基于GOCAD的復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型生成技術(shù)

劉秀軍

（深圳冶建院建筑技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析已成為巖土工程問題中的重要分析手段。由Itasca公司開發(fā)的三維巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D，建立在由Cundall等人提出的顯式有限差分法基礎(chǔ)上。在計(jì)算過程中，該軟件不需要形成剛度矩陣，且無論是靜力問題還是動(dòng)力問題，該軟件均由運(yùn)動(dòng)方程用顯式方法進(jìn)行求解，這使得它很容易模擬振動(dòng)、失穩(wěn)、大變形等非線性問題與動(dòng)力問題。因此，該軟件較適合處理復(fù)雜的非線性巖土力學(xué)問題［1］。目前，F(xiàn)LAC3D軟件已成為巖土工程技術(shù)人員較為理想的三維數(shù)值分析工具之一。

然而，F(xiàn)LAC3D軟件在模型建立及網(wǎng)格劃分等前處理問題上存在著很大的不足：

（1）模型的建立只能依據(jù)數(shù)據(jù)文件來實(shí)現(xiàn)，不能直觀顯示，建模過程可視化程度低；

（2）對于復(fù)雜工程地質(zhì)體建模，需要控制各個(gè)邊界點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，容易出錯(cuò)，檢查也不方便；

（3）建模工作量大，花費(fèi)時(shí)間較長［2］。

為解決此問題，許多學(xué)者在這一方面做了有意義的工作：胡斌［2］采用 FORTRAN語言編寫了 FLAC3D的前處理程序，對于地表形態(tài)復(fù)雜、巖層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較單一的地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)了快速、便捷的建模；廖秋林［3］等基于 ANSYS軟件，采用 ANSYS語言編寫了FLAC3D－ANSYS接口程序，借助有限元軟件 ANSYS相對便捷的前處理功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的建立；羅周全［4］、林杭［5］提出了基于 SURPAC軟件的直觀、快速的FLAC3D模型生成技術(shù)。文獻(xiàn)［3］提出的數(shù)值模型構(gòu)建方法主要適合于層狀地質(zhì)體，對于復(fù)雜地質(zhì)體條件下不規(guī)則形狀的地下巖體開挖則存在著一些缺陷。文獻(xiàn)［4－5］中地質(zhì)塊段模型的基本單元只能是規(guī)則六面體，并且邊界單元只能分一次才能符合 FLAC3D中相鄰單元合并節(jié)點(diǎn)的要求。因此，對于不規(guī)則巖體開挖，要求單元塊尺寸很小才能建立較準(zhǔn)確的技術(shù)模型，但因此造成模型單元數(shù)量巨大，可能導(dǎo)致FLAC3D軟件無法進(jìn)行計(jì)算。

鑒于上述問題及GOCAD強(qiáng)大的三維地質(zhì)體建模功能，本文提出了基于GOCAD建模和劃分網(wǎng)格，并通過 GOCAD與 FLAC3D的接口程序，將其導(dǎo)入FLAC3D的復(fù)雜三維地質(zhì)體建模方法，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的直觀、快速建模。該建模方法在郴寧高速公路K183+440～K183+680路段的軟土地基斜坡高填路堤建模中得到了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明該方法是完全可行和有效的。

1 GOCAD軟件簡介

自1989年法國 NANCY大學(xué) J.L.Mallet教授的GOCAD研究計(jì)劃提出以來，歷經(jīng)10年的發(fā)展，GOCAD（GeologicalObjectComputerAidedDesign）軟件正式發(fā)行，由于其強(qiáng)大的三維模型構(gòu)建功能，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。GOCAD具有以下特點(diǎn)［6］：

（1）實(shí)現(xiàn)了通用地球模型所設(shè)想的功能

GOCAD采用了標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)（數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換格式，其數(shù)據(jù)能夠直接導(dǎo)入各種專業(yè)軟件進(jìn)行處理。同時(shí)，GOCAD內(nèi)置了多種地球科學(xué)分支學(xué)科的數(shù)據(jù)處理和分析功能，從而實(shí)現(xiàn)交叉學(xué)科團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一協(xié)作，提供了統(tǒng)一強(qiáng)大的三維可視化平臺。

（2）全三維、全拓?fù)?/p>

GOCAD從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、工作模式和功能設(shè)置都實(shí)現(xiàn)了真三維化，提供了非常全面的三維空間分析支持。同時(shí)，GOCAD采用了先進(jìn)的三維空間場景渲染引擎，對復(fù)雜三維空間對象的渲染和顯示效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般三維模型軟件。GOCAD采用的三維矢量拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型，從底層實(shí)現(xiàn)了對空間對象拓?fù)湫畔⒌拇鎯凸芾?，并能夠分析三維空間對象的拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行復(fù)雜曲面的交叉和切割等空間關(guān)系的計(jì)算。GOCAD不僅支持空間對象的幾何建模，還提高了屬性建模的工具。

（3）使用空間插值算法DSI（DiscreteSmooth Interpolation）

GOCAD開發(fā)了針對地質(zhì)建模特點(diǎn)的插值算法，即離散光滑插值算法（DSI）。DSI類似于解微分方程的有限元方法，用一系列具有空間實(shí)體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標(biāo)點(diǎn)來模擬地質(zhì)體，已知節(jié)點(diǎn)的空間信息和屬性信息被轉(zhuǎn)化為線形約束，引入到模型生成的全過程，因而DSI插值適用于自然物體的模擬。

（4）擁有強(qiáng)大的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析功能

在GOCAD軟件中提供了強(qiáng)大的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析模塊：空間數(shù)據(jù)分析、克里金估計(jì)（Kriging）、序貫高斯模擬等。

2 GOCAD三維地質(zhì)體建模

應(yīng)用GOCAD軟件建立三維地質(zhì)體模型的具體流程如下：

（1）預(yù)處理

將已矢量化的地表地形圖、基巖等高線圖及各地層界面地形圖，在AutoCAD中進(jìn)行預(yù)處理：截取研究區(qū)域，全部轉(zhuǎn)化為多段線，賦予高程值，并將各個(gè)地形圖分別置于不同的圖層中，保存為*.dxf文件形式。

（2）生成等高點(diǎn)

將經(jīng)過預(yù)處理后的各等高線圖，通過“FILE→ImportObjects→Autocad（DXFfiles）→DXFFile”的方式導(dǎo)入 GOCAD中，由 PointsSetMode分別生成等高點(diǎn)。

（3）生成各地層面

針對各層面的等高點(diǎn)，通過“Wizards→Surface Creation→Fromdata（withoutinternalBorders），點(diǎn)擊CreateOutlineCurvefrom DataPoints和Optimize OutlineCurvetobetterfitPoints，同時(shí)可以多次點(diǎn)擊右側(cè)的螺旋形按鈕，多次優(yōu)化，達(dá)到滿意的效果后，點(diǎn)擊CreateSurface”的方式來生成各地層面。

（4）生成三維網(wǎng)格模型SGrid

自上而下，依次選取相鄰兩地層面，針對這兩個(gè)地層面通過“SGridMode→New→FromObjectsBox”的方式來生成每一地層的三維網(wǎng)格模型SGrid。過程中可對地層進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（5）生成 ClosedSurface

針對每一地層的SGrid模型，通過“SurfaceMode→New→FromGrid→SGridSection”的方式來生成該地層的六個(gè)邊界面，再通過“SurfaceMode→New→FromSurfaces”的方式來生成一個(gè)該地層的 Closed Surface。

（6）生成三維實(shí)體網(wǎng)格模型Solid

針對每一地層所生成的 ClosedSurface，通過“SolidMode→New→FromClosedSurface”的方式來生成該地層的三維實(shí)體網(wǎng)格模型Solid。分別以不同的顏色顯示所有地層的Solid，至此建立了所研究區(qū)域的三維地質(zhì)模型。

3 FLAC3D模型自動(dòng)生成

將GOCAD中生成的每一地層的Solid模型導(dǎo)出，分別通過GOCAD軟件與FLAC3D軟件的接口程序生成*.flac3d文件，再分別通過“File→ImportGrid”導(dǎo)入FLAC3D程序中并分組，即可自動(dòng)生成所研究區(qū)域的三維地質(zhì)FLAC3D模型。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

“郴寧高速”是國家規(guī)劃的東西大通道中廈門至成都公路通道的重要組成部分，其沿線地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，多為山區(qū)，溝壑縱橫，存在大量高填路堤、半填半挖路基及斜坡路基。其中，K183+440～K183+680路段位于山腳農(nóng)田中，地形較為復(fù)雜，為軟土地基斜坡高填路堤（圖1）。

4.2 地層巖性

據(jù)鉆探揭露和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，場區(qū)內(nèi)地層自上而下主要可分為：

圖1 工程概況Fig.1 Projectoverview

碎石土：褐黃色，稍濕，中密，碎石成分主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、砂巖等，粘土質(zhì)填充。

淤泥質(zhì)粘土：灰黃色，軟塑，濕，含黑色淤泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和腐木，見有中、弱風(fēng)化砂巖碎塊和砂粒，稍具異味。

強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖：黃灰色，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，巖石破碎，巖芯為砂粒狀及小碎塊狀。

弱風(fēng)化硅質(zhì)巖夾灰?guī)r：深灰色，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，夾薄層砂巖，脫水易開裂，礦物成分主要為石英，含炭質(zhì)，巖石中層理較清楚，見少量石英脈，巖石較堅(jiān)硬致密。

4.3 模型建立及網(wǎng)格劃分

研究范圍：為較好的模擬工程區(qū)的地應(yīng)力場，在盡可能接近實(shí)際的條件下，分析影響路堤變形的因素。計(jì)算模型在長度方向上選取樁號為K183+440～K183+680的范圍，由于該路段內(nèi)公路軸線曲率很小，故近似為直線，在寬度方向上以公路軸線為中心向兩邊各延伸70m，高度方向自200m高程取至地表，地面高程范圍為270～338m。

局部坐標(biāo)系：取公路軸線縱向?yàn)閄軸正向，垂直于公路軸線指向路堤坡面外側(cè)為Y軸正向，垂直向上為Z軸正向，建立模型局部坐標(biāo)系：取路面中心線上樁號為 K183+440點(diǎn)為X=0、Y=0點(diǎn)，計(jì)算范圍為X=0～240m，Y=－70～70m，取高程0m處為Z=0點(diǎn)，計(jì)算范圍為200m高程到地表。

模型建立及網(wǎng)格劃分：建模時(shí)考慮到路堤的施工工藝及施工特點(diǎn)，在路堤與路基交界面處設(shè)置臺階。根據(jù)地質(zhì)資料，由地表自上而下考慮了局部淤泥質(zhì)土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖、弱風(fēng)化石硅質(zhì)巖夾灰?guī)r。淤泥質(zhì)土厚度取5m，碎石土厚度取9～48m，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖厚度取6～30m，弱風(fēng)化石硅質(zhì)巖夾灰?guī)r取50～60m。模擬路堤時(shí)按照1m/層填筑，共25層。地層巖性及路堤分層見圖2。

圖2 地層巖性及路堤分層Fig.2 Thepropertiesofrocklayers andlayeredembankment

路堤填土和淤泥質(zhì)土的網(wǎng)格適當(dāng)加密，距離路堤較遠(yuǎn)的基巖，因?yàn)樘钔炼演d對該處影響較小，所以網(wǎng)格剖分尺寸較大。網(wǎng)格全部采用規(guī)則的四面體單元，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共離散為173034個(gè)節(jié)點(diǎn)，43310個(gè)四面體單元，三維計(jì)算網(wǎng)格劃分整體模型見圖3。

圖3 三維計(jì)算網(wǎng)格劃分整體模型Fig.3 Thethree-dimensionalcalculationmodel

4.4 生成FLAC3D模型

將GOCAD中生成的每一地層的Solid模型導(dǎo)出，分別通過GOCAD軟件與FLAC3D軟件的接口程序生成*.flac3d文件，再分別通過“File→ImportGrid”導(dǎo)入FLAC3D程序中并分組，即可自動(dòng)生成所研究區(qū)域的三維地質(zhì) FLAC3D模型（圖4）。對地質(zhì)體賦值，并加入邊界條件及初始條件進(jìn)行計(jì)算，得到路堤填筑完成后的位移等值線圖（圖5）。

圖4 三維地質(zhì)FLAC3D模型Fig.4 TheFLAC3Dmodelofgeologicalbody

圖5 位移等值線圖Fig.5 Themapofcontourdisplacement

5 結(jié)論

鑒于FLAC3D難以建立復(fù)雜三維地質(zhì)體的缺陷和GOCAD強(qiáng)大的建模能力，本文提出了基于GOCAD軟件建模和劃分網(wǎng)格，并通過GOCAD與FLAC3D的接口程序，將其導(dǎo)入FLAC3D的復(fù)雜三維地質(zhì)體建模方法，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的直觀、快速建模。該建模方法在郴寧高速公路K183+440～K183+680路段的軟土地基斜坡高填路堤建模中得到了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法方便快捷，大大減少了建立復(fù)雜三維地質(zhì)體FLAC3D模型的時(shí)間和精力。

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