颗粒流软件PFC及其在岩土工程中的应用

颗粒流软件 PFC及其在岩土工程中的应

用

摘要：PFC在岩土工程中的应用证明了PFC在模拟非连续岩体力学性能方

面的应用，PFC不仅能够解决岩石的静、动力问题，还可以替代室内实验，也

可以对模型的结果进行仿真，甚至可以在原始数据较为详尽的条件下进行仿真。

在缺乏实际测量数据的前提下，对岩土工程的初始应力、不连续性等问题的分析，可以利用PFC方法，对系统的一些参数特征进行分析，便于对系统的建模。PFC

还可以模拟粒子之间的相互作用、大变形和断裂等问题，PFC具有很大的应用

前景。

关键词：岩土工程；颗粒流；PFC软件；工程应用

1.引言

颗粒材料广泛存在于生产生活中，其在不同条件下会表现出不同的相态。颗

粒材料力学特性的研究一般分为室内物理实验和数值模拟两个方面，其中离散元

法作为数值模拟方法的代表之一，由于可以直接考虑颗粒运动与接触等物理本质

特性而被广泛采用。影响颗粒材料力学性质的因素有很多，如初始密实度、初始

接触各向异性、加载历史和加载路径、颗粒间接触特性以及颗粒形状等。由于颗

粒材料的离散性，颗粒形状对其力学特性的影响显得尤为重要。他是基于连续媒

质理论的数值计算方法，其计算结果与实际情况有很大差别，PFC可以很好地解

决这一问题。本文对PFC软件的理论和特性进行了分析，对PFC与常规数值软

件仿真的相似性进行了分析，总结了PFC在岩土本构模型、地质灾害分析、基

坑及基础处理等方面的应用，并对PFC在岩土工程中的应用进行了探讨。并指

出了当前PFC软件在岩土工程中的应用和发展趋势。

2.颗粒流软件PFC概述

PFC方法既可直接模拟圆形颗粒的运动与相互作用问题，也可以通过两个或

多个颗粒与其直接相邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结构问题。PFC中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布，单元生成器根

据所描述的单元分布规律自动进行统计并生成单元。通过调整颗粒单元直径，可

以调节孔隙率，通过定义可以有效地模拟岩体中节理等弱面。颗粒间接触相对位

移的计算，不需要增量位移而直接通过坐标来计算。通过重力或移动墙（墙即定

义颗粒模型范围的边界）来模拟加载过程，墙可以用任意数量的线段来定义，墙

与墙间可以有任意连接方式，也可以有任意的线速度或角速度。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。比如PFC既可以用来描述具有颗粒物质的粗粒花岗岩一类的介质，

也可以用来研究非晶质材料的特性。因此，在利用粒子流方法求解有关问题时，

不需要定义介质的本构关系。简而言之有以下几个特点：

（１）PFC的理论基础是细观离散元理论，传统有限元软件和有限差分软件

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）与以往数值计算方法不同，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。PFC很好地描述了应力环境对介质（主要指岩土体）基本

物理特性的影响，用颗粒流方法求解问题时，介质本构关系不用提前定义。

（４）PFC与EDUC、３DEC相比，模拟大变形问题时块体可受力破坏分离，

而UDEＣ不能模拟块体的破裂。与棱角颗粒间接触相比，PFC 3D中圆形颗粒接触

更容易判断，计算过程中自动识别新接触，因此，PFC模拟效率较其他离散元模

拟程序更高。

（５）与FLAC软件类似，PFC也采用局部无黏性阻尼，但几何特征、物理特

性及解题条件的说明不如FLAC和EDEC简单。

（６）PFC在研究微裂缝产生发展过程、介质连续非线性应力应变关系、岩体力学特性随应力变化过程和Kaiser效应等方面具有较好的适用性。

3.PFC的工程应用状况

PFC既可解决静态问题也可解决动态问题；既可用于参数预测，也可用于在原始资料详细情况下的实际模拟；PFC模拟试验可以代替室内试验；在岩石与土体中的开挖问题的研究与设计方面，实测资料相对较少，关于初始应力、不连续性等问题也只能作部分了解。而在松散介质流动问题中，影响流体不规律分布的影响因素很难定量描述等等，因此，应用PFC初步研究影响整个体系的一些参数的特性，对整个体系的特性有所了解后，就可以方便地设计模型模拟整个过程。

PFC可以模拟颗粒间的相互作用问题、大变形问题、断裂问题等，适用于以下领域：

（1）在槽、管、料斗、筒仓中的松散物体流动问题；

（2）矿区采空区中的岩体断裂、坍塌、破碎和流动问题；

（3）在铸造业中粉粒的压缩问题；

（4）动态冲击问题（如爆炸问题）；

（5）梁结构震动反应及破坏问题；

（6）介质基本特性研究，如屈服、流动、体变等；

（7）固体介质中的累积破坏与断裂问题。

3.1岩土的本构模型仿真

岩土体的不连续力学特性主要由细观单元–颗粒(粒子)运动所控制的问题这些问题包括砂土受力后砂颗粒向不同方向的不连续性流动位移。岩石特别是结晶岩和碎屑岩在一定荷载下颗粒之间接触面的启裂、扩展和贯通等岩土体在冲击或爆破条件下颗粒或块体的动力学响应破坏的能量传播和消散过程(如地震和震动破裂机制研究)等。用PFC软件进行数值模拟，更接近于实际情况。在现有的研

究中，可以用PFC数值实验来替代某些室内实验，也可以用来模拟模型的结果。PFC在模拟岩体的物性指标上具有无可比拟的优越性，可以从微观上解释岩体的

宏观力学行为，并能真实地反映岩体的力学性能。

3.2地质灾害问题的分析

岩土体的力学特性被数目众多的宏观尺寸，不连续单元(破裂或接触)控制的

问题。比如特别破碎的岩体和岩土混杂体，水电工程的堆石坝或土石坝，滑坡崩

塌体等属于较典型的这类问题。其共同特点是宏观力学指标取决于块体之间的接

触关系和接触强度，而现实中非常难于获得。此外，具体块体的位移，特别是在

整体破坏阶段，个体的非连续流动性表现得非常突出。而PFC不需要位移，岩石

自身也会出现断裂，这使得它更适合于滑坡的分析。

3.3基坑及地基施工

在利用PFC进行岩石材料力学性能的研究中，杨明等人利用离散单元对抗

滑桩进行了数值模拟，得到了PFC型抗滑桩的计算公式。通过研究贾敏才等人建

立的干砂强夯模型，得到了强夯的动态响应特征。PFC在地基处理方面有很大的

应用前景。

4.结语

PFC软件从微观结构角度着手，将土体看成是由土颗粒组成，其宏观力学特

性取决于颗粒与颗粒之间粘结(接触)方式的几何、物理特性。在PFC中用等厚度

的刚性圆盘代表颗粒，颗粒之间允许重叠，同样遵循牛顿第二定律。颗粒的破坏

主要有剪切破坏和张拉破坏两种方式，当颗粒发生破碎时土体的宏观力学特性也

会发生相应变化，即介质内颗粒接触状态的变化决定了介质的本构关系。因此，

在PFC计算中无需给定材料的宏观本构关系和对应的参数，这些传统的参数和力

学特性在程序中可以自动得到，需要使用者自行定义的是颗粒的几何力学参数，

包括颗粒级配、刚度、摩擦力、粘结介质强度等细观力学参数。目前PFC主要应

用于从事岩石类材料基本特性颗粒物质动力响应岩石类介质破裂和破裂发展等基

础性问题的科学研究中。