岩体隧道施工诱发的关键块体三维模型及其验证

在岩体隧道工程岩体结构面的观测基础上,研究了结构面三维模型及网络模拟技术,通过不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,讨论了两种块体搜索方法,即根据确定结构面参数搜索确定块体和根据节理面网络图搜索随机块体的方法.引入概率理论对被节理切割的岩体中关键块进行了分析,采用蒙特卡罗法和面向对象的编程技术,给出了基于统计原理的岩体不连续面三维计算机模拟方法.建立了岩体工程适用的块体搜索和计算模型,实现岩体隧道工程的关键块体计算机搜索、三维显示和旋转等.     

基于三维点云的岩体结构面自动分类与参数计算

结构面间距是岩体稳定性和力学特性分析中的一个重要参数，在岩石力学、采矿工程、边坡监测等领域的数值计算中广泛应用.本文以岩体边坡露头为研究对象，基于非接触测量获得的三维点云数据，提出一种基于密度聚类的结构面细化分类方法；在结构面粗略分组提取的基础上，通过投影变换、散乱点拟合等算法，求得结构面间距和岩体体积节理数.设计开发了结构面细化分类及间距等参数计算与分析原型系统，实际案例分析表明，本文方法可有效实现结构面的自动细化分类，并能够计算出间距等相关参数，可为岩体质量分级和岩体稳定性分析等提供方法支撑.     

基于无人机贴近摄影的高陡边坡结构面识别

岩体结构面的产状和位置信息是分析高陡边坡稳定性及确定支护形式的重要依据.为解决传统接触式勘测手段存在的风险高、效率低等问题,提出了基于无人机贴近摄影和聚类算法的高陡边坡结构面自动识别方法.首先采用M210-RTK无人机获取高分辨率数字图像,并利用运动恢复结构算法(Structure From Motion,SFM)生成细节丰富的高陡边坡三维模型和三维点云;再通过K近邻算法(K-Nearest Neighbor,Knn)及PCA主成分分析法,筛选出共面点云集合并确定了结构面的边界范围;最后采用最小二乘法拟合出共面点云的最佳平面方程,以平面方程的法向量方向确定结构面的产状参数.验证实验表明:基于无人机贴近摄影所建立的三维模型精度优于2 cm,倾向和倾角的误差分别小于3°和2°.本方法应用于长沙丁字镇某高陡边坡的结构面识别,成功识别出其优势结构面,并就其对边坡稳定性的影响进行了分析,可为边坡评价和治理提供重要依据.     

岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构——以石家庄市南障城镇边坡为例

在地质调查中,为了实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,开发设计了基于倾斜摄影的裂隙岩体边坡三维模型重构软件。该软件通过小型无人机倾斜摄影采集数据,然后基于增量式运动结构恢复算法和深度图融合的多视点立体视觉算法（multi-view stereo,MVS）进行三维模型重构,最后利用随机抽样一致算法（random sample consensus,RANSAC）和区域生长法对得到的结果进行岩体结构面识别,得到结构面产状等节理信息。把软件得到的三维模型和节理信息结合FLAC3D有限元软件,运用强度折减法进行稳定性分析。结果表明：采用小型无人机采集的数据完整有效;三维重构出的模型可以很好的描述出实际岩质边坡;结构面识别得到的岩质边坡节理信息误差较小;基于岩体体积节理数和结构面条件因子量化地质强度指标（Geological Strength Index,GSI）的方法得到Hoek-Brown准则参数准确可靠。可见,利用小型无人机倾斜摄影结合开发设计的软件,可以快捷、高效和准确的实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,对于实际工程具有一定的应用价值。     

岩体不连续面的几何特性与剪切强度的关系

利用新开发设计的三维非接触式激光表面形状测定仪,在精确测定岩体不连续面的表面形状的基础上,建立了新的岩体不连续面的分形几何模型,模型中的两个分形参数定量表述了岩体不连续表面形状的几何特性（一级倾斜度和高级次起伏度）,并进一步提出了由这两个分形参数组合出的代表岩体不连续面表面粗糙特性的平均粗糙角Ｕ的概念和计算方法。最后,结合岩体不连续的剪切强度实验,建立了剪切强度与分形参数有及平均粗糙角Ｕ间的定量关     

考虑结构面损伤的岩石本构模型与工程应用

含结构面的岩体在应力加载-卸载作用下破坏机理非常复杂,建立含结构面岩体的损伤本构模型是研究的难点。通过对含结构面的岩体建立三维数值模型,研究分析岩体在三轴压缩下的破坏特征,发现含结构面岩体的峰值随着围岩的增加而升高,在单轴压缩下,岩体的峰后强度几乎为零;且含结构的面岩体存在损伤阀值点,得出了岩体损伤劣化行为发生的原因。根据微元统计理论建立了损伤变量与岩体劣化破坏之间的概率密度关系,通过引入修正系数调整了岩体因含有结构面的初始损伤,并拟合出围压与峰前弹性模量的非线性关系,推导出含结构面岩体的损伤本构方程。与已有损伤本构方程进行数据对比,发现本方程可更加准确描述结构面的损伤演化特征,通过FISH语言实现对FLAC3D的二次开发,将本构方程程序化,并以此研究分析了青岛某交叉隧道施工中的沉降问题,发现采用损伤本构模型计算结果与现场实测数据吻合程度较高,反映出损伤本构模型能较好的描述风化花岗岩的损伤劣化效应。建立的含结构面岩体的损伤本构方程对实际施工及理论研究具有重要的参考价值。     

基于深度学习的钻孔图像岩体结构面识别

岩体结构面对岩体稳定性和渗透性有着重要影响,是决定深部地下工程稳定性的重要因素.针对井下电视技术获取的钻孔影像,提出了一种基于深度学习算法(You Only Look Once version 4,YOLO v4)的岩体结构面识别方法,并计算识别岩体结构面的几何参数.首先,采集图像数据并进行预处理.以某隧道工程为案例,使用智能钻孔光学成像仪采集4号和6号钻孔图像,筛选含有结构面的钻孔图像进行标注以建立Ground truth数据集.从中随机选择数据集的70%作为训练数据、10%作为验证数据、20%作为测试数据,并对训练数据集使用数据增强处理.接下来使用CSPDarkNet53网络作为特征提取网络,构建YOLO v4模型,并采用试错法获取最优参数进行模型训练.利用测试集生成P-R(Precision-Recall)曲线来测试最终的模型训练效果,结果显示P-R曲线的平均精度达0.87,这表明YOLO v4训练结果较好.最后,将定位的结构面采用Canny算法通过拟合上、中、下正弦曲线函数获取岩体结构面边缘,并依据正弦函数的系数计算结构面的4个几何参数(倾向、倾角、深度和张开度).     

基于摄影测量三维点云的岩体结构面自动识别方法

建立了一种用数字摄影测量得到的三维点云数据识别和分析岩石边坡出露的面状结构面的方法。该方法使用每一个点及其相应的邻近点构成的子集平面来形成识别结构面的候选,使用主成分分析(PCA)计算平面法向量并剔除异常点,识别结构面并计算其产状(倾向和倾角)。以甘肃北山一岩石边坡为例,使用该方法进行结构面识别。最后对结构面进行优势分组;同时与实测产状进行了对比,结果表明识别效果较好。     

基于钻孔摄影方法的岩体中结构面连通性分析

将钻孔摄影方法推广到多孔结构面连通中，从结构面产状、地质特征等角度提出了连通性判别依据，并运用龙江特大桥桥基摄像勘察结果检验了该方法的可行性.其中，选择了位于大桥一侧的3个钻孔，在对孔内的结构面地质特征、产状等参数进行分析和计算的基础上，根据结构面连通原理进行对比和筛查，共得到3组2孔连通结构面和2组3孔连通结构面.结果表明，所有可连通结构面产状相似、空间位置满足共面的要求，并且组成结构面的岩体及周围环境岩体特征相似.将基于钻孔摄影技术的结构面连通方法用于该工程中可行.
     

三山岛金矿采场顶板危岩体推测方法

在应用三维岩体不接触测量系统对采场顶板岩体结构面的几何特征参数进行识别基础上,自行研发三维岩体节理建模与分析系统,构建采场顶板三维岩体结构面空间分布模型.依据采场顶板岩体结构面的几何特征参数和延伸节理等结构面的空间特征,通过延伸节理等结构面的空间交汇,识别采场危岩体赋存的空间位置、形态、体积等,并对采场顶板危岩体稳定性进行判断.应用上述研究成果,对三山岛金矿新立矿区40055#采场顶板结构面进行现场测量,确定采场顶板危岩体空间赋存位置,为采场顶板稳定性分析和危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持.     

岩质高边坡开挖变形的三维离散单元法分析

对一典型的反倾向层状结构岩质高边坡进行了非连续非线性三维数值模拟.数值模型中考虑了复杂的地质条件,同时模拟了进水口高边坡的控制性结构面和陡倾节理组,实现了边坡、引水隧洞的分步开挖及锚固.运用三维离散单元法(3DEC)进行了混合不连续和蜕化连续2种方式的求解,在比较不同求解方式所得计算位移的基础上,探讨了结构面对计算结果的影响,分析了进水口边坡在开挖、加固作用下的变形状况和稳定性.     

确定岩体渗透参数的结构面控制反演法

从裂隙渗流的基本运动方程出发,反求岩体的渗透参数是工程控制论中一类典型的偏微分方程分布参数控制反问题,对于这类反问题常用数值法求解．考虑到结构面控水特点,依据岩体渗透系数张量与结构面产状的基本关系式,提出了一种结构面控制反演法．该方法不仅可以反算出岩体的渗透系数张量,而且可以反求出岩体控水结构面的当量渗透系数、渗透系数张量的主值和主方向,同时应用该方法计算的解具有较好的唯一性．以溪洛渡水电站工程为例介绍了这种数值反演方法在确定岩体渗透参数中的应用．     

基于变刚度与力反馈的虚拟3D画笔触觉行为

针对汽车工业中虚拟油泥模型外观设计问题,采用一种六自由度输入设备并基于实时力反馈交互技术,提出一种新型的变刚度画笔模型以及触觉装饰方法,实现在虚拟三维物体表面实时触觉绘制与外观装饰.基于变刚度弹性理论,深入研究虚拟3D画笔的触觉行为.首先,采用一种弯曲弹簧振子模型来构建3D画笔的力学模型,并分析虚拟画笔实时变形与承受的绘制力之间的内在关系;接着,基于一种加权平均距离的碰撞算法,研究虚拟画笔与虚拟3D物体之间的碰撞检测问题;采用一种球扩展操作以获得弯曲画笔的最小包围球,进而计算得到虚拟投影平面;根据在一个采样点处的画笔变形,得到虚拟投影平面上的二维笔触;通过将二维画笔笔触实时地映射到三维对象表面,便可以得到三维笔触;沿着三维绘制方向,通过控制绘制力矩并叠加不同大小、形状的3D笔触便可得到3D笔道.仿真对比实验结果表明,所采用的画笔模型及方法可以有效增强用户虚拟绘制时的真实性.     

天然岩体结构面三维粗糙度的多尺度取样影响规律研究

基于三维激光扫描技术,在单一大尺度天然岩体结构面点云数据上开展多尺度窗口取样时,取样窗口中心位置的选取对结构面三维粗糙度的准确表征具有显著的控制作用,然而该控制机制与影响规律的研究十分匮乏.为此,以青海祁连县黄藏寺水利枢纽右岸坝址边坡大尺度天然岩体结构面为研究对象,以结构面三维激光扫描点云数据和Grasselli三维粗糙度计算方法为基础,开展了单一大尺度结构面上窗口取样中心位置对三维粗糙度多尺度特征影响与控制规律的深入研究.结果表明:窗口取样中心位置对结构面三维粗糙度的尺寸效应影响显著,取样中心位置的不同导致尺寸效应具有显著差异;同一剪切方向上结构面三维粗糙度的差异性随取样窗口尺寸的增大而减小;窗口取样中心位置对分析含结构面岩质边坡的潜在滑动方向的影响较小,当取样窗口尺寸增大到特征尺寸后,潜在滑动方向将被限定在一定角度范围,天然结构面的角度区间为110°～130°.最后基于上述研究,建立了窗口取样中心位置选取的基本原则,改进了天然大尺度结构面三维粗糙度取样方法.     

岩体裂隙网络的分形特征

运用分形几何的方法研究了一个露天矿边坡上裂隙的以育情况,发现不同结构类型的岩体中裂隙分布均具有统计意义上的分形特征,分形研究采用了３个参数：裂隙网络分维Ｄｎ裂隙密度分维Ｄｆ和块体密度分维Ｄｂ,分别表征岩体中裂隙网络和复杂程度、裂隙发育的密集程度及裂隙之间的连通程度。３个参数的大小变化反映了岩体中裂隙发育的实际情况,可以作为岩体结构类型划分和工程岩体质量价的定量依据,裂隙网络分维Ｄｎ越大,裂隙密度分     

三维地质界面建模关键算法研究

采用露头,钻孔以及地震等数据进行三维复杂地质界面建模,关键问题包括三维地质界面模型确定方法,地质界面接触关系处理方法。根据区块地质数据建立地质界面三角网格模型,处理地质界面之间复杂位置关系,为三维地质体建模提供约束面,清晰地描述并恢复地下构造。本文就三维复杂地质界面建模中的关键问题,提出基于几何拓扑关系的地质界面三角网格模型生成算法,地质界面空间位置判断算法。在算法中引入几何拓扑关系,降低算法实现的复杂性,增加算法实现效率。     

基于HDBSCAN算法的岩体结构面产状识别及分组方法

精准获取岩体结构面的产状信息是进行岩体稳定性分析工作的首要和关键步骤.针对基本DBSCAN算法在处理点云数据时存在聚类判据不足、参数敏感性较强等问题,提出了基于点云附加属性扩展聚类判据的HDBSCAN算法,旨在提高算法聚类的准确性及鲁棒性.同时,基于点云的颜色及密度属性实现了对自然状态下非全裸露岩体研究区域的分割和提取,减少非岩体结构面点云对结构面产状识别和分组的影响.将该方法应用于大石洞灰岩矿某一典型覆土岩坡,结果表明:该方法能够有效地剔除非目标点云数据,同时结构面产状提取和优势分组结果令人满意.与人工测量结构面产状方法相比,最大相对误差小于0.59%,具有一定的工程实用价值.     

平面表像法在钻头刃磨参数优化中的应用

以普通麻花钻前、后刀面的数学模型为基础，建立了普通麻花钻后刀面锥面刃磨时各几何要素的平面像图；应用平面表像法，推导了钻头结构参数与刃磨参数之间的关系；为了由给定的结构参数计算刃磨参数，将求解关于刃磨参数的超越方程组问题，转化为计算结构参数误差平方和的最小值的优化问题，并用Matlab提供的优化函数进行计算．实体造型证明该方法计算结果是正确的．