PFC数值模拟中平行粘结细观参数标定过程研究
? 204?价值工程P F C数值模拟中平行粘结细观参数标定过程研究Study on the Calibration Process of Parallel Bonding Meso-structure Parameter in
PFC Numerical Simulation
刘畅??LIU C hang;陈晓雪淤 CH EN Xiao-x u e;张文① ZH A N G W en;王率淤 W ANG Shuai
(①吉林大学建设工程学院，长春130026;②中国中铁四局集团第四工程有限公司，长春130000)
(①Engineering College,Jilin University、Changchun 130026, China;
②The Fourth Engineering Co.,Ltd.of CTCE Group,Changchun 130000, China)
摘要：在利用颗粒流离散元法进行数值模拟时，颗粒接触模型细观参数的标定一直以来都是难点问题。PFC数值模型对应的宏 观物理力学参数一般不能直接与颗粒细观参数直接进行一一对应，因此在利用颗粒流离散元法建模时一般需要利用数值试验进行细 观参数的标定，而这个标定的过程极其繁琐复杂，需要掌握一定的技巧和方法才能快速完成细观参数的标定。本文则通过PFC2D建立岩石材料的单轴和双轴数值试验，进行平行粘结有关参数标定过程研究，总结细观参数与宏观参数之间的关系。研究发现:平行粘 结模量与所模拟介质的杨氏模量及法/切刚度比与泊松比都成一定的线性关系；当平行枯结法向强度与切向强度大于2:1时，材料的 抗压强度主要受法向强度影响，当两者的强度小于2:1时，材料的抗压强度主要受切向强度影响。
Abstract: In the use of particle flow discrete element method for numerical simulation,the meso-structure parameter calibration of the particle contact model is always a difficult problem.The macro-mechanical parameters corresponding to PFC numerical model can not be directly one-to-one correspondence with the meso-structure parameter of particles,so in the use of particle flow discrete element method for modeling,it generally need to calibrate the meso-structure parameters by numerical experiments,and the calibration process is extremely complicated,and only to master certain skills and methods can calibrate the meso-structure parameters fast.In this paper,the uniaxial and biaxial numerical tests of rock materials are established by PFC2D,and the calibration process of parallel bonding parameters is studied.The relationship between meso-stmcture parameters and macro-structure parameters is summarized.The study found that:the shear stiffness ratio and Poisson's ratio is a linear relationship between the parallel bond modulus and Young's modulus of simulated medium;when the parallel bonding strength and shear strength is greater than2:1,the compressive strength of materials is mainly affected by the normal strength;when both compressive strength is less than2:1,the strength of the material is mainly affected by the shear strength.
关键词：细观参数；离散元;PFC2D;数值试验
Key words: meso-structure parameter；discrete element；PFC2D；numerical test
中图分类号:TU45 文献标识码：A文章编号：1006-4311(2017)26-0204-04
〇引言
颗粒流离散元法是利用圆形颗粒介质和颗粒之间接 触方式，来模拟不同性质材料的宏观力学性质和变形特 性，是一种特殊的离散单元法，与以往的有限元数值模拟 软件flac、geo-slop等相比，克服了材料宏观上连续性的假
设。在PFC中假设颗粒单元为圆形的刚性体，颗粒之间距 离在很小范围内时既可以自动识别并发生点接触，接触允 许一定的重叠量为柔性接触，重叠量的大小与接触的力大 小有关，重叠量与颗粒大小相比是微不足道的，在颗粒的 接触处存在特殊连接强度[|]。
利用PFC颗粒流离散元法进行相关领域的研究逐渐 受到重视，在很多工程领域也取得了良好的效果，但在利 用PFC建模时，根据宏观材料的性质标定颗粒的细观参 数费时费力，因此本文利用数值试验进行相关参数的标定 研究。
1平行粘结模型的本构特性
平行粘结模型是用以描述颗粒间有限尺寸内有夹层基金项目：国家自然科学重点基金资助项目（3A4146474424);国家自然科学基金青年基金资助项目（3A514AF94424 )。作者简介：刘畅（1987-)女，吉林农安人，硕士研究生，中铁四局，工程师，地质工程专业，研究或研究方向为工程地质；
张文（通讯作者（1985-)男，山东临沂人，吉林大学，
教授，地质工程专业，主要从事科研工作，研究方向为
岩体工程及地质灾害。材料或胶结材料的本构特性，材料的界面可以是圆形或者 矩形，平行粘结可以想象为一组有着恒定法向刚度和切向 刚度且均匀分布与接触面内的弹簧。颗粒接触位置的相对 运动在胶结中产生力和力矩。力和弯矩作用于两个粘结颗 粒，并且与粘结材料的粘结边界的最大法向和切向应力相 关。如果当中任何一个方向上的最大应力超过相应的粘结 强度、平行粘结就断裂。平行粘结模型主要有五个特征参
数：法向刚度kn和切向刚度ks、法向强度pb_ten、粘结半径 姿内聚力pb_coh、内摩擦角pb_fa。平行粘结接触模型法 向了接触颗粒在有限区域内有填充胶结材料的本构特性，
平行粘结的力的位移法则为F= (F…+k)?n+Fs+軈，M=軓其中 n，s分别表示力的法向和切向，F…，Fs包括了理想弹簧和粘
滞阻尼器的作用，默认F…>0，k…>0表示受压状态。平行粘结中的法向力F…:=軈…-軈…軍驻队，切向力Fs:=軈-軈軍驻仏，力矩軓=軓,?n+軓,,其中軓:=軓「軈1驻調,,軓,:=M b—k…I驻兹1,,平行粘结接触键破坏的包络线则如图1所示:T,=c-man軍。
其中PFC颗粒流程序可以自动检测接触键受到的拉 应力和切应力的大小，当颗粒之间的平行粘结强度受到的拉应力〇■大于自身的抗拉力时軍，平行粘结则表现受拉破坏，当颗粒之间的平行粘结受到切应力t大于自身的抗剪力Ts时，平行粘结则表现受剪破坏[2-3]。