隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，巖土工程涉及的要求從材料、理論到施工工藝都提出了全方位的系統(tǒng)升級(jí)。在巖土工程分析設(shè)計(jì)中，PFC軟件快速建模也一直是巖土工作者所關(guān)注的問(wèn)題。

并且以離散元法為代表的計(jì)算方法已廣泛應(yīng)用于工程的各個(gè)方面：盾構(gòu)隧道、邊坡工程、地下開(kāi)采、水力壓裂、斷裂力學(xué)、風(fēng)蝕、崩塌、泥石流等問(wèn)題。

學(xué)巖土你必須要知道的

巖土工程數(shù)值計(jì)算總體上可以分為兩大類(lèi):

一類(lèi)是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的方法，如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法 (FLAC(1tasea，2002))等;（吐槽一下：當(dāng)年的論文簡(jiǎn)直看起來(lái)頭暈?zāi)垦?，就如天?shù)奇譚）

另一類(lèi)是不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，如離散元法 UDEC(1tasca，2000)、3DEC(Itasea，1998)、PFC(Itasea，2002)和塊體理論DDA(石根華，1988)等。

離散元方法按其用途又可以分為宏觀離散元方法和細(xì)觀離散元方法，前者主要針對(duì)解決規(guī)模相對(duì)較大的不連續(xù)面，如斷層節(jié)理結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的結(jié)合面等引起的問(wèn)題(UDEC，3DEC)，后者則著重于數(shù)目眾多具有不連續(xù)特性的接觸面或點(diǎn)，如破碎巖體中的破裂面、砂土中的接觸面(點(diǎn))和材料中顆粒之間的接觸面(點(diǎn))等。

為什么PFC是最優(yōu)解

PFC(Particle Flow Code)是在著名學(xué)者 Peter Cundall主持下采用細(xì)觀離散元理論(又稱(chēng)為粒子流理論)開(kāi)發(fā)的一種數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，可以廣泛地應(yīng)用于研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制問(wèn)題。

顆粒流PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions)平臺(tái)數(shù)值模擬單元有兩種:顆粒圓筒和顆粒(disc or particle)，主要用于平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的特殊情況;顆粒流PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)的數(shù)值模擬單元是三維球體顆粒(granular)，主要用于三維受力分析。

Cundall(2002)博士認(rèn)為PFC在描述巖土體介質(zhì)特殊特性方面有著其他常用數(shù)值方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）能自動(dòng)模擬介質(zhì)基本特性隨應(yīng)力環(huán)境的變化；

（2）能實(shí)現(xiàn)巖土體對(duì)歷史應(yīng)力一應(yīng)變記憶特性的模擬(屈服面變化Kaiser效等)；

（3）反映剪脹及其對(duì)歷史應(yīng)力等的依賴(lài)性；

（4）自動(dòng)反映介質(zhì)的連續(xù)非線行應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系屈服強(qiáng)度和此后的應(yīng)變軟化或硬化過(guò)程；

（5）能描述循環(huán)加載條件下的滯后效應(yīng)；

（6）描述中間應(yīng)力增大時(shí)介質(zhì)特性的脆性一塑性轉(zhuǎn)化；

（7）能考慮增量剛度對(duì)中間應(yīng)力和應(yīng)力歷史的依賴(lài)性；

（8）能反映應(yīng)力一應(yīng)變路徑引起的剛度和強(qiáng)度的各向異性問(wèn)題；

（9）描述了強(qiáng)度包線的非線性特征；

（10）介質(zhì)材料微裂縫的自然產(chǎn)生過(guò)程；

掌握PFC，基礎(chǔ)是關(guān)鍵

顆粒流最基本的特征有：

（1）允許粒子發(fā)生有限位移和轉(zhuǎn)動(dòng)粒子間可以完全脫離;

（2）在計(jì)算過(guò)程中能夠自動(dòng)辯識(shí)新的接觸。

PFC的基本思想是采用介質(zhì)最基本單元一粒子和最基本的力學(xué)關(guān)系一牛頓第二定律來(lái)描述介質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)行為，故是一種本質(zhì)性和根本性的描述。該數(shù)值計(jì)算理論在應(yīng)用環(huán)節(jié)的思路和方法，因?yàn)槠浠舅枷氲牟煌?，很大程度上不同于其他連續(xù)和非連續(xù)力學(xué)理論方法。

這些差別主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

（1）模型介質(zhì)的宏觀基本物理力學(xué)特征不可能通過(guò)直接賦值的形式實(shí)現(xiàn)，只有粒子的幾何特性和粒子間接觸的細(xì)(微)觀力學(xué)參數(shù)可以賦值，粒子的幾何參數(shù)包括介質(zhì)顆粒大小和分布(土體的顆粒級(jí)配和巖石的結(jié)構(gòu))。接觸特性包括接觸方式和接觸力學(xué)特征(剛度和強(qiáng)度)。介質(zhì)的總體力學(xué)特征取決于粒子的這些基本特性，改變這些基本特性就意味著顯著改變了介質(zhì)的宏觀力學(xué)特性。

（2）介質(zhì)的初始條件如地應(yīng)力場(chǎng)條件會(huì)影響介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征(粒子集合體的密度)從而影響其物理力學(xué)特性，因此，地應(yīng)力場(chǎng)條件必須作為模型特性的一個(gè)與介質(zhì)基本物理力學(xué)特性相關(guān)聯(lián)且不是獨(dú)立的因素考慮，這與以往的數(shù)值計(jì)算方法完全不同也非常自然地描述了應(yīng)力環(huán)境對(duì)介質(zhì)(特別是巖體)基本物理力學(xué)特性的影響。

（3）由于介質(zhì)的力學(xué)特性取決于介質(zhì)內(nèi)部粒子的結(jié)構(gòu)和接觸特征，因此，計(jì)算中不需要給介質(zhì)賦以某種本構(gòu)關(guān)系模型。介質(zhì)的本構(gòu)特征將全部由介質(zhì)內(nèi)部粒子之間狀態(tài)特征的變化體現(xiàn)出來(lái)，粒子間接觸的破壞和發(fā)展標(biāo)志著介質(zhì)整體力學(xué)特性由線形向非線性轉(zhuǎn)化，由彈性向彈塑性轉(zhuǎn)化。

（4）構(gòu)建PFC模型和進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算準(zhǔn)備工作必須使用PFC的二次開(kāi)發(fā)功能，可通過(guò)自編程操縱PFC實(shí)現(xiàn)上述目的。

顆粒流方法在模擬過(guò)程中作了如下假設(shè)：

（1）顆粒單元為剛性體，本身不會(huì)破壞;

（2）接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)、即點(diǎn)接觸;

（3）接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量;

（4）“重疊”量的大小與接觸力大小有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很小;

（5）接觸處可以有豁結(jié)強(qiáng)度;

（6）所有的顆粒是圓形(PFC2D)或球體(PFC3D)，也可以用到簇邏輯機(jī)理生成任意形狀的超級(jí)顆粒。每一個(gè)簇單元由一系列顆粒重疊而成為邊界可以變形的剛體。

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PFC: 基礎(chǔ)案例操作+實(shí)例解析，?涉及三軸試驗(yàn)，盾構(gòu)隧道，節(jié)理巖體，地基開(kāi)挖支護(hù)等。

還有敲黑板的重難點(diǎn)：

PFC與FALC耦合分析，PFC-CFD流固耦合分析
3DEC: 地下空間開(kāi)挖巖層運(yùn)移分析,隧道掘進(jìn)圍巖力學(xué)響應(yīng)分析,巷道支護(hù)設(shè)計(jì)分析,
邊坡穩(wěn)定性分析與治理設(shè)計(jì), 地面注漿/水力壓裂模擬,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬，初始地應(yīng)力場(chǎng)反演技術(shù)，隧道穩(wěn)定性等。