PFC3D模拟分析砂土试验模型建立

PFC3D有几种本构模型（包括接触模型和阻尼模型）可供用户选择，用户可以根据需要选择不同的模型。除此以外，PFC3D的另一个优势是它提供了FISH语言编写程序，用户可以通过FISH语言定义新的参数和算法以建立更加复杂的模型，实现一些现有程序没有提供的功能。鉴于PFC3D的这些优点，可以采用PFC3D对传统三轴压缩试验、平面应变试验和直剪试验进行数值模拟分析。为了更好反映原状土样的非线性和不均匀性，使模拟结果与室内试验结果相一致，在数值模拟的过程中也会增加一些室内试验没有的操作来确保数值模拟的准确性。对上述三种试验进行数值模拟的模型建立的主要步骤如下：

1）模型空间建立。首先，通过定义墙或柱面来生成指定模型空间。这个空间类似于试验用来装土或制备土样的模具。平面应变试验和直剪试验采用6个平面墙，而三轴压缩试验采用两个平面墙和一个柱面墙。

2）颗粒生成。颗粒的生成主要有两种方法。一种是扩大粒径法，另一种是颗粒排挤法。扩大粒径法首先在给定的空间内随机生成一定数量小直径的颗粒，再通过扩大颗粒的直径来达到预定的孔隙比。这种方法的优点是可以生成确定数目的颗粒，但缺点是颗粒的半径发生变化。而在颗粒排挤法中，在给定空间内一次在任意位置只生成一个颗粒，直到达到期望的孔隙比。在生成颗粒之前，系统会检查新生成的颗粒是否与已生成的颗粒具有同样的质心位置。这种颗粒生成方法的优点是颗粒半径不会改变，缺点是生成的颗粒数目无法事先确定。比起颗粒数目，颗粒的大小更为重要，所以很多研究采用颗粒排挤法来生成模型颗粒。在生成颗粒时一个很重要的问题是如何获得期望的孔隙比，这也是很多学者在研究中碰到的难点。比如，Cui和O'Sullivan（2006）提到，“离散元模拟分析中，三维模型中生成指定孔隙比的模型是一个巨大的挑战”。研究表明，可以通过控制生成颗粒过程中颗粒的摩擦系数来达到期望的孔隙比。通过定义不同的颗粒摩擦系数，可以产生不同的孔隙比，从而模拟密实、中密、松散的不同试样。不同的颗粒摩擦系数只是在生成颗粒时用来生成指定的孔隙比，在试样固结以前，颗粒摩擦系数将设定为最终的真实值。

3）试样稳定和平衡。使用颗粒排挤法生成颗粒时，颗粒可能会有较大的重叠，从而产生很大的法向力，所以在颗粒生成之后需要采用能量消散的方法降低法向力。可以通过大量的平衡运算，比如每计算五步将所有颗粒的速度设置为零，以此实现试样颗粒的平衡。

4）试样固结。通过数值伺服机制控制各个方向墙或柱面的运动，使得试样各向等压固结，达到需要的固结压力。(www.xing528.com)

5）薄膜和剪切盒建立。当试样达到需要的应力状态后，需要建立平面应变试验和三轴压缩试验中的薄膜和直剪试验的剪切盒，从而更真实地模拟室内试验。模拟平面应变试验时，把小主应力方向的两个刚性墙用一系列堆叠墙来代替。模拟三轴压缩试验时，用一系列叠堆圆柱面代替单个刚性圆柱面。模拟直剪试验时，把竖向的刚性墙分为两个半墙来模拟上下两个剪切盒。用堆叠墙来模拟薄膜的实现方法详见下节。

6）应力状态检查。检查试样应力状态，如果需要，重新调整以达到预定的固结状态。固结完成以后，在对试样施加荷载以前，将颗粒位移归为零，这样便可以准确计算土样受剪时的颗粒位移。

7）试样加载。通过加载面或者剪切盒对试样施加稳定速度来模拟应变控制加载状态。加载过程中，通过伺服机制来控制薄膜或者加载板来控制围压（平面应变试验和三轴压缩试验）和竖向荷载（直剪试验）。

8）在试样加载过程中，记录偏应力、侧限应力、三向主应力、轴向应变、体积、竖向荷载等参数的变化。可以对试样的初始状态和不同应变时的状态进行记录，以便对试样不同状态的数据进行分析。