基于凹体凸化的全空间块体识别方法

发布时间：2020-01-19 19:21

【摘要】：采用结构面切割多面体再合并的方法可以实现有限结构面间的块体识别,但切割的对象必须为凸体,而实际工程中的岩体模型并不局限于凸体。为了解决这一问题,提出一种凹体凸化方法,用于将凹体模型分解为凸体子区。首先,通过面单元法建立岩体模型,并设置可包裹模型的长方体;其次,以平面对凸多面体的切割算法为基础,利用面单元所在平面将所设置的长方体切割为若干子区;最后,通过判断子区与原模型的位置关系而实现凸化,并对凸化过程中的关键算法进行说明。针对切割过程中结构面与多面体的接触性判断问题,给出了从粗略到精确的判断方法,有效地减少了计算量。结合两个具有代表性的算例,给出所提块体识别方法的过程和结果,结果显示,所识别出的块体形态及数量不受限制,从而证明了本方法用于凹体模型的适用性与有效性。
【图文】：

结构面,块体,虚拟面

唕1都含有虚拟面，且两虚拟面存在交集a，故需要合并。同理B1和C1，，A2和C2、B2和C2均需合并。最终导致A1、B1和C1合并为D1，A2、B2和C2合并为D2，见图7(b)。通过此方法，实现了平面对凹多面体的切割。(a)结构面切割子区(b)子区合并图7虚拟面的消隐Fig.7Disappearanceofvirtualsurface（2）恢复结构面尺寸导致块体间合并。两块体由同一结构面所在平面切割而分离，且两块体间存在面的交集，此交集并未完全落入结构面圆盘内，此种情况两块体需要合并。如图8所示，采用3.4图8恢复结构面导致块体合并Fig.8MergenceofblocksduetoresizingofdiscontinueJB1A1C1C2A2B2aABBAAUBJ1J2ABCDOABCDOEABCFGHODJD1D2ADBCBox2Box1

模型图,岩坡,模型,凸化

所提块体识别方法的适用性和有效性。4.1简单凹多面体模型为了说明本文方法适用于凹体模型中有限结构面间的块体识别，以某露天采场多阶边坡为例进行说明，经过面单元建模、模型凸化、切割及合并实现块体识别。（1）面单元建模。所研究区域存在两条结构面J1和J2，在AutoCad中采用面单元法建立岩体模型M，将其存为.dxf格式，利用所开发的程序以面为单元读取模型文件，并加入两条有限结构面，如图9(a)所示。（2）模型分解为凸体子区。利用本文所提凸化方法将其分解。首先，根据坐标关系获取模型的母体B，见图9(b)；其次，利用模型M所有面单元所在平面对母体B进行切割，此例中存在P1～P8共8个面对母体B进行切割（其余面与母体边界重合），将母体B切割为A～Y共25个子区，见图9(c)；最后，判断各子区与原模型M的关系，A～O共15个子区位于M体内，即为原模型凸化后的结果，如图9(d)所示。（3）块体切割与合并。利用结构面J1和J2切割凸化后的模型，结构面将与其相接触的块体完全切割，得到如图10(a)所示块体群，图中存在两种新形成面，一是凸化过程中产生的虚拟面（如P1）；二是结构面切割产生的面（如F1）。最后，消隐虚拟面并恢复结构面尺寸，导致B1、B2、B3和B4合并为独立块体B，其余块体合并为M，见图10(b)，从而实现凹体模型中有限结构面间的块体识别。4.2带空腔的凹多面体模型以某高速公路隧道工程为例，模型尺寸为50m×50m×80m，隧道断面形状为半圆与矩形的组合，将弧形部分简化为多边形，则此隧道计算模型可认为是带有空腔的凹多面体，按照本文所提出的凸化方法得到如图11所示的子区模型。向模型中添加60条半径为15～30m的结构面圆盘用于测试，经(a)多阶边坡模型(b

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