土中三维随机裂隙网络的重构与数值模拟

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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。
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