基坑開挖對周圍環(huán)境的影響分析及其可視化方法研究

【摘要】本文以基坑開挖所產(chǎn)生的變形及其對周圍環(huán)境的影響分析方法為研究主題，結(jié)合三維可視化技術(shù)開發(fā)，探討了基坑開挖過程對周圍環(huán)境的影響問題。通過OpenGL技術(shù)對基坑變形的有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，實(shí)現(xiàn)了基坑變形圖、位移云圖和等值線等的繪制，并提出了云圖與等值線繪制新方法和新思路。結(jié)合具體工程施工方案，驗(yàn)證了該類方法的合理可靠性，同時(shí)證明了本文所探討的方法對于基坑開挖影響分析具有較好地實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境影響；基坑開挖；可視化分析；OpenGL

引言：

科學(xué)計(jì)算可視化指的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)[2]。它不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，如有限元分析的結(jié)果等，同時(shí)也包括測量數(shù)據(jù)的可視化，如用于基坑工程施工監(jiān)測和墻體位移分析數(shù)據(jù)的可視化等等。

1、基坑周圍土體變形的可視化分析方法

1.1研究宗旨

利用現(xiàn)行的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)庫OpenGL在可視化領(lǐng)域的優(yōu)越性，探索和發(fā)現(xiàn)利用它進(jìn)行基坑土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)等變形可視化原理和方法。為克服目前一般可視化方法中變形圖、云圖、等值線圖繪制過程中圖形質(zhì)量與繪制速度之間的矛盾，研究OpenGL明暗過渡方法構(gòu)造云圖，并以云圖為基礎(chǔ)逆向繪制等值線的方法。

1.2基坑開挖可視化實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1變形圖

繪制基坑變形圖時(shí)，可通過繪制每個(gè)單元的局部變形得到整體最終變形，且繪制過程中不需考慮各節(jié)點(diǎn)的全局排列，而只需在單元內(nèi)部考慮節(jié)點(diǎn)的排列情況。

此外，當(dāng)基坑變形較小時(shí)，以實(shí)際比例繪制的變形圖難以區(qū)分變形前后的單元，此時(shí)需設(shè)定某放大系數(shù)，根據(jù)此系數(shù)將各結(jié)點(diǎn)位移值進(jìn)行放大。

1.2.2彩色云圖

目前應(yīng)用較廣泛的幾種云圖繪制方法都具有明顯缺點(diǎn)，都沒有解決云圖質(zhì)量與繪制速度間的矛盾。因此，作者考慮利用OpenGL的顏色明暗處理功能解決這一問題。可按照以下步驟和流程，實(shí)現(xiàn)基坑有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)的云圖繪制：

（1）確定計(jì)算結(jié)果中位移或應(yīng)力的最小值與最大值；（2）根據(jù)“場量值一顏色”曲線確定數(shù)值與顏色的對應(yīng)關(guān)系；（3）對所有有限單元，根據(jù)其頂點(diǎn)處的數(shù)值確定頂點(diǎn)顏色；（4）在OpenGL中繪制所有單元，并通過顏色明暗處理實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)顏色的平滑過渡。

1.2.3等值線

若能在云圖上找出代表某一場量值的所有顏色象素點(diǎn)，則這些點(diǎn)即構(gòu)成了此場量值的離散等值線，當(dāng)象素點(diǎn)比較密集時(shí)，其顯示結(jié)果就基本等同于連續(xù)等值線。此即等值線構(gòu)造的逆向云圖法。

逆向云圖法構(gòu)造等值線的過程可歸納如下：

（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，通過OpenGL明暗處理繪制彩色云圖；

（2）根據(jù)等值線繪制條數(shù)及間距.結(jié)合“顏色-場量值”曲線，確定各等值線對應(yīng)的象素顏色；

（3）獲取云圖各象素的顏色值；

（4）掃描獲取的云圖象素，保留符合等值線顏色的象索點(diǎn)，填充其它象素點(diǎn)為背景色，從而得到以象素點(diǎn)表示的所有等值線。

2、分析實(shí)例

2.1源數(shù)據(jù)的構(gòu)成

從廣州地鐵體育中心站基坑的變形計(jì)算結(jié)果中，我們提取了以下數(shù)據(jù)做為可視化計(jì)算的源數(shù)據(jù)：

①有限元節(jié)點(diǎn)編號和坐標(biāo)（x，y，z）；

②開挖引起的坑外土體的變形，包括不同施工階段的水平位移、縱向位移等等。

2.2體視化計(jì)算

2.2.1云圖

利用OpenGL繪制三角形的方法，以及實(shí)現(xiàn)顏色過渡的明暗處理技術(shù)，對該斷面上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予對應(yīng)的場量顏色值，從而得到均勻過渡的位移云圖，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)本文繪制的云圖能更好地反映各單元的位移變化情況，而不會(huì)出現(xiàn)ANSYS中所示的階梯狀變化。

2.2.2等值線

由云圖繪制的“場量一顏色”對應(yīng)關(guān)系可知，不同的顏色對應(yīng)不同大小的位移值。因此，當(dāng)給定一組等值線數(shù)值后，即可根據(jù)該關(guān)系確定其對應(yīng)云圖顏色，從而在掃描云圖時(shí)將非等值線顏色更改為背景色，得到以象素構(gòu)成的離散位移等值線，如圖1所示。

2.2.3體數(shù)據(jù)分析

將圖1（a3）的等值線進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)本文逆向云圖法不但可生成ANSYS所示等值線，而且還可在ANSYS各等值區(qū)域內(nèi)細(xì)分生成其它數(shù)值的等值線，且全部繪制過程只需掃描一次云圖，因而該方法具有較大的實(shí)用性和優(yōu)越性。

由圖1看出，靠近開挖區(qū)域的等值線具有比較理想的顯示效果，而距離開挖區(qū)域較遠(yuǎn)的等值線則出現(xiàn)了線寬過大的缺陷。這主要是由于開挖區(qū)域附近的水平位移值變化比較劇烈，從而使得該區(qū)域內(nèi)等值線的云圖顏色不會(huì)占據(jù)太多象素區(qū)域的緣故，而在位移變化不明顯的區(qū)域，等值線對應(yīng)的云圖顏色就有可能占據(jù)大量象素區(qū)域從而造成線寬過大。

結(jié)論：

本文以O(shè)penGL為手段，在基坑開挖有限元計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，探討了基坑工程的二維和三維可視化方法，并針對目前彩色云圖和等值線繪制中的缺陷，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，即云圖的OpenGL明暗處理生成法和等值線的逆向生成法。將本文三維地層構(gòu)造及數(shù)值計(jì)算結(jié)果可視化方法等內(nèi)容應(yīng)用于廣州地鐵體育中心站基坑工程中，計(jì)算結(jié)果符合現(xiàn)場勘查情況，并比通常有限元簡化計(jì)算結(jié)果更精確，驗(yàn)證了本文方法的合理可靠性，可在類似工程中進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.4.

[2]鄭宜楓.基坑工程的可視化分析方法[J].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22.

[3]王誠東.淺談深基坑中巖土勘察技術(shù)要求[J].中國房地產(chǎn)業(yè).2015.7

作者簡介：

何暉，教授，博士，院長，從事巖土工程科研工作。