土中三维随机裂隙网络的重构与数值模拟

摘要

裂隙广泛存在于土体中,并影响了土体的强度及渗透等特性。以往学者多通过试验研究土中裂隙面对裂隙土体的影响作用。但试验研究存在着需要的时间长,外界干扰条件(如温度、湿度等)难控制,试验土样大小的限制等缺点,因此,数值模拟技术在裂隙土体领域开始逐渐被重视并广泛应用。建立计算机网络模型是进行数值模拟技术的基础,只有建立了与要分析的裂隙土体近似的网络模型,其后续的渗流、力学等分析的结果才是可信的。
　　本文主要研究了土体三维随机裂隙面网络模型的重构及其数值模拟。首先,利用CT技术对裂隙土样进行扫描,得到了土体处于不同剖面位置的裂隙面迹线照片。利用图片数据提取软件处理照片,提取出各裂隙迹线的位置坐标,最终重新构建三维裂隙面。然后通过概率统计的方法,对裂隙面参数(包括中心点坐标、倾向、倾角、迹长、深度、半径等)的随机分布进行分析。最后,在Matlab中编制程序,利用蒙托卡罗的方法,生成了土体三维随机裂隙面网络模型,并进行了研究域及裂隙面交线的计算。
　　利用CT技术对土体内部的裂隙面进行研究,可以得到比较准确的裂隙面分布状况。研究结果表明,重构的三维裂隙面剖面迹线与原裂隙面剖面迹线对比,虽客观存在一些差异,但大部分迹线在长度、位置和角度等方面比较一致。说明本文研究的重构裂隙面方法是正确的。对重构裂隙面的参数进行概率统计分析的结果显示裂隙面各参数均服从一定的分布规律,其中倾角、迹长服从对数正态分布;倾向、角度服从正态分布;中心点坐标值服从均匀分布;深度、半径服从指数分布。对本文编写的三维随机裂隙网络模型程序验算结果表明,理论值与程序计算值最大误差0.3％左右,因此计算程序能够较准确的实现对三维随机裂隙网络的生成和研究域及裂隙面交线计算。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2.国内外研究现状及分析

1.2.1 土体中裂隙面网络的提出

1.2.2 土中裂隙面网络的重构

1.2.3 土中裂隙面的参数分析

1.2.4 土中随机裂隙网络模型的数值模拟

1.2.5 裂隙网络模型的应用

1.3 本文主要的研究内容

第2章 土中三维裂隙面的重构

2.1引言

2.2 土体试样的性质

2.3对裂隙土试样的CT处理

2.3.1 CT技术的原理

2.3.2 土试样的CT试验

2.4裂隙迹线数据的提取及矫正

2.5 确定属于同一裂隙面的迹线

2.5.1平面裂隙迹线图的生成

2.5.2三维裂隙迹线总图的生成

2.5.3 确定属于同一裂隙面的迹线

2.6裂隙面的重构

2.6.1 依据端点坐标计算裂隙面所在平面

2.6.2 裂隙面形态的拟合

2.7 土样中裂隙网络的重构及验证

2.8 本章小结

第3章 裂隙面参数的概率统计分析

3.1 引言

3.1.1 岩体裂隙面的工程描述体系

3.1.2 岩体裂隙面几何参数

3.2 土中裂隙面的几何参数

3.3 概率统计的基本原理

3.3.1数理统计的基本原理

3.3.2 概率分布函数类型

3.4 土中裂隙面各参数的概率模型

3.4.1 土样裂隙面参数的概述

3.4.2 裂隙面参数的概率统计分析

3.5 本章小结

第4章 三维随机裂隙网络模型

4.1 引言

4.2 三维随机裂隙网络模型的生成

4.2.1 构建模型的理论基础

4.2.2 随机裂隙网络模型的生成

4.2.3 三维模型生成结果

4.3 研究域及裂隙面相交的计算

4.3.1 研究域边界的计算方法

4.3.2 裂隙面相交的计算方法

4.3.3 程序的验证示例

4.3.4 程序计算结果

4.4 本章小结

结 论

参考文献

致 谢

《学位论文出版授权书》