岩土工程数值计算总体上可以分为两大类:一类是基于连续介质力学理论的方法,如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法 (FLAC(1tasea,2002))等;另一类是不连续介质力学的方法,如离散元法 UDEC(1tasca,2000)、3DEC(Itasea,1998)、PFC(Itasea,2002)和块体理论DDA(石根华,1988)等。离散元方法按其用途又可以分为宏观离散元方法和细观离散元方法,前者主要针对解决规模相对较大的不连续面,如断层节理结构与基础之间的结合面等引起的问题(UDEC,3DEC),后者则着重于数目众多具有不连续特性的接触面或点,如破碎岩体中的破裂面、砂土中的接触面(点)和材料中颗粒之间的接触面(点)等。PFC(Particle Flow Code)是在著名学者 Peter Cundall主持下采用细观离散元理论(又称为粒子流理论)开发的一种数值计算平台,可以广泛地应用于研究细观结构控制问题。目前,PFC在世界上的应用并不广泛,成果报道也主要集中在PFC国际会议论文集中。
颗粒流PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions)平台数值模拟单元有两种:颗粒圆筒和颗粒(disc or particle),主要用于平面应力和平面应变的特殊情况;颗粒流PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)的数值模拟单元是三维球体颗粒(granular),主要用于三维受力分析。
Cundall(2002)博士认为PFC在描述岩土体介质特殊特性方面有着其他常用数值方法不可比拟的优势,主要表现在如下方面:
(1)能自动模拟介质基本特性随应力环境的变化;
(2)能实现岩土体对历史应力一应变记忆特性的模拟(屈服面变化Kaiser效等);
(3)反映剪胀及其对历史应力等的依赖性;
(4)自动反映介质的连续非线行应力一应变关系屈服强度和此后的应变软化或硬化过程;
(5)能描述循环加载条件下的滞后效应;
(6)描述中间应力增大时介质特性的脆性一塑性转化;
(7)能考虑增量刚度对中间应力和应力历史的依赖性;
(8)能反映应力一应变路径引起的刚度和强度的各向异性问题;
(9)描述了强度包线的非线性特征;
(10)介质材料微裂缝的自然产生过程;
PFC的基本特点
粒子流属于不连续介质力学的一种方法,这里的粒子并不直接与介质中是否存在颗粒状物质有关,只是用来描述介质特