考慮巖石細觀結構的PFC模型及一種新的標定流程

武鑫星， 黃 興， 王俊杰， 張全太

（1.中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；3.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072）

顆粒流程序（Particle Flow Code，PFC）是顯式離散元方法（DEMS）的一個分支［1］，能夠處理復雜的大變形問題，簡單準確地觀察破裂和破碎過程［2］，因此廣泛應用于巖土工程領域的研究［3-5］. 花崗巖是隧道、水利水電等巖土工程中一種常見的巖體，晶體結構明顯，具有高強度比（單軸抗壓強度與抗拉強度之比，即UCS/TS）、脆性大等特點. 但目前常用的標準結合粒子模型（Bonded Particle Model，BPM）［6］存在模擬材料的強度比遠小于真實材料強度比的問題［7］. 研究表明，BPM 采用獨立的接觸圓盤模擬真實材料的細觀結構，顆粒容易旋轉；工程中的巖土材料由不規則晶體顆粒膠結而成，晶粒不易旋轉，二者的差異是造成模擬材料與工程中的巖土材料強度比差異較大的主要原因［7］.

針對BPM存在的問題，Cundall和Potyondy［6］提出了簇平行黏結模型. 相較于BPM，簇平行黏結模型將一定數量的相鄰圓盤集合為簇，形成具有不規則邊界的晶體結構，晶體內部和晶體之間具有不同的黏結強度，以此模擬脆性花崗巖中不規則晶體的強咬合作用，實現校準模型的宏觀響應，如圖1所示. 簇平行黏結模型包含兩類［8］（見圖2），區別在于a類簇平行黏結模型簇內單個圓盤旋轉被抑制，無法發生穿晶斷裂；b類簇平行黏結模型簇內圓盤可以發生一定的旋轉，可以發生穿晶斷裂，因此可以稱之為脆性簇平行黏結模型.Cho 等［9］對脆性合成材料進行了實驗室直接剪切試驗，并采用簇平行黏結模型模擬剪切過程，數值模擬與直接剪切試驗結果基本一致；……