王宏宇，李 博，李旭東

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

淺談PFC軟件在巖土工程中的應(yīng)用

王宏宇，李 博，李旭東

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

由于巖土體的非連續(xù)性，在模擬復(fù)雜巖土體力學(xué)行為方面，基于連續(xù)介質(zhì)理論的傳統(tǒng)數(shù)值軟件所得結(jié)果與工程實(shí)際存在較大差異，而PFC軟件能彌補(bǔ)前者不足。文章介紹了PFC軟件的基本原理及特點(diǎn)，分析了PFC軟件與傳統(tǒng)數(shù)值軟件模擬方法的異同點(diǎn)，歸納了其計(jì)算步驟，并系統(tǒng)闡述了PFC在巖土體本構(gòu)模型、地質(zhì)災(zāi)害分析、基坑及地基處理、隧道工程數(shù)值模擬等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了PFC軟件被廣泛應(yīng)用于巖土工程的可行性。最后，提出目前PFC軟件應(yīng)用過程中存在的主要問題及其在巖土工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。

巖土工程；離散單元法；顆粒流；PFC軟件；工程應(yīng)用

0 引言

數(shù)值模擬方法在科研工作中發(fā)揮了極其重要的作用，過去常運(yùn)用基于連續(xù)介質(zhì)理論的數(shù)值軟件分析巖土體受力變形過程，忽略了巖土體為非連續(xù)、非均質(zhì)的物理力學(xué)特性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際存在較大差異。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們從介質(zhì)顆粒細(xì)觀角度出發(fā)，分析巖土體介質(zhì)顆粒相互運(yùn)動(dòng)及相互作用，探討巖土體類介質(zhì)的不連續(xù)力學(xué)特性，國內(nèi)外掀起了探討數(shù)值理論方法熱潮，離散單元法由此產(chǎn)生。1971年著名學(xué)者Cundall P.A.[1]首先提出離散單元法(Distinct Element Method，DEM)，且成功運(yùn)用到巖土體的不連續(xù)力學(xué)特性數(shù)值模擬中；在考慮巖體自身變形條件下，Maini T.和Cundall P.A.等學(xué)者于1978年提出運(yùn)用UDEC(Universal Discrete Element Code)軟件主要來模擬巖土體破碎問題[2]，隨著理論的深入研究，Cundall P.A.等學(xué)者又開發(fā)出Ball程序[3]，用來研究顆粒集合體力學(xué)性質(zhì)。而在我國離散單元法的運(yùn)用較晚，直到1986年，王泳嘉等第一次向工程界介紹了離散單元法的基本原理，并且列舉了典型應(yīng)用實(shí)例[4]，離散單元法在我國才逐步得到應(yīng)用。離散單元法主要包括宏觀和細(xì)觀離散單元法，前者主要解決規(guī)模相對較大的不連續(xù)面(斷層、節(jié)理等)引起的問題；后者主要從細(xì)觀層面著眼于數(shù)目眾多、不連續(xù)特性的接觸面或點(diǎn)，如破碎巖土體中的破裂面、砂性土中的接觸點(diǎn)或接觸面等。顆粒流軟件PFC(Particle Flow Code)建立在細(xì)觀離散元基礎(chǔ)上，利用介質(zhì)的基本單元粒子，并結(jié)合牛頓第二定律來反應(yīng)介質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)行為。起初，PFC作為用來研究顆粒介質(zhì)特性的工具，可將模擬結(jié)果用于研究邊值問題連續(xù)計(jì)算的本構(gòu)模型。后來，隨著計(jì)算機(jī)功能的增強(qiáng)，可以利用顆粒模型模擬整個(gè)問題，甚至巖土體某些本構(gòu)特性可以在模型中生成。由于PFC的強(qiáng)大功能，使其得到了廣泛的運(yùn)用，成為模擬固體力學(xué)和顆粒流問題的有效手段[6]?；赑FC的獨(dú)特優(yōu)勢，國際上從2002年開始召開專題年會(huì)(兩年一屆)，推廣PFC的使用，可見PFC在解決工程問題方面具有巨大潛力。但是，PFC的思路方法和傳統(tǒng)有限元理論不同，制約了PFC的普及和推廣。為此，本文研究了PFC自身特點(diǎn)和適用性，分析了PFC模擬方法與傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法的異同點(diǎn)，闡述了PFC在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用中存在的主要問題及發(fā)展方向。

1 PFC概述

1.1 PFC基本原理

顆粒流軟件PFC軟件的理論基礎(chǔ)是細(xì)觀離散單元理論，通過描述顆粒間相對運(yùn)動(dòng)以及其相互作用，來反映巖體的宏觀力學(xué)行為。其思路為：把顆粒集合體(介質(zhì))離散成獨(dú)立單元(二維是圓盤顆粒單元，三維是球形單元)，采用顆粒粒子基本單元，反復(fù)運(yùn)用牛頓第二定律更新顆粒運(yùn)動(dòng)情況，并結(jié)合力—位移定律更新顆粒間的接觸情況，建立每個(gè)離散單元運(yùn)動(dòng)方程，遵循循環(huán)運(yùn)算法則，采用顯式中心差分法求解方程，反應(yīng)介質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)行為，其計(jì)算過程[7]如圖1所示。

圖1 顆粒計(jì)算循環(huán)過程圖

特別指出，PFC在模擬塊體時(shí)，通過多個(gè)顆粒聚合形成的組合體來進(jìn)行模擬[8]。該顆粒流模型假設(shè)[9]如下：

(1)顆粒單元為剛性體，并假定大部分巖土體介質(zhì)材料變形都可以認(rèn)為顆粒沿接觸面滑移。

(2)顆粒單元接觸為點(diǎn)接觸，接觸方式及接觸強(qiáng)度可以不同，但都遵循牛頓第二定律。

(3)接觸點(diǎn)具有粘結(jié)強(qiáng)度，且接觸特性是軟接觸，允許顆粒與邊界墻有一定的重疊量。

(4)顆粒單元之間的特殊粘結(jié)強(qiáng)度由顆粒之間的約束實(shí)現(xiàn)。

介質(zhì)總體基本力學(xué)特性是由粒子間的接觸方式、接觸強(qiáng)度和剛度等接觸特性決定的，選擇合適的接觸模型至關(guān)重要。顆粒之間的模型主要有三種：接觸剛度模型(線性彈簧或簡化的Hertz-Mindlin準(zhǔn)則)、滑動(dòng)模型(庫倫滑塊)和粘接模型(接觸粘結(jié)和平行粘結(jié))。值得指出的是，在模擬巖體變形時(shí)常采用平行粘結(jié)模型來分析介質(zhì)顆粒粘結(jié)斷裂引起的局部破壞。

1.2 PFC特點(diǎn)

(1)PFC的理論基礎(chǔ)是細(xì)觀離散元理論，傳統(tǒng)有限元軟件和有限差分軟件是基于連續(xù)介質(zhì)理論發(fā)展起來的。

(2)顆粒間可允許發(fā)生有限位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、也可發(fā)生完全分離。

(3)與以往數(shù)值計(jì)算方法不同，介質(zhì)初始條件必須作為模型特性考慮的因素，如地應(yīng)力場條件。PFC很好地描述了應(yīng)力環(huán)境對介質(zhì)(主要指巖土體)基本物理特性的影響，用顆粒流方法求解問題時(shí)，介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系不用提前定義。

(4)PFC與UDEC、3DEC相比，模擬大變形問題時(shí)塊體可受力破壞分離，而UDEC不能模擬塊體的破裂。與棱角顆粒間接觸相比，PFC3D中圓形顆粒接觸更容易判斷，計(jì)算過程中自動(dòng)識(shí)別新接觸，因此，PFC模擬效率較其他離散元模擬程序更高[10]。

(5)與FLAC軟件類似，PFC也采用局部無黏性阻尼，但幾何特征、物理特性及解題條件的說明不如FLAC和UDEC簡單。

(6)PFC在研究微裂縫產(chǎn)生發(fā)展過程、介質(zhì)連續(xù)非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、巖體力學(xué)特性隨應(yīng)力變化過程和Kaiser效應(yīng)等方面具有較好的適用性。

1.3 PFC求解步驟

用PFC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的主要步驟為：

(1)明確模擬目標(biāo)，建立模型程序，忽略對目標(biāo)影響不大的因素。

(2)構(gòu)建力學(xué)模型基本概念，具體要根據(jù)工程基本特性，選擇和設(shè)計(jì)介質(zhì)顆粒單元。根據(jù)介質(zhì)密度生成適當(dāng)數(shù)目的粒子，選擇合適接觸類型，并給與接觸摩擦強(qiáng)度系數(shù)，使之達(dá)到初始靜力平衡[11]。

(3)構(gòu)建簡單實(shí)驗(yàn)室試樣模型并賦予不同微力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，獲得試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)。將獲得的試驗(yàn)宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)際工程的對應(yīng)值對比，類似相似理論方法，選擇對應(yīng)的粒子微觀力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而保證PFC模型參數(shù)與巖樣細(xì)觀參數(shù)一致[12]，具體要通過單軸、雙軸或劈裂試驗(yàn)建立聯(lián)系[16-18]。細(xì)觀和宏觀參數(shù)關(guān)系如圖2所示。

(4)賦予模型微觀力學(xué)參數(shù)，在模型邊界上施加荷載并不斷調(diào)節(jié)邊界幾何坐標(biāo)，盡量使介質(zhì)應(yīng)力條件與工程實(shí)際應(yīng)力場相符。

(5)運(yùn)行計(jì)算模型，應(yīng)先運(yùn)行一些校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將某些特性參?shù)試驗(yàn)或理論計(jì)算結(jié)果檢查模擬結(jié)果的合理性，運(yùn)行無誤時(shí)，再進(jìn)行計(jì)算。

(6)解釋結(jié)果，比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果，將結(jié)果保存，以便分析調(diào)試。

圖2 宏觀力學(xué)參數(shù)與細(xì)觀力學(xué)參數(shù)之間關(guān)系示意圖

2 PFC在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 巖土體本構(gòu)模型模擬

對于巖土體材料的力學(xué)特性研究，一直是工程界的熱點(diǎn)問題。試驗(yàn)方法是常用的研究方法之一。由于試驗(yàn)方法通常需要大量財(cái)力和物力才能完成，并受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室條件的限制，而獲得的試驗(yàn)結(jié)果往往與工程實(shí)際情況相差較大，導(dǎo)致研究難以獲得令人滿意的結(jié)果。實(shí)際上，巖土體不連續(xù)力學(xué)特性主要由細(xì)觀單元運(yùn)動(dòng)控制，采用顆粒流軟件PFC進(jìn)行模擬可能更符合實(shí)際。在目前已開展的研究中，PFC數(shù)值試驗(yàn)可代替一些室內(nèi)試驗(yàn)，也可對模型結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。周健[19-20]用PFC2D模擬雙軸試驗(yàn)，得到彈性破壞曲線，并對巴西劈裂試驗(yàn)進(jìn)行模擬，得到巴西劈裂破壞圖。在研究巖土體材料特性方面，土石混合體是一種特殊土體材料，主要由巖塊與土體組成，結(jié)構(gòu)特征和材料特性決定了土石混合體性質(zhì)，呈現(xiàn)出非連續(xù)性，采用細(xì)微結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與傳統(tǒng)宏觀理論相結(jié)合的方法來分析土石混合體特性其所得結(jié)果較為理想，丁秀麗[21]等人采用PFC2D軟件建立了土石混合體模型并進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)。張曉平[22]等人采用PFC3D分析了單軸作用下的巖石強(qiáng)度特性，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合。周劍[24]等人利用PFC2D解決了碎石與土體模型中微觀力學(xué)參數(shù)反算問題，并得出含有一定含量碎石土石混合體其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于均質(zhì)體的結(jié)論。顧馨允[25]等人利用PFC3D對顆粒堆積體孔隙連通性進(jìn)行初步研究，得出了連通性受顆粒級配及顆粒形狀影響。從列舉實(shí)例可以看出，PFC在模擬巖石類試驗(yàn)和顆粒集合體物理指標(biāo)方面有著不可比擬的優(yōu)勢，在微觀方面解釋巖石特性宏觀力學(xué)行為，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相結(jié)合分析，真實(shí)反映出巖石材料力學(xué)特性。巖土體經(jīng)過漫長地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，完整的巖體逐步成為節(jié)理巖體，巖體力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出不連續(xù)性和各向異性[26]，如果依靠大尺寸現(xiàn)場試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)缺乏代表性，與工程實(shí)際情況差別較大，一般采用顆粒流數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，所得模擬結(jié)果更貼近工程實(shí)際。赫建明[27]等人運(yùn)用PFC建立了不同連通情況和法向應(yīng)力條件下的斷續(xù)節(jié)理模型。李新坡[28]等人采用PFC2D來模擬節(jié)理巖質(zhì)邊坡破壞過程，詳細(xì)闡述了節(jié)理巖體破壞機(jī)理，得出了破壞后堆積形狀和最終運(yùn)動(dòng)距離。劉順桂[29]等人通過PFC2D對斷續(xù)節(jié)理模型試驗(yàn)進(jìn)行全真數(shù)值模擬，分析了預(yù)剪面應(yīng)力隨剪應(yīng)變的演化過程，剪脹效應(yīng)會(huì)使巖橋承擔(dān)更大的壓應(yīng)力。楊成偉[30]等利用PFC2D模擬了剪切破壞的過程、拉剪復(fù)合破壞以及翼部裂紋擴(kuò)展破壞等三種貫通破壞模式，認(rèn)為巖橋的貫通破壞模式受巖橋的傾角影響。王培濤[31]等人通過顆粒流方法確定節(jié)理邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)，得到了巖體破壞模式，為研究節(jié)理帶來的一系列問題提供了解決的途徑。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害分析

巖土工程中地質(zhì)災(zāi)害，主要涉及到滑坡、泥石流和崩塌等方面，因其發(fā)生過程十分復(fù)雜，傳統(tǒng)模型模擬方法很難將其描述，且宏觀力學(xué)指標(biāo)取決于塊體之間接觸類型和接觸強(qiáng)度，現(xiàn)實(shí)中難以獲得，在整體破壞階段塊體位移和某些非連續(xù)流動(dòng)性表現(xiàn)明顯，由于PFC2D對位移大小沒有要求，巖體本身也可以產(chǎn)生破裂，使之更能有效地應(yīng)用到滑坡分析研究中。在高速遠(yuǎn)程滑坡方面，張龍[32]等人利用PFC3D對雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡問題進(jìn)行研究分析，對運(yùn)動(dòng)過程和堆積過程進(jìn)行分析，在減災(zāi)防災(zāi)方面提供寶貴的參考價(jià)值。胡明鑒[33]等人利用PFC2D研究了泥石流的啟動(dòng)問題，對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害具有較大的意義。PFC在研究崩滑土體啟動(dòng)模式方面也展現(xiàn)出優(yōu)勢，K.Chang和A.Taboada[34]利用PFC2D詳細(xì)分析了臺(tái)灣九份二山滑坡力學(xué)行為。R..Poisel和A.Prech[35]對滑坡引起的水庫涌浪進(jìn)行顆粒流模擬，充分展示了模擬大位移問題的適用性。臺(tái)灣唐昭榮[36]等人利用PFC3D模擬2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)引致小林村劇變式山崩事件過程，并對山崩潛勢分析，了解山崩運(yùn)動(dòng)過程及其影響范圍。季憲軍[37]等人利用PFC3D構(gòu)建了崩滑體模型，通過數(shù)值模擬崩滑體啟動(dòng)過程，得出崩滑體的啟動(dòng)模式受到粘結(jié)強(qiáng)度影響的結(jié)論，對研究崩滑災(zāi)害的防治具有重大的意義。

2.3 基坑及地基處理

采用PFC來模擬巖土體材料力學(xué)特性時(shí)，需要選擇合適接觸模型，在模擬存有粘聚力材料和抗彎構(gòu)件方面，常采用平行連接模型。楊明[38]等人運(yùn)用二維離散單元模擬抗滑樁，得出了PFC2D模擬抗滑樁的折算方法。對砂土地基進(jìn)行強(qiáng)夯處理，由于顆粒之間粘結(jié)度小，可以從細(xì)微觀力學(xué)的角度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如賈敏才[39]等人建立干砂強(qiáng)夯加固模型，得出了強(qiáng)夯加固過程中的動(dòng)力反應(yīng)特性。石籠擋土墻充填介質(zhì)具有離散性質(zhì)，PFC在研究柔性擋土墻方面也是有效的，賀軍[40]等人利用PFC2D建立了石籠擋土墻模型，提出了主被動(dòng)土壓力深度范圍。過去常常運(yùn)用有限元法來分析土釘墻支護(hù)機(jī)理，而周健[41-42]從細(xì)觀角度分析復(fù)合土釘墻的支護(hù)機(jī)理，并且進(jìn)行土釘拉拔接觸面的細(xì)觀模型試驗(yàn)研究。劉文白和周健[43]采用PFC2D模擬擴(kuò)展基礎(chǔ)上拔過程(限于水平錨板)，在分析土顆粒結(jié)構(gòu)變化和承載力方面取得了較大進(jìn)步。劉君和胡宏[44]通過PFC數(shù)值模擬砂土地基錨板(傾斜錨板)基礎(chǔ)抗拔承載力，得到了顆粒間接觸力鏈分布和其演化規(guī)律。PFC在地基處理展現(xiàn)出巨大的潛力。

2.4 隧道工程數(shù)值模擬

目前基于連續(xù)介質(zhì)理論的數(shù)值分析軟件被廣泛應(yīng)用到隧道工程中。但是，大都采用有限位移增量來分析，過分依賴本構(gòu)模型，對不可壓縮且不排水黏土分析的結(jié)果和實(shí)際有較大差異。而顆粒流理論是從細(xì)觀力學(xué)角度的分析來反應(yīng)宏觀力學(xué)行為，采用PFC軟件進(jìn)行分析所得結(jié)果符合工程實(shí)際。對盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定分析方面，胡欣雨[45]等人利用PFC2D模擬泥水盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過程，黏土顆粒用二維圓盤單元模擬，形象展示了失穩(wěn)過程，得到了有效控制失穩(wěn)關(guān)鍵點(diǎn)。彭鈞[46]等人對不同間距下盾構(gòu)先行刀在砂卵石地層中耕松模式進(jìn)行數(shù)值研究，歸納出三種典型土體耕松模式，確定了最優(yōu)刀間距。汪英超[47]等人利用PFC2D模擬了盾構(gòu)施工引起地層應(yīng)力變化和開挖面失穩(wěn)破壞過程。在礫石材料組成巖體中使用盾構(gòu)法施工，由于礫石材料容易破碎分離，但是堆積后又可以具有一定強(qiáng)度，鑒于此，詹尚書[48]等人采用PFC2D建立數(shù)值模型，有效模擬礫石層力學(xué)性能并探討礫石層沉陷過程。如果在裂隙較為發(fā)育的巖體中開挖隧道，裂隙巖體非連續(xù)性顯著，容易出現(xiàn)塌方和突水突泥等事故[49-50]，有限元法和有限差分法雖可預(yù)測損傷區(qū)域，但較難模擬塌方整個(gè)過程，而PFC在這方面具有較好的適用性。扈世民[51]對大斷面黃土隧道破壞模式模擬，形象展示出其破壞過程。國內(nèi)還有學(xué)者對深埋隧道開挖損傷區(qū)運(yùn)用PFC進(jìn)行模擬，汪成兵[52]等人采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合方式對均質(zhì)巖體中隧道圍巖變形進(jìn)行研究且對地表位移變化過程給以分析，他還通過PFC2D模擬了隧道塌方全過程，探討了塌方機(jī)制[53-54]。孟云偉[55]利用PFC建立了有無襯砌兩種支護(hù)模型。隧道施工中經(jīng)常遇到突水突泥問題，過去對突水突泥機(jī)理研究基于連續(xù)介質(zhì)理論，采用連續(xù)介質(zhì)理論研究巖體破碎問題和工程實(shí)際差異較大，無法直觀再現(xiàn)突水突泥動(dòng)態(tài)過程及巖體滲透性，而PFC可以充分利用模擬大變形和松散顆粒介質(zhì)優(yōu)勢，基于此，王媛[56]建立了由裂隙斷層組成的巖體模型，結(jié)合，有限體積法模擬出突水突泥過程，為突水突泥機(jī)理研究提供了新的思路，目前，對PFC模擬突水突泥過程還不完善，有待進(jìn)一步探討。

2.5 其他領(lǐng)域

在采礦方面，目前國內(nèi)主要采用PFC2D模擬[57]崩落法。如朱煥春[11]等人對加拿大B.C省的寒姆金礦(埋深大，結(jié)構(gòu)面多)崩落法開采過程進(jìn)行模擬，大體積礦脈巖體力學(xué)參數(shù)數(shù)值得到確定。王培濤[58]運(yùn)用PFC研究了邊孔角對無底柱分段崩落法放礦影響。國外運(yùn)用PFC3D全面分析了影響礦塊崩落各個(gè)因素，大力促進(jìn)了自然崩落法的進(jìn)步[59]，實(shí)際工程問題往往比較復(fù)雜，超出了平面問題，所以應(yīng)該多運(yùn)用PFC3D，更加真實(shí)反應(yīng)實(shí)際問題。

另外，PFC已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到機(jī)械領(lǐng)域[60]，也被應(yīng)用研究巖爆特性[61]，甚至被用于充填顆粒流[62]方面和顆粒流動(dòng)[63]方面。綜上所述，PFC軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到非常多的領(lǐng)域。

3 結(jié)語

PFC在巖土工程領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用說明了它在模擬不連續(xù)巖體力學(xué)行為的適用性，PFC既能解決靜態(tài)問題，也能解決動(dòng)態(tài)問題；既能代替室內(nèi)試驗(yàn)，也可對模型結(jié)果進(jìn)行模擬，甚至可以在原始資料比較詳細(xì)情況下進(jìn)行實(shí)際模擬。在缺少實(shí)測資料情況下，進(jìn)行巖石與土體開挖和設(shè)計(jì)，其中的初始應(yīng)力、不連續(xù)性問題了解不全面時(shí)，可以采用PFC2D研究影響整個(gè)問題體系的某些參數(shù)特性，方便設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模擬。PFC也可模擬顆粒間的相互作用問題、大變形問題、斷裂問題，PFC在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大。

由于PFC軟件產(chǎn)生時(shí)間較短，有些方面還有待完善。如對于稍復(fù)雜問題，由于PFC模型中顆粒形狀是圓形或者球形，與實(shí)際情況有所差距，若顆粒數(shù)量居多，要求PFC存儲(chǔ)需要與顆粒數(shù)增加幾乎成幾何級數(shù)增加，建模相當(dāng)困難，計(jì)算循環(huán)次數(shù)多，對計(jì)算機(jī)要求較高，但需要做更多工作去保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和高效性，該顆粒流程序PFC真正運(yùn)用到實(shí)際工程中，還有很長一段路要走，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

(1)顆粒流PFC只是一種工具，其關(guān)鍵是細(xì)觀參數(shù)的確定和明確微觀參數(shù)同宏觀結(jié)果間的關(guān)系。目前，還沒有完善理論根據(jù)微觀特性預(yù)見宏觀特性，可以給出某些準(zhǔn)則，以便于模型與原型的匹配。

(2)介質(zhì)總體基本力學(xué)特性是由粒子間接觸方式、強(qiáng)度和剛度等接觸特性決定的，正確選擇接觸模型至關(guān)重要。

(3)用PFC建立大模型時(shí)，由于模型顆粒數(shù)目眾多，模型規(guī)模較大，需要反復(fù)迭代計(jì)算，計(jì)算效率較低，建議采用凝塊建模的方式模擬巖體。在模擬隧道開挖過程中，盡可能使用PFC內(nèi)置的AC/DC(Adaptive Continuum/DisContinuum)程序，以提高計(jì)算效率。

(4)在模擬巖石與土體開挖方面，應(yīng)充分了解初始地應(yīng)力和不連續(xù)問題，并對影響整個(gè)體系的參數(shù)特性進(jìn)行研究，可提高模擬精確度。

(5)運(yùn)用PFC3D進(jìn)行模擬時(shí)，不能提前確定顆粒的緊密狀態(tài)，迫切需要提出一種將大量顆粒放入預(yù)定模型范圍的方法。

(6)運(yùn)用FLAC和PFC進(jìn)行三維耦合的方法，例如對隧道附近土體采用PFC進(jìn)行模擬，遠(yuǎn)離土體采用FLAC模擬，這樣既能提高計(jì)算可靠度，又提高了計(jì)算工作效率。

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Discussions on the Application of PFC Software in Geotechnical Engineering

WANG Hong-yu，LI Bo，LI Xu-dong

(School of Highway，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi，710064)

Due to the discontinuity of rock and soil，the results obtained from traditional numerical software based on continuum theory has a big difference with actual engineering in the simulation of com-plex rock and soil mechanics behavior，while PFC software can compensate the deficiency of the for-mer.This article introduced the basic principles and characteristics of PFC software，analyzed the simi-larities and differences between PFC software and traditional numerical software simulation methods，summed up its calculation steps，systematically described the current application situation of PFC in the constitutive model of rock and soil，geological hazards analysis，foundation pit and foundation treatment，tunnel engineering numerical simulation and other fields，and discussed the feasibility to widely apply the PFC software in geotechnical engineering.Finally，it proposed the main problems existing in the current applications of PFC software as well as its development directions in the field of geotechni-cal engineering.

Geotechnical engineering；Discrete element method；Particle flow；PFC software；Engineer-ing applications

王宏宇(1990—)，碩士，主要從事隧道與地下工程的研究工作。

973計(jì)劃項(xiàng)目(NO.20 13CB036003)；高等學(xué)校博士點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(博導(dǎo)類)(NO.20130205110004)

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.016

1673-4874(2015)07-0068-07

2015-06-06