基于四面体格网的三维地质体建模算法

构建真三维模型是地质学、三维GIS、科学可视化及工程应用领域共同关心的课题。提出了基于TEN的三维离散数据的构模,详细说明了从离散的三维初始数据点建Delaunay四面体格网的算法和步骤。算例表明,该算法能够较好地生成任意形状三维地质体。     

基于不规则四面体的三维离散数据地质建模算法

构建真三维模型是地质学、三维GIS、科学可视化及工程应用领域共同关心的课题.笔者提出了基于TEN的三维离散数据的构模,详细说明了从离散的三维初始数据点建Delaunay四面体网格的算法和步骤.算例表明,该算法能够较好地生成任意形状三维地质体.     

铁路有砟道床振动和变形的离散元模拟与试验验证

运用三维激光扫描仪获取碎石道砟颗粒的几何形态,构建了不规则形状的簇颗粒模型,在此基础上建立了有砟道床三维离散元模型,用于道床细宏观力学行为的离散元模拟分析。同时,为了验证离散元模拟结果的可靠性,开展了高速铁路有砟轨道1:1实尺模型试验,获得了静态加、卸载和循环简谐荷载作用下道床的变形以及不同深度处道砟的振动响应。对比分析表明,离散元模拟和试验获得的道砟振动加速度幅值接近,随深度的衰减规律一致;等效静态加、卸载条件下道砟的垂向变形以及循环荷载作用下道砟的累积变形均能够与试验结果吻合,说明建立的三维道床离散元模型是合理的,能够较为准确地模拟有砟道床的振动响应和累积变形行为,可用于高速铁路有砟道床的细、宏观劣化机制研究。     

渗流场随机性的随机有限元分析

基于一阶Taylor随机有限元法,推导出相应的渗流场随机分析中渗流响应量（水头和水力梯度）的随机响应公式,进而实现三维稳定渗流场随机有限元分析,并编制了相应的程序。在分析中,将渗流区域材料的渗透张量视为三维各向异性随机场,利用三维可分离向量随机场的局部平均法对随机场进行离散,根据参数选取的不同,可以离散出不同数量的随机变量。最后,给出一个算例,对离散出随机变量数量不同的情况分别进行随机分析,将分析结果和仅仅将渗透张量视为三维随机变量得到的结果对比,验证了所提方法的可行性。     

地层三维建模及面模型插值方法对比研究

通过面模型进行实体建模是构建三维地层模型的有效方法之一,为了更好的选取面模型插值方法,本文对距离幂次反比方法、克里格插值方法以及离散光滑插值方法进行了对比研究。实例结果显示,离散光滑插值方法既可以保持插值区面的光滑,又能与原始数据最大程度的拟合,较其他两种插值方法对于表现局部的非连续空间特征具有更大优势。同时本文通过将离散光滑插值方法与地质剖面信息相结合,通过面模型与三维实体模型之间的空间运算来获得倾入、尖灭等地层之间的空间关系,并结合地层的年代信息,建立了一套可以减少人为干预,提高建模精度和合理性的三维地层建模流程。实践证明,该流程能较好应用于安徽省钟姑矿田白象山矿区的地层三维建模工作。     

三维大规模滑坡离散元建模与模拟研究——以茂县新磨村滑坡为例

数值模拟是研究高速远程滑坡的重要手段。本文以茂县新磨村滑坡为例,提出一种三维大规模滑坡离散元建模与数值模拟方法。基于离散元法宏微观转换公式和数值模拟测试,快速得到与滑坡体砂岩力学性质类似的离散元堆积模型。并结合滑坡数字高程数据和地层信息,建立起符合滑坡实际地层条件和岩体力学性质的三维离散元薄壳模型,模拟了新磨村滑坡启动、高速下滑和堆积的全过程。模拟结果与实际的滑坡堆积体在形态和分布上非常相似,并且模拟的滑坡速度场变化特点和时间范围与理论估算与实测地震信号较为一致,验证了数值模拟结果的可靠性和方法的有效性。论文共享了数值模拟源代码,可快速构建三维滑坡数值模型,为高速远程滑坡的数值模拟研究和相应灾害范围评估提供一个可选的方法。     

离散平滑插值模拟方法在地下硐室群工程中的应用

以岩滩水电站扩建工程为例,分析了地质体与地下硐室群三维建模和分析中的关键技术-离散平滑插值算法,并将该技术应用于岩滩扩建工程的地质构造及其地下硐室群的三维地质建模与仿真分析。结果表明,该模型在三维可视化表达及三维数值计算等方面均取得了良好的效果。     

山西浑源张旺地区金多金属矿体三维成矿预测与评价

山西浑源张旺地区地质勘探资料相对匮乏,地质图比例尺小,钻孔数据和勘探线剖面图较少,导致成矿有利区的圈定比较困难。运用矿产资源三维预测技术方法,结合传统的地质找矿理论及已有的数据资料,建立了山西浑源张旺地区的三维地质模型,在此基础上总结该区金多金属矿体的主要控矿要素,建立找矿模型。然后依据研究区找矿模型,应用立方体预测模型提取成矿有利信息,依托“隐伏矿体三维预测系统”,利用连续插值模型和离散推测模型分别对研究区进行三维成矿预测,并分析对比2种方法的预测结果,验证了离散推测模型的可靠性。最终圈定了1个成矿远景区、2个找矿靶区     

基于等效塑性应变的三维边坡滑面搜索

边坡三维临界滑面的定位问题是边坡稳定性分析中尚未得以很好解决的一个重要问题。注意到临界滑面是由沿深部方向上的等效塑性应变的极大点所组成这一现象,在利用强度折减法将边坡带入临界平衡状态后,通过在水平面上设置一系列的垂直直线,并找出每条直线上的等效塑性应变最大值的位置,就得到了三维边坡滑面上离散点的分布。最后,采用被称为薄板光顺样条（thin-plate smoothing spline）函数的插值方法对滑面上的离散点进行了插值光顺处理,在不指定边坡滑动模式和滑面形状的前提下就可以得到三维边坡的临界滑面。通过在三维凸型边坡中的应用,体现了该方法在确定三维边坡临界滑面上的优越性。     

基于广义垂线坐标系的三维非结构数学模型及其在珠江口的应用

基于广义垂线坐标变换,构建了非结构网格的三维水动力数学模型。模型采用半隐式有限体积法对控制方程进行数值离散,其中半隐式法用于水位梯度和垂向紊动扩散以及垂向对流项的离散,显式控制体积分法用于水平对流项等的离散。广义垂线坐标系使得模型能够灵活地对垂向网格进行布置,平面非结构网格使得模型能够适应河口海岸复杂的岸线,并可对局部进行网格加密。模型通过具有解析解的风生流和异重流对模型进行检验,应用模型模拟了珠江口的三维潮流过程,计算结果与实测水文数据的比较表明,模型能够较好地模拟珠江河口的盐水楔和三维分层水动力过程。     

Homogenization of granular material modeled by a three-dimensional discrete element method

A homogenization strategy for granular materials is presented and applied to a three-dimensional discrete element method (DEM), that uses superellipsoids as particles. Macroscopic quantities are derived from the microscopic quantities resulting from a DEM simulation by averaging over representative volume elements (RVEs). The implementation of an RVE is described in detail regarding the definition and discretization of the RVE boundary. The homogenization strategy is validated by DEM simulations of compression and shear tests of cohesionless granular assemblies. Finally, an elasto-plastic material model is fitted to the resulting stress–strain curves.     

遥感图像三维可视化技术在西部高原区机场建设工程中的应用——以昆明小哨机场为例

这里论述了应用遥感图像和数字高程模型(DEM)的融合技术,对在西部高原区机场建设(昆明小哨机场)研究区进行三维可视化处理的技术方法。在3S(RS、GIS和GPS)技术支持下,对遥感图像进行数据融合、图像增强、影像正射精校正等处理后与高精度DEM融合,制作研究区景观的三维遥感虚拟动态模型。通过分析三维可视化图像,结合野外考察资料,对机场建设工程研究区域内的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息进行了提取和综合评价。结果表明:三维影像技术在机场建设工程中具有一定优势,可以为西部高原区机场建设工程决策者和工作者提供科学依据。     

数字高程模型在地表过程研究中的应用

数字高程模型(DEM)是人们研究地表过程、构造地貌的一种行之有效的方法和手段。DEM是地形表面的数字表达,易于三维可视化和统计分析。DEM作为一种空间数据,可以进行各种空间分析,编制平均高程图、山顶面图、谷地面图、局部地形图、平均坡度图和剖面图,从而有效地显示地形特征,预测地表侵蚀量和地形发展趋势。特定盆地充填面的DEM分析是探讨特定地质时期(新生代)以来地表由沉积转入侵蚀、沉积之后隆升过程、隆升速率和剥蚀量、剥蚀速率等地表过程的有效手段,它与大地构造、深部地球物理相结合,可以揭示隆升机制和大陆动力学背景。低起伏侵蚀面的DEM分析有利于定量揭示山脉夷平面分布,结合基岩地质等其他资料综合分析,可揭示侵蚀面的成因,揭示大地构造与地表过程相互关系是未来研究的主要目标之一。     

An efficient approach to generating DEM samples having coincident void ratios with actual sand

The ranges of initial void ratios that can be achieved for numerical samples with the same grading as actual sand under gravity are explored using three-dimensional discrete element method (DEM). A corrected compressible accumulation model is proposed to predict the packing density of sand. Compared with the measured results, the errors of the prediction results are small. For three-dimensional DEM samples, when the ratio of sample size to particle size L/R is equal to or larger than 30, the maximum and the minimum void ratios are minimally affected by the sample size L. The maximum void ratios and the minimum void ratios of numerical samples with spherical particles are much smaller than those of actual sands. The generation method for numerical samples with non-spherical particles is proposed based on the theory of CPM. The variations of void ratios of numerical samples with non-spherical particles are wider than actual sands. So it can meet all the need of DEM simulation on the void ratio of actual sand.     

基于DEM数据的构造地质图三维化的实现——以湖南省为例

选择地形地貌比较复杂、地质构造比较发育的湖南省为研究对象,采用SRTM DEM为DEM数据源,经过数据处理、投影转换和MapGIS、ArcGIS数据格式的相互转换,以及湖南省构造地质图在DEM上的叠加,实现了湖南DEM三维构造地质图的制作。将二维构造地质图转向三维空间,使图件在确保专业性的基础上具备立体感和层次感,并表达出实际的地形地貌特点,从而缩短一般工程技术人员构造地质图的读图时间并提高读图质量,具有较大的应用价值。     

基于DEM数据的构造地质图三维化的实现——以湖南省为例

选择地形地貌比较复杂、地质构造比较发育的湖南省为研究对象,采用SRTM DEM为DEM数据源,经过数据处理、投影转换和MapGIS、ArcGIS数据格式的相互转换,以及湖南省构造地质图在DEM上的叠加,实现了湖南DEM三维构造地质图的制作。将二维构造地质图转向三维空间,使图件在确保专业性的基础上具备立体感和层次感,并表达出实际的地形地貌特点,从而缩短一般工程技术人员构造地质图的读图时间并提高读图质量,具有较大的应用价值。     

Analysis of wave propagation in dry granular soils using DEM simulations

In this paper, a three-dimensional particle-based technique utilizing the discrete element method (DEM) is proposed to study wave propagation in a dry granular soil column. Computational simulations were conducted to investigate the soil response to sinusoidal motions with different amplitudes and frequencies. Three types of soil deposits with different void ratios were employed in these simulations. Different boundary conditions at the base such as rigid bedrock, elastic bedrock, and infinite medium were also considered. Analysis is done in time domain while taking into account the effects of soil nonlinear behavior. The computational approach is able to capture a number of essential characteristics of wave propagation including motion amplification and resonance. Dynamic soil properties were then extracted from conducted simulations and used to predict the response of the soil using the widely used equivalent linear method program SHAKE and compare its predictions to DEM results. Generally, there was a good agreement between SHAKE and DEM results except when the exciting frequency was close to the resonance frequency of the deposit where significant discrepancy in computed shear strains between SHAKE predictions and DEM results was observed.     

深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析

深部岩石在工程中具有高应力、大变形等典型特点,因此,高围压下考虑岩石残余强度的三轴试验对于分析深部岩石力学特性具有重要意义。离散单元法是分析岩石力学特性的重要数值方法,但是长期以来采用离散单元法定量模拟岩石的三轴试验一直存在诸多挑战,即数值模拟与室内试验得到的应力-应变全过程曲线难以定量匹配。采用改进的三维胶结抗弯-扭模型对深部砂岩考虑残余强度时的三轴试验进行了定量模拟,实现了数值模拟与室内试验应力-应变全过程曲线的定量匹配,获得了岩石较大的峰值/残余内摩擦角及非线性强度包线,克服了经典BPM模型存在的3个突出问题。通过参数分析,研究了峰值/残余内摩擦角及黏聚力与离散元微观参数之间的关系,同时这些大量的算例也证明了该模型具有较高的计算效率,可以满足模拟三维室内常规试验的要求。     

多源DEM和多时相遥感影像监测冰川体积变化——以青藏高原那木纳尼峰地区为例

冰川储量变化对全球水循环、能量平衡和区域水资源都具有重要意义,构成全球变化研究的重要方面.针对当前冰川变化监测技术与方法,提出一种结合多源DEM数据和多时相遥感影像监测冰川体积变化的方法.以青藏高原那木纳尼峰地区冰川为例,通过MSS/TM遥感数据识别冰川范围,以地形图DEM和SRTM-DEM计算出两时期冰川厚度变化信息,从而计算冰川体积变化值.计算过程中,对冰川范围识别、遥感数据不同时相、不同源DEM数据的误差进行了分析和控制.结果显示,1976—2001年的25a间该地区冰川体积减少了3.060km3,存在着较为强烈的消耗,冰川年损耗速率为0.1224km3.a-1.     

3D analysis of kinematic behavior of granular materials in triaxial testing using DEM with flexible membrane boundary

This paper describes the constitutive behavior and particle-scale kinematics of granular materials in three-dimensional (3D) axisymmetric triaxial testing using discrete element method (DEM). PFC3D code was used to run the DEM simulations using a flexible membrane boundary model consisting of spherical particles linked through flexible contact bonds. The overall deformation behavior of the specimen was then compared with the specimen with rigid boundary and experimental measurements. Computed tomography was used to track the evolution of particle translation and rotation within a laboratory triaxial specimen in 3D. The DEM model of the flexible membrane specimen successfully predicted the stress–strain behavior when compared with laboratory experiment results at different confining pressures. The DEM results showed that the rigid specimen applies a uniform deformation and leads to non-uniformities in the confining stress along the particle-boundary interface in the lateral direction. In contrast, the flexible specimen better replicates the uniformly applied confining stress of a laboratory triaxial experiment. The 3D DEM simulations of the specimen with flexible membrane overpredicted particle translation and rotation in all directions when compared to a laboratory triaxial specimen. The difference between the particle translation and rotation distributions of DEM specimens with rigid and flexible membrane is almost negligible. The DEM specimen with flexible membrane produces a better prediction of the macroscopic stress–strain behavior and deformation characteristics of granular materials in 3D DEM simulations when compared to a specimen with rigid membrane. Comparing macroscale response and particle-scale kinematics between triaxial simulation results of rigid versus flexible membrane demonstrated the significant influence of boundary effects on the constitutive behavior of granular materials.