颗粒流软件PFC及其在岩土工程中的应用

王宏宇　李博　黄坤岭

摘 要：由于岩土体的非连续性，基于连续介质理论的传统数值软件所得结果与工程实际存在较大差异，而PFC软件能弥补前者不足。首先介紹了PFC的基本原理及特点，并分析了PFC软件与传统数值软件模拟方法异同点，然后归纳了其计算步骤，并系统阐述了PFC在岩土体本构模型、地质灾害分析、基坑及地基处理等领域的应用现状。最后，提出PFC应用过程的建议。

关键词：岩土工程；PFC；工程应用

0 引言

数值模拟方法在科研工作中发挥了极其重要的作用，过去常运用基于连续介质理论的数值软件分析岩土体受力变形过程，忽略了岩土体为非连续、非均质的物理力学特性，导致计算结果与工程实际存在较大差异。1971年著名学者Cundall P.A.[ ]首先提出离散单元法（Distinct Element Method，DEM），且成功运用到岩土体的不连续力学特性数值模拟中，在考虑岩体自身变形条件下，随着理论的深入研究，Cundall P.A.等学者又开发出Ball程序[ ]，用来研究颗粒集合体力学性质。颗粒流软件PFC（Particle Flow Code）建立在细观离散元基础上，结合牛顿第二定律来反应介质的复杂力学行为，成为模拟固体力学和颗粒流问题的有效手段[ ]。但PFC的思路方法和传统有限元理论不同，制约了PFC的普及和推广。为此，本文研究了PFC自身特点和适用性，分析了PFC模拟方法与传统数值模拟方法的异同点，阐述了PFC在岩土工程领域的应用现状和应用中存在主要问题及发展方向。

1 PFC概述

1.1 PFC基本原理

颗粒流软件PFC软件的理论基础是细观离散单元理论，其思路为：把颗粒集合体离散成独立单元，采用颗粒粒子基本单元，反复运用牛顿第二定律更新颗粒运动情况，并结合力—位移定律，建立每个离散单元运动方程，遵循循环运算法则，采用显式中心差分法求解方程。

1.2 PFC 特点

（1）PFC的理论基础是细观离散元理论，传统有限元软件是基于连续介质理论发展起来的。

（2）颗粒间可允许发生有限位移、转动、也可发生完全分离。

（3）介质初始条件必须作为模型特性考虑的因素，如地应力场条件。

（4）PFC模拟效率较其他离散元模拟程序更高[ ]。

（5）PFC采用局部无粘性阻尼，几何特征、物理特性及解题条件的说明不如FLAC和UDEC简单。

1.3 PFC求解步骤

（1）明确模拟目标，建立模型程序。

（2）构建力学模型基本概念，选择和设计介质颗粒单元。

（3）构建简单实验室试样模型并赋予不同微力学参数，获得试样的宏观力学参数。

（4）赋予模型微观力学参数，在模型边界上施加荷载。

（5）先运行一些校验模型。

（6）结果分析并保存。

2 PFC在工程中的应用现状

2.1岩土体本构模型模拟方面

对于岩土体材料的力学特性研究，一直是工程界的热点问题。由于试验方法通常需要大量财力和物力才能完成，并受实验设备和实验室条件的限制，而获得的试验结果往往与工程实际情况相差较大，导致研究难以获得令人满意的结果。采用颗粒流软件PFC进行模拟可能更符合实际。在目前已开展的研究中，PFC数值试验可代替一些室内试验，也可对模型结果进行数值模拟。周健 [ - ]用PFC2D模拟双轴试验，得到弹性破坏曲线。在研究岩土体材料特性方面，丁秀丽[ ]等人采用PFC2D软件建立了土石混合体模型并进行双轴压缩试验。Kulatilake[ ]等人采用PFC3D分析了单轴作用下的岩石强度特性，与室内试验结果吻合。周剑[ ]等人利用PFC2D解决了碎石与土体模型中微观力学参数反算问题，并得出含有一定含量碎石土石混合体其力学性质优于均质体的结论。从列举实例可以看出，PFC在模拟岩颗粒集合体物理指标方面有着不可比拟的优势，在微观方面解释岩石特性宏观力学行为，真实反映出岩石材料力学特性。

2.2地质灾害分析方面

岩土工程中地质灾害，主要涉及到滑坡、泥石流和崩塌等方面，因其发生过程十分复杂，传统模型模拟方法很难将其描述，且宏观力学指标取决于块体之间接触类型和接触强度，现实中难以获得，在整体破坏阶段块体位移和某些非连续流动性表现明显，由于PFC2D对位移大小没有要求，岩体本身也可以产生破裂，使之更能有效的应用到滑坡分析研究中。在高速远程滑坡方面，张龙[ ]等人利用PFC3D对鸡尾山高速远程滑坡问题进行研究分析，在减灾防灾方面提供宝贵的参考价值。胡明鉴[ ]等人利用PFC2D研究了泥石流的启动问题。PFC在研究崩滑土体启动模式方面也展现出优势，K.Chang和A.Taboada[ ]利用PFC2D详细分析了台湾九份二山滑坡力学行为。R..Poisel和A. Prech[ ]对滑坡引起的水库涌浪进行颗粒流模拟，充分展示了模拟大位移问题的适用性。

2.3基坑及地基处理方面

采用PFC来模拟岩土体材料力学特性时，杨明[ ]等人运用二维离散单元模拟抗滑桩，得出了PFC2D模拟抗滑桩的折算方法。对砂土地基进行强夯处理，由于颗粒之间粘结度小，可以从细微观力学的角度进行数值模拟分析，如贾敏才[ ]等人建立干砂强夯加固模型，得出了强夯加固过程中的动力反应特性。贺军[ ]等人利用PFC2D建立了石笼挡土墙模型，提出了主被动土压力深度范围。过去常常运用有限元法来分析土钉墙支护机理，而周健[ - ]从细观角度分析复合土钉墙的支护机理，并且进行土钉拉拔接触面的细观模型试验研究。刘文白和周健[ ]采用PFC2D模拟扩展基础上拔过程。刘君和胡宏[ ]通过PFC数值模拟砂土地基锚板基础抗拔承载力，得到了颗粒间接触力链分布和其演化规律。PFC在地基处理展现出巨大的潜力。

3 结论与展望

PFC既能解决静态问题，也能解决动态问题；既能代替室内试验，也可对模型结果进行模拟，甚至可以在原始资料比较详细情况下进行实际模拟。

由于PFC软件产生时间较短，有些方面还有待完善。需要从以下几个方面进行深入研究。

（1）颗粒流PFC只是一种工具，其关键是细观参数的确定和明确微观参数同宏观结果间的关系。

（2）介质总体基本力学特性是由粒子间接触方式、强度和刚度等接触特性决定的，正确选择接触模型至关重要。

（3）用PFC建立大模型时，由于模型颗粒数目众多，计算效率较低，建议采用凝块建模的方式模拟岩体。

（4）运用PFC3D进行模拟时，不能提前确定颗粒紧密状态，迫切需要提出一种将大量颗粒放入预定模型范围的方法。

（5）运用FLAC和PFC进行三维耦合的方法，这样既能提高计算可靠度又提高了计算工作效率。