取以及基 坑开挖等操作功能。 ( 3 ) 采用有限元软件a d i n a ，以命令流的形式对基坑开挖过程进行有限元数值模 拟研究，分析其开挖效应引起的土体、支护结构的变形行为，并将岩土工程模型与有限 元分析模型的集成，建立开发平台与有限元软件a d i n a 批处理调用的接口。 ( 4 ) 设计并开发岩土工程信息仿真分析系统，并结合实际基坑工程加以应用，验 证系统的可行性和实用性。 1 5 本文的章节安排 全文共分六章。 第一章，阐述本文的研究意义，对研究内容的国内外研究现状进行了系统的总结， 指出研究中存在的问题，提出了本文的研究思路和主要内容。 第二章，阐述三维岩土工程模型的构造方法和过程，包括自然地质对象模型构造和 基坑工程中人工对象模型构造。 第三章，阐述了三维岩土工程模型计算实现的方法，包括模型的数据结构设计和三 维可视化实现。 第四章，阐述了基于a d i n a 的基坑开挖变形分析过程，实现了岩土工程模型与 a d i n a 有限元分析的集成。 第五章，阐述了岩土工程信息仿真分析系统的设计与应用，包括系统设计和在基坑 工程中的应用。 第六章，总结本文所取得的研究成果，对今后进一步研究的问题加以讨论和展望。 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 第二章三维岩土工程模型构造方法 2 1 三维岩土工程模型概述 三维岩土工程模型是指与岩土工程有关的三维对象实体的抽象表示。按人为参与的 程度，可分为自然地质对象模型和人工对象模型。顾名思义，自然地质模型就是岩土工 程中靠自然因素形成的客观存在的三维地质实体，包括三维地层模型，数字地形模型和 水位面模型等，它们是岩土工程的基础；人工对象模型范围比较广泛，根据不同的工程， 涉及的人工对象模型也不尽相同，但它们一个共同的特点是受人为因素影响，是人工构 造的三维实体。本文以基坑工程为例，涉及的人工对象模型主要是与支护结构相关的实 体模型，例如桩模型、连续墙模型、支撑模型、立柱模型、锚杆模型、锚索模型等。 由于三维岩土工程模型中的自然地质对象和人工对象建模方法不同，所以分别加以 描述。 2 2 自然地质对象建模方法 2 2 1 自然地质三维数据模型 自然界中的地质结构呈空间分布，地质工作者往往借助二维图像进行地质现象的解 译，但是这种图像只是一种定性的、不精确的表达，很难对各种混和数据进行定量描述。 因此，在表达三维地质数据时：如何构建合适的三维数据结构是一个关键问题。目前， 国内外学者已对三维数据结构进行了深入的研究，大致分为两类：基于曲面表示的数据 结构和基于体元表示的数据结构，它们又各自分成不同的子类，优缺点各异。 本文针对岩土工程自然地质条件的复杂性和特殊性特点，以g r i d 模型细分成的三 角形面片模型为基础，结合n u r b s 函数模型的三维地质建模数据结构。 ( 1 ) g r i d 模型 g r i d 结构是数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 2 5 d 表示常用的一种结 构，地形表面被划分为规则的m ，z 个格网，每个格网上有一个对应的属性值( 高程) ， 其基本要素是一个点。当原始数据( 如钻孔) 比较稀疏或者不规则分布时，需要对其进 行插值处理，以得到网格点的值。g r i d 模型数掘结构简单，存储量小，在实际的建模过 程中有较多的应用，但是其最大的缺点是难以表达边界，且不能表达多值面。 本文针对g r i d 模型的优缺点，并结合实际地质工程，对其进行改进。将建模范围 分成施工区域和非施工区域，对基坑工程而言，即是开挖区域和非开挖区域，每个区域 均为聊刀个格网，掰，? 可交互给出，这样可以确保开挖线通过网格点，避免以后的直 中山大学硕士学位论文 线的求交运算。同时把所有的g r i d 细分成三角形，生成三角形面片数据结构。 ( 2 ) 三角形面片模型 面片结构是用不同形状的面片近似表示一个对象的表面，面片的形状通常有规则三 角形、不规则三角形、正方形、泰森多边形等。本文采用的三角形面片模型是将原有的 网格模型按照一定的规则细分成一系列独立的三角形，三角形的顶点作为该区域高程z 的控制顶点，一般由已知高程数据插值得到。三角形面片在整个区域内连续但不可微， 可以用己知离散的高程点集合按照一定的插值算法求取连续的三角形面片顶点高程。 ( 3 ) n u r b s 参数模型 非均匀有理b 样条( n o n - u n i 南r mr a t i o n a lb s p l i n e s ，n u r b s ) 是参数函数模型的 一种，它是通过控制点和n u r b s 曲面函数去逼近地质曲面。虽然该技术不如三角面片 模型应用广泛，但是，在己知高程点分布稀疏的边缘区域，该曲面逼近拟合方法是三角 面片模型的有益补充和完善。 在介绍n u r b s 曲面之前，首先了解一下n u i 出s 曲线。一条k 次m 瓜b s 曲线 ， ) = 队( “) ，y ( z f ) ，z ( “) 】可用下列分段有理多项式表示【9 8 】： w ，p ，f ，七( ) ，( 甜) = 皇) | 一，甜 “一l ，。“。i 】 ( 2 - 1 ) w ，( 甜) ， f = o 其中p ，为控制点，p ，= ( t ，y f ，z f ) ，户0 ，1 ，n ；w ，为权因子( w e 适h t s ) ，净o ，1 ，n ；尼 为阶数；f ) 为b 样条基函数，户o ，1 ，n ，它由d eb o o r - c o x 递推公式盼1 0 0 1 定义： m ，o = 矗妒+ 1 j m ，( 甜) = 旦一。( 甜) + 土丛兰m “( 甜) ( 2 2 ) 甜，+ 七一“f甜f + 七+ l 一甜“l 其中”向节点矢量为 ，甜l ，材枞+ li 甜f “m ，f = 0 ，1 ，咒+ 尼 。 图2 1 中，以 ) 表示由已知控制点分段拟合的曲线段，甜 “，甜】， f = ( 后一1 ) ，后，刀。 基于三维地质可视化的基坑开挖稳定性研究 p i 卜u 图2 1n m s 曲线的控制点【1 0 l l f i g 2 1c o n t r o lp o i 鹏o f n u r b sc u r v e 【l o l l p b “ 图2 2n u r b s 曲面的控制点【1 0 4 j f i g 2 2c o n t r o lp o i n t so f n l y r b s s u r 如c e 【1 0 4 】 类似于n u i 也s 曲线，一张七，次n u r b s 曲面也可以用有理多项式表裂9 8 】： p f j ，。( “) ( v ) s ( 甜，v ) = 暑等_ 一 ( 2 3 ) ，m ，。( 甜) 扎，( 力 f = 0j = o 控制顶点p 盯( 江o ，1 ，m ；j f = o ，1 ，n ) 呈拓扑矩形阵列，形成一个控制网格；w 盯是对 应于控制点p f ，的权因子；m ) 、m ，( 1 ，) 分别为“向七次和v 向，次的规范b 样条基函 数，它们分别由“向和v 向的节点矢量u = “o ，材l ，一，。+ 女“f + l ，扛0 ，l ，聊+ 尼一1 ) 和 y = v o ，v 1 ，v 州1 1 ，v ，+ l ，= o ，l ，疗+ ，一1 ) ，可以按照d eb o o r 的递推公式得到。 由n u i m s 曲面的方程可知，欲给出一张曲面的n u i m s 表示，需要确定的参数包 括：控制顶点p 。，及其权因子w 小龆向节点矢量u 与v 向节点矢量y ，阶数尼和，隐含定 义在两节点矢量中，通常取3 就可满足工程基本需要【1 0 1 1 。图2 2 表示由控制点拟合的 n u r b s 曲面。 2 2 2 自然地质对象三维建模的技术方法 在岩土工程中，自然地质对象信息非常复杂，它们的几何轮廓通常是不规则的曲线 或曲面，而工程地质勘察的结果大多反映在一些不规则分布的、离散的数据点上，为了 通过这些离散的数据建立起区域性连续的整体模型，需要利用插值和逼近的曲面处理方 法。 曲面插值是通过给定的离散数据点来构造曲面，并基于已知数据点的值采用某种插 值函数来插补未知点的值，这类方法不改变原始数据的值( 曲面通过数据点) 。而曲面 逼近则是利用