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。……