›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (3): 866-874.doi: 10.16285/j.rsm.2017.03.032

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

3D GIS与有限元模拟无缝耦合方法及其在隧道工程中的应用研究

刘振平1，刘 建1，何雨微2，贺怀建1，卞 康1   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 2. 湖北武穴长江公路大桥有限公司，湖北 武穴 435400
  • 收稿日期:2016-05-22 出版日期:2017-03-11 发布日期:2018-06-05
  • 作者简介:刘振平，男，1981年生，博士，副研究员，主要从事岩土工程地质灾害评价与3DGIS可视化技术的研究工作。
  • 基金资助:

    国家重点研发计划项目（No.2016YFC0401802）；国家自然科学基金重点项目（No.51539002）；国家自然科学青年基金项目（No.51204158，No.51209198）。

Seamless coupling of 3D GIS techniques with FEM and its application to tunneling engineering

LIU Zhen-ping1, LIU Jian1, HE Yu-wei2, HE Huai-jian1, BIAN Kang1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Science ,Wuhan, Hubei 430071, China; 2. Hubei Wuxue Yangtze River Highway Bridge Co., Ltd., Wuxue, Hubei 435400, China
  • Received:2016-05-22 Online:2017-03-11 Published:2018-06-05
  • Supported by:

    This work was supported by the National Key Research and Development Project (2016YFC0401802), the Key Program of National Natural Science Foundation of China (51539002) and the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (51204158, 51209198).

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1386

摘要： 为实现数值模拟获得的各种场数据与GIS空间信息的综合集成，有必要对GIS中融合有限元数值计算的方法开展研究。本文采用GRASS GIS、VTK等开源软件，通过Python语言建立了GIS与有限元模拟的复合系统开发框架，针对隧道开挖编写了3DGIS与有限元数值计算无缝耦合分析程序（3DPyGisTFEM）。给出了由中心线上多条轮廓线生成隧道模型的算法，提出了对各地层DEM与隧道模型进行剖切运算获得隧道开挖地质剖面的方法。引入Delaunay网格剖分算法，对GIS中TIN模型不断改良，获得了适合有限元模拟的地质剖面三角形网格。基于多个剖面计算结果，运用插值手段，形成研究区域场数据，结合GIS空间分析方法，对场数据分布规律进行综合分析，实现了GIS与有限元的无缝耦合。黄家寨隧道工程实例表明，相对坡度、隧道中心线缓冲区等因素，地表距隧道拱顶高差的空间分布特征与地表沉降规律相关性更强。

关键词: 有限元法, 地理信息系统, Delaunay网格剖分算法, 无缝耦合, 隧道工程

Abstract: For the integration of GIS spatial information and a variety of field data obtained by numerical simulation, FEM (finite element method) is necessary to be combined with GIS. To improve the efficiency of system development, the open source softwares, such as GRASS GIS and VTK, are used to establish complex system development framework combining FE simulation and GIS by Python language. The platform named 3DPyGisTFEM enables seamless coupling between FE calculation and 3DGIS for tunneling analysis. Moreover, the algorithm of tunnel model generation connects a series of contour lines with tunnel center lines. The geological sections of tunnel excavation can be obtained by cutting operation on different strata layer DEMs and tunnel models. The triangular meshes for finite element simulation introduced by Delaunay mesh generation algorithm improve TIN model of GIS. The field data of research area are generated by interpolation of multiple geological sections simulation results from FEM. Then, the seamless coupling method with FEM in GIS is realized through comprehensive analysis of field data using GIS spatial analysis methods. The Huangjiazhai tunnel engineering example shows that the ground surface elevation from tunnel crown has greater influence on surface settlement than other factors, such as relative slope, buffer and etc.

Key words: FEM (finite element method), 3D GIS (three dimensional geographic information system), Delaunay mesh generation algorithm, seamless coupling, tunneling engineering

中图分类号: 

  • O 242.21

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