模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。     

基于网格的三维地质体建模方法研究

在充分研究了水电工程现有数据的基础上,根据水电工程数据的分布特点,提出了基于网格分块的三维地质体建模方法。并根据地表数据和地质数据的不同,分别提出了基于等高线切割的地表数据分块算法以及基于钻孔数据分布特点的地质数据分块算法,进一步利用边界缝合方法解决了分块引起的裂缝问题。在建立好三维地质体模型的基础上,根据网格分块的特点针对性的提出了基于网格分块的快速开挖算法。并分析了网格分块建立的地质模型比传统的地质模型的优势。通过西南某水电枢纽工程实例,检验了网格分块地质体建模的正确性和可行性。     

模拟三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法

扩展有限元法模拟裂纹时独立于网格,因此该方法是目前求解裂纹问题最有效的数值方法。为了在计算代价不大的情况,实现大型结构分析中考虑小裂纹或提高裂纹附近精度,在裂纹附近一般采用小尺度单元,其他区域采用大尺度单元。提出了分析三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法,在需要的地方采用小尺度单元。基于点插值构造了六面体任意节点单元。所有尺度单元都采用8节点六面体单元,这样六面体任意节点单元可方便有效地连接不同尺度单元。采用互作用积分法计算三维应力强度因子。边裂纹和中心圆裂纹算例分析结果表明,该方法是正确和有效的。     

Constitutive modeling of three-dimensional non-coaxial characteristics of clay

Acta Geotechnica - A simple critical state-based constitutive model is proposed to represent the non-coaxial plastic deformations of saturated clay subjected to monotonic shearing with fixed...     

沉积地层系统三维实体模型构建方法

全面系统地研究了沉积地层系统三维实体构模的原理、方法及实施过程。针对沉积地层系统的几何结构特征,提出了一种基于钻孔数据的三维实体模型生成方法“钻孔-层面-实体法”。该方法首先使用二分拓扑结构将钻孔数据离散化为一系列散点,基于这些散点插值拟合出各个地层顶、底界面的初始高程,自动推算出缺失地层的地质成因;然后按照不同的地质成因,自动对缺失地层及其控制界面进行交切处理、高程调整与一致性处理;最后生成用三维块体或三棱柱体元充填的三维实体模型。通过上海城建工程中的一个应用实例验证了“钻孔-层面-实体法”的有效性。     

层状岩体三维可视化构模与数值模拟的集成研究

由于数据结构的差异,用于岩土工程三维可视化的网格与用于数值模拟的计算网格之间存在本质差异,如何通过两种网格的共享实现三维地质模型与数值模拟之间的集成是岩土工程建模的重要内容。在对层状岩体三维可视化网格与数值模拟网格的特点进行剖析的基础上,提出了基于松散模式的三维规则格网与FLAC3D基本元素之间的转化方法,从理论上实现了“可视”与“可算”的结合。将其应用于我国某海底隧道的选线研究中,证明了该方法的合理性和有效性。     

基于地质剖面构建三维地质模型的方法研究

地质剖面是三维地质建模的重要数据源,运用地质剖面构建三维地质模型的方法应用较为广泛。在模型构建之前,统一确定模数据的坐标系和比例足,建立原始资料数据库。构建三维地质模型的关键是不同地质界面。本文详细介绍了模型边界面、断层面、地层界面、岩体界面等4种主要地质界面的构建流程与方法,尤其对褶皱构造、地层界面的断层效应、复杂岩体界面等的构建进行了重点阐述按模型边界面(模型的底界面和四周边界面)、DEM面、断层面、其他地质界面的顺序依次构建地质界面,构建断层面和其他地质界面时严格按先新后老的顺序。运用已构建好的地质界面按先新后老的顺序逐个、依次建立单个地质体,再将所有地质体的面模型组合成整个模型的面模型。通过对面模型进行网格(实体)填充和对网格赋予相应的属性值,最终构建三维地质模型。     

融合三维地质体的Revit精细化基坑建模

首先通过正交试验优选出Revit基坑支护结构模型无缝连接Civil真三维地质体模型的融合方案,解决了当前Revit难以直接创建真三维地质体模型的难题;在此方案基础上,探索并总结出一系列诸如桩、锚、面层等常用基坑支护结构的精细化建模方法;最后结合实际工程案例,对基坑支护综合模型在辅助设计方面做了BIM理念下的初步应用研究：周边环境条件三维具现与漫游展示,支护结构与周边已建地下预制桩碰撞检查,工程量精确统计,不同支护结构空间交界节点设计优化,地下水位面、软弱风化基岩面及淤泥层三维空间展布状态剖切观察,导出可用于指导精确测量放线的二维CAD支护桩位平面图等。     

A clinopyroxene geobarometer for basaltic systems based on crystal-structure modeling

 The crystal chemical response of basalt clinopyroxene to increasing pressure was investigated by means of crystal-structure simulation (a procedure that enables modeling of the structural parameters of a clinopyroxene of known chemistry without requiring direct X-ray diffraction analysis) using available experimental chemical data. Pressure proved the main physical variable governing clinopyroxene behavior in a magmatic environment. The general internal consistency of the simulation data permitted construction of an empirical geobarometer based on the relationship of cell volume (Vc) vs M1-site volume (VM1). The straightforward geobarometric formulation in the absence of direct X-ray analysis is: P(kbar)=698.443+4.985⋅Al_T−26.826⋅Fe²⁺ _M1−3.764⋅Fe³⁺ +53.989⋅Al_M1+3.948⋅Ti+14.651⋅Cr −700.431⋅Ca−666.629⋅Na−682.848⋅Mg_M2−691.138⋅Fe²⁺ _M2−688.384⋅Mn−6.267⋅(Mg_M2)²−4.144⋅(Fe²⁺ _M2 where: (Fe²⁺ _M1⋅Mg_M2)/(Fe²⁺ _M2⋅Mg_M1)=e^**(0.238⋅R³⁺+0.289⋅CNM−2.315), CNM=Ca+Na+Mn, and R³⁺=Al_M1+Fe³⁺+Ti+Cr, with cations in atoms per formula unit. The geobarometer reproduces experimental pressures within ±2 kbar (=1σ; max. dev. ≤5 kbar; N=29) in the range 0–24 kbar and is applicable to near-liquidus C2/c clinopyroxenes crystallized from basaltic melts in the absence of garnet (excepting high-Al₂O₃ basalts). It is therefore suitable for many natural clinopyroxenes occurring as mega- or phenocrysts or forming well-preserved cumulate pyroxenites. If the above restrictions are not wholly satisfied, the Vc vs VM1 plot can also be used qualitatively to deduce the relative pressure conditions of clinopyroxenes forming from similar batches of magma. The structural simulation of experimental data also provided insight into the influence of minor chemical changes of the parental magma on the crystal chemistry of clinopyroxene at high pressure. Within the considered compositional space at given P-T, a _CaO and a _SiO2 in the melt have opposite effects on M2- and T-site cation populations. As a result, under similar physical conditions, clinopyroxenes from higher-CaO or more undersaturated basalts have higher VM2, VT and Vc and lower VM1. For basalts with normal contents of Al₂O₃ (<18 wt %), variations of major elements in the melt do not reduce the accuracy of the geobarometer. Received: 3 April 1994 / Accepted: 23 December 1995     

GOCAD三维建模技术在基础工程中的应用研究

随着三维可视化技术的不断发展,在工程建设中应用三维技术立体化地展示工程设计成果成为了可能。文章应用了GOCAD软件在地质方面三维建模的强大功能,以真实工程案例为研究对象,分别了探讨了研究场地的三维工程地质地层模拟、地层属性模拟、场地开挖和地基处理工程桩模拟的快速建模流程及关键技术,并对模拟地层的准确性进行了验证。通过应用实例证明,GOCAD软件具有快速建模,可视化效果良好的特点,能够较真实地反映地层分布情况,能够快速实现基础工程中相关的构件建模,将其应用于岩土工程的勘察设计及施工工作中是切实可行的。     

土的三维破坏准则在颗粒流模型中的应用

Savage-Hutter(S-H)颗粒流模型用一个只与材料参数相关的土压力系数来描述颗粒流内部的应力状态,不能很好地反映颗粒体在运动时的本构关系。通过引入颗粒体应力与速度梯度之间的关系,得到了一个能够反映颗粒流本构模型的崩塌动力学模型。另外,为解除S-H模型中对横向应力大小的假定,通过引入Von Mises、Drucker-Prager、Mohr-Coulomb和Matsuoka-Nakai等土的三维破坏准则,得到了广义摩擦系数的4种表达形式。该模型的主要优势是通过引入颗粒流的本构关系,能较好地体现颗粒流体在运动中的内在机制,并且材料强度参数简单易知。分析了由Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则所得到的材料强度参数,并探讨了广义摩擦系数与应力洛德角等物理量之间的关系。用所建议的模型来模拟颗粒流的运动过程,并将数值计算与试验结果进行对比,发现两者能够较好吻合。     

基于GMS软件的三维地质建模及动态模拟

在地质勘查初期,研究区的水文地质特征是不容忽视的。因此,建立研究区三维地质结构可视化模型,对模拟结果加以详细和准确的分析,是确保地质工作顺利进行的一种重要手段。本文通过收集研究区的地质和水文地质条件及钻孔数据资料,采用GMS软件建立区域三维地质模型,描述复杂的地质构造情况和表达已知水文地质现象及其特征。研究区动态地层结构特征地完美呈现,能够深入对区域水文地质特征的认知,为今后研究区地质工作的进一步进行提供前提保障。     

基于GOCAD的三维工程地质地层建模研究

三维工程地质地层模型的建立能够更为直观地观察城市地下空间的地质结构,能够为岩土勘察、设计和施工提供辅助参考。论文依据《长春市两横两纵快速路系统——二环路工程（二段标）岩土工程勘察报告（详勘）》中提供的钻孔数据,采用GOCAD三维地质建模软件建立了研究区局部路段地层分布的三维工程地质地层模型。通过应用实例证明,GOCAD软件具有快速建模,可视化效果良好的特点,能够较真实地反映地层实际分布情况,将其应用于岩土工程的勘察工作中是切实可行的。     

基于地震动态地质建模的地面防治水定向井优化

煤层底板高承压奥灰水治理中,地面定向井设计与施工优化,主要依托二维AutoCAD地质图件开展。为避免复杂地质条件下目标靶区钻遇率低甚至脱靶等问题的产生,提高精准靶向水害治理的效果,提出基于三维地震动态地质建模开展水害防治定向井优化的技术。通过对比分析钻井优化技术方法的现状与问题,以地面防治水钻探工程的特定需求为出发点,指出地质模型导向适用于靶向水害防治定向井优化。在建模理论分析基础上,研究以地震数据为中心的体模型建模方法,分析定向井轨道设计相关的地质模型关键要素,探讨模型动态更新与井轨迹调整策略。以唐家会煤矿6煤底板奥灰水治理地面钻探工程为例,定向井设计阶段,基于地震数据,应用体模型建模方法构建包含地层、断层、异常体的三维地质模型,在异常体三维几何形态和地层裂缝属性的控制下,拾取关键靶点,提供多分支水平井轨道设计;定向井施工阶段,跟踪随钻数据及时修正地质模型,提供靶向倾角调整建议,提高井轨迹目标地层着陆精度和异常体钻遇率。实践表明,基于地震动态地质建模的定向井轨道设计与轨迹优化,有利于提高钻探工效、创造良好的注浆条件,达到提高异常靶区治理效果的目标,为奥灰水害防治的智能化决策奠定基础。      

高温高压盆地东方区黄流组三维压力建模技术

莺歌海盆地是一个富烃盆地,在中深层、特别是在高温超压地层中,存在着众多的大型勘探目标,其中东方区中深层高温超压领域天然气勘探势头良好,其黄流组目的层为中深层勘探的主力层系,已实现探明储量千亿方。准确的压力预测和三维压力模型的建立是勘探取得重大突破的基石,三维压力模型的建立又基于三维岩性模型,本次岩性模型的建立突破了传统的以地震阻抗门槛值为唯一手段的岩性预测方法,而采用三重趋势约束方法构建岩性模型。通过钻后测压数据与钻前预测的三维压力模型数据进行校验,证实三维压力模型建立技术方法的有效性,并指示该技术方法有着广泛的发展应用前景。     

Toward real-time three-dimensional mapping of surficial aquifers using a hybrid modeling approach

A hybrid modeling approach is proposed for near real-time three-dimensional (3D) mapping of surficial aquifers. First, airborne frequency-domain electromagnetic (FDEM) measurements are numerically inverted to obtain subsurface resistivities. Second, a machine-learning (ML) algorithm is trained using the FDEM measurements and inverted resistivity profiles, and borehole geophysical and hydrogeologic data. Third, the trained ML algorithm is used together with independent FDEM measurements to map the spatial distribution of the aquifer system. Efficacy of the hybrid approach is demonstrated for mapping a heterogeneous surficial aquifer and confining unit in northwestern Nebraska, USA. For this case, independent performance testing reveals that aquifer mapping is unbiased with a strong correlation (0.94) among numerically inverted and ML-estimated binary (clay-silt or sand-gravel) layer resistivities (5–20 ohm-m or 21–5,000 ohm-m), and an intermediate correlation (0.74) for heterogeneous (clay, silt, sand, gravel) layer resistivities (5–5,000 ohm-m). Reduced correlation for the heterogeneous model is attributed to over-estimating the under-sampled high-resistivity gravels (about 0.5 % of the training data), and when removed the correlation increases (0.87). Independent analysis of the numerically inverted and ML-estimated resistivities finds that the hybrid procedure preserves both univariate and spatial statistics for each layer. Following training, the algorithms can map 3D surficial aquifers as fast as leveled FDEM measurements are presented to the ML network.     

Geo3DML在三维地质建模中的应用研究与建议

由中国地质调查局组织研制的《三维地质模型数据交换格式》已制定完毕,并进行了一定范围的试用,即将发布实施,这是中国区域地质调查、矿产资源勘探以及数字矿山界的一件大事,它将促进三维地质建模技术在我国的广泛应用。通过研究与试用,阐述了对该标准的理解;给出其在三维地质建模中的应用实例,包括三维地质填图试点项目、矿产资源勘探项目;讨论了该标准的数据与数字矿山常用的DXF转换的必要性与具体实现方法。将该标准与国际地球科学联合会(IUGS)及开放地理信息联盟(OGC)制定的GeoSciML进行比较,指出Geo3DML是面向三维地质模型的表达,而GeoSciML以前的版本则侧重于互联网环境下传统的二维地质图件的地图服务与要素服务。最后对该标准的应用实施提出了8点建议：给Geo3DML以应用机会,将Geo3DML升级为国家标准,对Geo3DML补充一些细节,向相关行业宣传Geo3DML,在地质调查与矿山资源勘探项目中积极使用Geo3DML,将Geo3DML作为地质报告评审中三维地质模型的数据格式,三维地质建模软件厂商积极支持Geo3DML,数字矿山软件与Geo3DML接轨。     

Transient three-dimensional modeling of riverbank filtration at Grind well field, Germany

Riverbank filtration (RBF) is a proven treatment step in a multi-barrier method of drinking-water supply at many sites. RBF wells induce a large amount of river water to infiltrate the river base and travel towards the wells, giving the opportunity for mixing of infiltrated surface water and groundwater. Assessment of raw water quality plays an important role in planning and operating a RBF well field. In this context, the determination of the catchment area (and land uses within the catchment) and the ratio of bank filtrate (BF) to raw groundwater (GW) are two prior steps. Transient model simulations were performed in order to study the hydraulic conditions at the RBF well field at Grind near Düsseldorf, Germany. The BF/GW ratio was determined to be 75/25. The flood events in winter, in particular, showed the BF/GW ratio to have high variation. Transient path lines in the well field were used for delineation of the catchment area.     

基于径向基函数的三维地层分块建模方法研究

在充分研究了水电工程现有勘测层数据以及径向基函数插值特点的基础上,利用径向基的分块插值方法建立起分块的三维地层模型。在每个分块插值过程中,利用加权函数,使得各个分块接边处保持连续性。在形成每一层的数据后,通过层数据之间的缝合,并加入断层信息,最后形成三维地层模型。基于小湾水电枢纽工程实例,采用径向基分块插值方法建立对应的模型,并提供任意剖面的获取,检验了网格分块地层体建模的正确性和可行性。