落石冲击棚洞结构的PFC3D数值模拟研究

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基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟

基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟一、本文概述随着计算机技术的快速发展和数值模拟方法的日益成熟，离散元方法（Discrete Element Method, DEM）在岩土工程领域的应用越来越广泛。

PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）作为一款基于DEM的三维颗粒流数值模拟软件，以其独特的细观模拟能力，在粗粒土三轴试验的数值模拟中展现出显著优势。

本文旨在探讨基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的关键技术、方法及其在工程实践中的应用价值。

本文首先介绍了粗粒土三轴试验的基本原理及其在岩土工程中的重要性，随后详细阐述了PFC3D软件的基本原理及其在粗粒土细观数值模拟中的适用性。

在此基础上，文章重点探讨了基于PFC3D的粗粒土三轴试验数值模拟的建模方法、参数标定以及模拟结果的分析与验证。

文章还结合具体工程案例，分析了数值模拟结果与实际工程问题的关联，并探讨了数值模拟在粗粒土工程稳定性分析、优化设计等方面的应用前景。

本文旨在为从事岩土工程数值模拟的研究人员、工程师和研究生提供一种基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的有效方法和技术支持，推动离散元方法在岩土工程领域的应用和发展。

二、PFC3D软件简介PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）是一款专门用于模拟颗粒介质行为的三维离散元分析软件。

该软件由Itasca公司开发，自推出以来，凭借其强大的模拟能力和灵活的自定义选项，在岩土工程、地质工程、颗粒物质力学等领域得到了广泛的应用。

PFC3D基于离散元方法（Discrete Element Method, DEM）进行模拟，其核心思想是将介质视为由一系列离散、独立的颗粒组成，颗粒之间通过接触模型来定义相互作用。

这种方法特别适用于处理颗粒形状不规则、大小不均以及颗粒间存在复杂相互作用的问题，如粗粒土的力学行为。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计
叶四桥;王杰;曾彬;熊磊;马锐
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2024(68)3
【摘要】结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落
石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最
优厚度,并对垫层设计提出优化建议。

结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计
算结果与实验数据吻合良好。

【总页数】10页(P153-162)
【作者】叶四桥;王杰;曾彬;熊磊;马锐
【作者单位】重庆交通大学河海学院;山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级
重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U213.1;TU452
【相关文献】
1.橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构落石冲击力学响应研究
2.滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究
3.多落石冲击作用下棚洞结构力学响应
4.基于离散元-有限差分耦合的滚石冲击棚洞垫层动力响应研究
5.落石冲击下轻型刚性棚洞结构力学响应
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滚石作用下棚洞结构数值模拟研究

滚石作用下棚洞结构数值模拟研究
近年来，地下棚洞结构在城市规划、地铁建设等领域中越来越受到重视，棚洞结构是一种重要的地下结构，其复杂的土力学状态和复杂的结构作用，使其在建设中面临许多挑战。

传统的数据获取方法以及理论分析可以提供基本的理论支撑，但在实际的工程应用中，受众多难以量化的因素的影响，仍然存在许多不确定性。

为了研究滚石作用下的棚洞结构的土力学变形行为，以及结构安全系数，本文采用数值模拟方法，进行棚洞结构模型的数值模拟分析。

针对研究对象，采用不同的深度和深度入口的棚洞结构进行数值模拟，比较和分析棚洞结构不同结构参数下的土力学变形行为，并采用有限元软件ANSYS进行结构模拟，探究不同结构系数下棚洞结构的安全系数。

首先，介绍了数值模拟的基本原理。

其次，建立了连续介质半空间形式的有限元模型，由此进行三维量化分析，并使用ANSYS软件进行模型计算分析，以确定结构参数对于棚洞结构变形行为的影响规律，以及安全性能分析。

在有限元模型建立的基础上，利用ANSYS软件对棚洞结构进行数值仿真，探究结构参数对于棚洞结构安全性的影响。

通过对结构参数的分析，可以更好地推测结构安全性和使用寿命。

通过对棚洞结构的数值模拟分析，可以得出以下结论：（1）滚石作用下的棚洞结构土力学变形性能显著。

（2）棚洞结构的深度和深度入口对棚洞结构的变形行为影响较大。

（3）棚洞结构的结构系数对结
构安全性有重要影响。

结论：滚石作用下的棚洞结构，其结构参数对于棚洞结构的安全性具有重要影响，可以通过有限元模拟分析，更好地推测结构变形行为和安全性能分析。

PFC及其在矿山崩落开采研究中的应用

第25卷第9期岩石力学与工程学报 V ol.25 No.92006年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006收稿日期：2005–05–23；修回日期：2005–11–21作者简介：朱焕春(1963–)，男，博士，1985年毕业于河海大学水文地质与工程地质专业，现任ITASCA 高级岩石力学专家，主要从事水电和矿山岩PFC 及其在矿山崩落开采研究中的应用朱焕春(ITASCA(武汉)咨询有限公司，湖北武汉430072；ITASCA(加拿大)咨询公司，加拿大萨德伯里 ONP3E 1G1)摘要：介绍PFC 的基本原理及其在岩土工程基础理论和工程应用研究中的主要功能，包括描述岩土介质材料基本力学特性的特点；概述PFC 目前在国际上应用的现状及其在解决岩土体问题时的适用性和针对性。

结合在进行矿山崩落法开采实际工程问题时PFC 数值模拟的应用过程，介绍真实问题PFC 应用研究的基本思想和工作步骤，包括模型构建与设置、材料模拟的数值试验以确定给定岩体的微力学参数、破裂发生和发展过程的追综记录等；同时，还给出具体工程崩落开采过程中的破坏形态、应力变化、围岩响应等。

关键词：采矿工程；粒子流；介质；应力；数值试验；崩落开采；破裂中图分类号：O 319.56 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1927–05PFC AND APPLICATION CASE OF CA VING STUDYZHU Huanchun(ITASCA Consulting China Ltd.，Wuhan ，Hubei 430072，China ；ITASCA Consulting Canada Inc.，Sudbury ，ONP3E 1G1 Canada )Abstract ：The paper concisely describes fundamental aspects of the particle flow code(PFC)，its features to perform scientific study and engineering application in geotechnical engineering. The descriptions include the advantages of PFC to depict the essential behaviors of rock and soil materials ，the current status of PFC application worldwide ，and its capability and applicability in geotechnical engineering practice. The procedures of using PFC to solve engineering problem has been introduced including model construction approach ，numerical tests for determining micromechanical properties that governs rock mass behaviors ，recording of cracking and facture propagating ，by taking a cave study case as an example. The paper also presents the process of orebody caving and associated rock mass fracturing ，stress altering ，and response of surrounding rocks.Key words ：mining engineering ；particle flow ；media ；stress ；numerical test ；caving ；fracture1 引言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方法，如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法(FLAC)；另一类则是不连续介质力学方法，如离散元方法(UDEC ，PFC)和块体理论(DDA)。

基于PFC3D的综放工作面裂隙场演化规律数值模拟

基于PFC3D的综放工作面裂隙场演化规律数值模拟江成浩;刘浩;周晓华;樊程【摘要】为了研究深部强冲击地压煤层综放工作面裂隙场演化规律.以滕东煤矿3下煤层地质情况为例,通过经验公式法确立得到了煤层细观参数,并运用PFC3D软件建立了煤层颗粒流模型,实现了对综放采空区孔隙率变化规律与煤柱裂隙发育情况的模拟研究.结果表明:工作面的回采作业影响了煤层、岩层中孔隙率的变化,当工作面推进至15 m时,煤层、岩层的局部孔隙率出现增大,而当回采距离达到90 m 时,工作面前方煤层孔隙率依然可达0.98,上覆岩层裂隙不断发育;在两工作面回采期间,煤柱裂隙以不同的速度增长,并最终达到最大值.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)001【总页数】5页(P205-209)【关键词】深部冲击地压煤层;采空区;裂隙发育;孔隙率分布;PFC3D;煤柱【作者】江成浩;刘浩;周晓华;樊程【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TD324+.1随着煤矿开采由浅部向深部发展，覆岩载荷逐渐集中，冲击地压、矿震等动力灾害凸现[1]。

受此影响，采空区内形成大量形状破碎且不规则的垮落岩体和遗留煤体。

在一定程度上降低了采空区整体的压实程度，促进了采空区、煤柱裂隙场的萌生和发育，增大了流体渗流的通道和空间，使得综放采空区具备了遗煤（可燃物）、漏风（氧气）和瓦斯赋存的条件，从而导致了采空区内遗煤自燃、瓦斯爆炸以及煤与瓦斯突出事故的频发。

所以，深入研究采空区、煤柱中裂隙场的分布特征及其演化规律，对于解决瓦斯抽采以及合理布置工作面具有重要的意义。

目前，学者们常采用理论分析、现场实测、相似材料实验、数值模拟等研究手段对裂隙场演化规律进行探究[2-4]。

卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟

卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟[摘要]在高地应力条件下地下工程开挖时，硬脆性围岩会因为开挖卸载导致洞壁应力异常分化，岩土中的弹性应变能力会突然释放从而造成爆破松落、弹射等抛掷现象。

这种动力破坏被称为岩爆。

通过卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟是可以对岩爆区岩爆的发生进行预测预报的。

[关键字]岩爆卸载岩爆试验PFC3D 数值模拟近年来我国地下工程越来越多，岩爆灾害的防治越来越受到人们的关注。

那么，如何避免和减少岩爆对工程以及人们生活的影响。

本文就对目前在岩石作业中普遍采用的卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟进行了介绍与探讨。

1卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟的必要性在高地应力条件下地下工程开挖时，硬脆性围岩会因为开挖卸载导致洞壁应力异常分化，岩土中的弹性应变能力会突然释放从而造成爆破松落、弹射等抛掷现象。

这种动力破坏被称为岩爆。

由于岩土的物理构造发生变化，少量或大量的岩石会对施工设备或者施工人员造成安全威胁，所以这一问题引起了工程科技以及科技人员的普遍关注。

澳大利亚的布雷迪早在《矿山压力与岩层控制》一书中就已经对爆岩成因以及灾害防治等方面做出了研究。

他提出了许多诸如：机制、强度、能量与失稳等理论以及预测方法。

但是对于实际爆岩的发生，由于其影响因素较为复杂，人们无法对岩爆发生条件与整体机制达成共识。

作为探讨岩爆机制与类型的重要手段，卸载岩爆试验的出现起到了关键作用。

它是一种对岩爆区岩石事件进行的一种室内仿真试验。

它是研究岩爆机制和岩爆条件的重要方法，它可以实时的对岩爆进行预测预报。

但是室内岩爆试验的耗材以及费用都相当的昂贵，所以这种方法在一定程度上是不便于大面积使用的。

由此PFC3D数值模拟就显得非常有必要了，PFC3D数值模拟是一种新型的实质分析方法，它是通过对岩爆数据与室内岩爆试验数据进行对比来完成对岩爆预测预报的一种重要手段。

2室内岩爆试验室内卸载岩爆试验是研究、探讨岩爆机制与类型的重要手段。

它是对岩爆区岩爆试件进行的岩爆仿真试验，它可以判断岩爆是否发生以及发生条件，以此来对岩爆进行预侧预报。

柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究

柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究杨建荣;白羽;杨晓东;罗云飞【摘要】提出一种适用于铁路线路落石防护的新型柔性棚洞,利用金属柔性网和弹簧撑杆组成柔性耗能结构取代传统钢筋混凝土棚洞顶部铺设的砂、砾石垫层来达到缓冲消能目的.为准确评估该柔性棚洞结构的性能,采用动力有限元方法对其落石冲击过程进行了数值模拟,计算结构动力响应,并依据计算结果修正、优化结构设计;进一步开展1∶1结构局部模型落石冲击试验;测试得到冲击时长、金属柔性网最大挠度、支撑绳索力和弹簧撑杆轴向应变数据.经试验验证,数值计算结果可靠,在能级为50 kJ的落石冲击作用下,结构主要构件均处于弹性工作状态.最后,针对存在的问题给出改进建议.%A new flexible rock-shed was presented for protection of railway from failing rocks.The shed consisted of a metal flexible net system connected with specific spring spacer bars.It was designed as a buffer against rock impact and replace an array of reinforced concrete portable frames linked with a longitudinal steel tube truss.In order to evaluate the performance of the flexible rock-shed,the numerical simulation was performed to investigate impact responses of the shed to rockfall.Then,the impact tests were conducted on a full-scale model for the local part of the prototype structure.The data obtained included impact timeinterval,maximum deflection of metal flexible net,tensile force of support ropes and axial strain of spring spacer bars.The numerical simulation results were verified with tested data.It was shown that the structure can withstand impact energy of 50 k J,the main components of the shed areworking within their elastic states.At last some complementary suggestions for improvement were offered.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)009【总页数】8页(P172-178,246)【关键词】柔性棚洞结构;落石;冲击力;足尺模型试验;弹簧撑杆【作者】杨建荣;白羽;杨晓东;罗云飞【作者单位】重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地,重庆400074;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明650200【正文语种】中文【中图分类】U213.83修建于山区的铁路或公路线路常遭受落石威胁，导致设施损毁、交通中断及人员伤亡，其成因多为：高陡岩质边坡不稳定、边坡施工刷坡或爆破等。

PFC3D数值试验及其应用

PFC3D 数值试验及其应用摘要:文章对PFC3D 进行了简要介绍，并对PFC3D 三轴压缩数值试验和巴西劈裂法数值试验方法进行了详细介绍，通过数值试验得到PFC3D 中宏观和微观参数的关系。

实践表明，通过此法得到的微观参数与所反应的宏观参数是相符合的。

关键词:PFC3D ；三轴压缩数值试验；巴西劈裂法数值试验；微观参数中图分类号:TH87文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2010）05-0061-03Numerical Simulation Trial and Its Application in PFC3DZHANG Xue-liang 1,ZHANG Hui-jun 1,2,XU Gang 1,2（1．Coal Mining &Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China ；2.Mining &Designing Department,Tiandi Science &Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China ）Abstract:This paper made a brief introduction of procedure PFC3D ，also detailed description of tri-axial simulation trial and Brazilian test simulation trial.According to simulation trial the pa －per got the relationship between macro-parameter and micro-parameter.Practice showed that the macro-parameter and micro-parameters gotten by this way matched with each other.Key words:PFC3D ；tri-axial simulation trial ；brazilian test simulation trial ；micro-parameter收稿日期:2009-11-05;修订日期:2010-03-15作者简介:张学亮（1984-），男，山东临朐人，煤炭科学研究总院开采设计研究分院在读硕士研究生，研究方向：安全高效开采技术，Email ：zhang123xp@ 。

基于野外调查和PFC 3D的危岩体特征分析与运动学模拟——以九寨沟某岩质边坡为例

基于野外调查和PFC 3D的危岩体特征分析与运动学模拟—
—以九寨沟某岩质边坡为例
李梦杰
【期刊名称】《甘肃水利水电技术》
【年(卷),期】2024(60)2
【摘要】“8·8”地震后,崩塌滚石灾害已成为九寨沟常见地质灾害之一。

以九寨沟某岩质边坡为例,基于工程地质勘察和无人机倾斜摄影,分析了危岩体形成机理、破
坏模式与稳定性,通过PFC 3D软件模拟了危岩体失稳后的动力过程,并提出了合理
的防治措施。

研究结果表明,崩塌主要受地形地貌、地质构造、地震和降雨控制。

其中,地震使基岩裂隙出现松动和扩张,导致稳定性降低。

数值模拟结果显示,危岩体会运动至坡脚,危及居民区;峰值运动速度分布在5.6~18.0 m/s、峰值动能分布在500~4100 kJ。

对重点治理区域内的危岩体,提出了“桩板拦石墙+锚索锚固+主动、被动防护网+钢丝绳捆固+局部清危”的治理措施。

【总页数】7页(P26-32)
【作者】李梦杰
【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P642.21
【相关文献】
1.基于悬臂梁力学模型分析高边坡危岩体的稳定性——以四川省三清村高边坡W1危岩体为例
2.缓倾坡内层状岩质高边坡稳定性分析——以黄桷湾危岩高边坡的主斜坡为例
3.基于PFC3D和Rockfall的中武山危岩体数值模拟研究
4.基于Rockfall的危岩体危险范围预测及风险评价——以九寨沟景区悬沟危岩体为例
5.基于无人机和Rocfall的危岩落石特征分析与运动学模拟研究——以圆宝山隧道出口为例
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无底柱分段崩落法放矿方式的PFC^3D的数值模拟

无贫化放矿方式：无贫化放矿并不等于废石的零混入，
3 模型建立本次数值模拟设计箱体空间尺寸为 36m x 6m x 60m（长 x 宽
x 高），进路尺寸组合为 4m x 4m（宽 x 高），炮孔排面倾角为 60 度。在 PFC3D 颗粒流软件中通过 wall 命令和 ball 命令模拟现场中的墙体和矿石（球体为黄色）废石（球体为红色）。
20%~30%，贫化率在 20%~35% 之间，与外国水平先比之下一般要高出 5%~10%。因此，专家提出很多设想和方案，如放矿控制的改善、提高施工质量、采场结构参数的优化及放矿方式的选择等等，有效的改善矿石的损失贫化问题。
PFC（Particle Flow Code）的基本原理来源于分子动力学，基本构成为圆盘（二维）和圆球颗粒（三维），从微观角度解释了颗粒介质的运动特性和行为。通过软件内置的 fish 语言，PFC 能解决动态问题也能解决静态问题；既能参数预测，也能通过矿山实际情况和原始资料来进行实际模拟，基本上能代替实验室物理放矿实验。也可以通过 fish 语言来控制放矿方式（废石放出数量和矿石放出数量关系），建立数值模型，从而模拟三种放矿方式的放矿效果，优选出适宜我国金属矿山的放矿方法及方式。
技术员，研究方向：采矿理论及工艺。
小，而在软件中，颗粒的变化会使得计算机的运算速度大大降低，因此，为了提高计算机的运算速度，满足模型计算的要求的条件下，选取矿石颗粒的半径（radius）为 0.25m，废石颗粒的
半径为 0.5m。颗粒密度的选取：废石颗粒密度（density）选取
无贫化放矿》一书中提出：如果无贫化放矿在目前地下金属矿山中没有得到大规模的应用的话，一是因为矿山地质条件

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收稿日期：2019年5月6日；录用日期：2019年5月21日；发布日期：2019年5月28日
文章引用: 李俊杰, 李俊隆, 王玉锁. 落石冲击棚洞结构的 PFC3D 数值模拟研究[J]. 土木工程, 2019, 8(3): 800-810. DOI: 10.12677/hjce.2019.83093
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2019, 8(3), 800-810 Published Online May 2019 in Hans. /journal/hjce https:///10.12677/hjce.2019.83093
2.2. 力学本构关系
本次离散元数值模拟采用接触刚度模型，回填土颗粒单元采用接触粘结本构模型，棚洞颗粒单元采用平行粘结结构模型。
3. 棚洞结构建模
采用离散元颗粒流数值模拟软件 PFC 建模，模拟工况是有回填土(t = 1 m)和无回填土(t = 0)两种情况, 落石重量 2.0 t，垂直下落冲击棚洞结构。落石冲击时，需要考虑落石重力、回填土的摩擦力、回填土对落石的粘滞阻尼力和落石与回填土以及棚洞结构的碰撞力，阻尼选用粘滞阻尼，粘滞阻尼系数取值 0.2。
Received: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019
Abstract
Based on the discrete element theory, a particle model was made to simulate the process of rockfall impact to shed cave under with and without backfill soil and the impact effect of different parts of the shed structure was studied and analyzed. The results drew conclusions as below: The stress response of the same part was different and meanwhile, the dynamic response of different parts was neither different under the action of rockfall impact. The shear stress is taken as the control stress near the impact position of the falling rock, and the failure form is shear failure. At the end of the roof, the normal stress is used as the control stress, and the failure form is extrusion failure. The impact effect of backfill is less than that of non-backfill, which indicates that backfill has very good buffering effect on rockfall impact, and the layout of backfill has an effect on the stress distribution of roof under rockfall impact.
李俊杰等
摘要
以离散元理论为基础，采用颗粒流软件PFC建立落石冲击棚洞模型，在有回填土和无回填土两种工况下，模拟山体落石冲击框架棚洞，并对框架棚洞不同部位的冲击效应进行研究。研究表明：在落石冲击作用下，棚洞结构同一部位的动力响应不同，不同部位的动力响应也不相同，靠近落石冲击部位附近以剪应力为控制应力，破坏形式是剪切破坏，顶板端部则以正应力为控制应力，破坏形式是挤压破坏；有回填土情况下落石冲击效应小于无回填土，说明回填土对落石冲击具有非常好的缓冲作用；回填土的布置对顶板在落石冲击作用下的受力情况有影响。
本文采用 ITASCA 公司开发的软件 PFC 来建立落石、框架棚洞、回填土等模型，模拟落石垂直下落在有回填土和无回填土两种情况下，对棚洞结构的冲击过程，通过在棚洞不同部位(如顶板、立柱、纵梁等)布置监测点来获取相应部位的应力–应变时程曲线，从而对框架棚洞的冲击效应展开研究并总结。
DOI: 10.12677/hjce.2019.83093
落石冲击棚洞结构的物理模型和数值建模
1) 模型概述棚洞结构设计图如图 1 所示，颗粒流 PFC3D 建模如图 2 所示。
(a) 横断面
Figure 1. Design drawing of shed tunnel structure [13] 图 1. 棚洞结构设计图[13]
DOI: 10.12677/hjce.2019.83093
近年来，很多学者对于棚洞结构的落石冲击效应方面的研究有了很大的进展。裴向军，刘洋，王东坡等[6]通过有限元数值模拟落石冲击砂土垫层，得出砂土垫层可以有效减小落石对棚洞顶板冲击效应的结论，并经过优化得到合理垫层厚度；杨建荣、白羽、杨晓东等[7]提出了一种由金属柔性网和弹簧撑杆组成的柔性棚洞并采用有限元方法进行数值模拟，计算动力响应；王静峰、赵鹏、袁松等[8]基于大尺度模型试验和有限元数值模拟相结合的方法，对 EPS 和砂土垫层组成的复合垫层钢棚洞抗落石冲击性能展开了研究，得出复合垫层可以有效提高钢棚洞对落石的抵抗能力的结论；吴佳楠[9]同样以钢棚洞模型冲击试验和有限元数值模拟相结合的方法，对钢棚洞在 EPS-细砂复合垫层下对落石的冲击效应展开研究，得出峰值加速度、最大应变与下落高度成正比的结论；王永东，周天跃，柴伦磊等[10]基于能量分析方法对落石冲击棚洞结构进行研究，考虑垫层弹塑性、垫层与落石之间摩擦力、棚洞自身耗能三方面影响因素，得到了冲击深度以及冲击压力的计算公式，还得出垫层成坑变形耗能最大达到 50%、垫层与落石摩擦力耗能次之，达到 30%以及棚洞自身耗能占比 20%的结论；闫帅星，何思明，李新坡等[11]基于冲击动力学、修正的混凝土塑性特性及永久变形分阶段弹性接触理论，构建了钢筋混凝土棚洞在落石冲击作用下动力响应的一般解析方法，并通过有限元进行验证。
Keywords
Rockfall Impact, Shed Tunnel, Discrete Element Method, Numerical Simulation
落石冲击棚洞结构的PFC3D数值模拟研究
李俊杰1，李俊隆2，王玉锁3
1中国港湾工程有限责任公司，北京 2中交机电工程局有限公司，北京 3西南交通大学土木工程学院，四川成都
2.1. 物理模型
1) 棚洞结构模型 PFC3D 模型中颗粒间通过平行粘结方式粘结，平行粘结模式有五个参数，其中平行粘结法向刚度 pb_kn 和平行粘结切向刚度 pb_ks，单位是 Pa/m，代表颗粒间经过平行粘结后的法向和切向刚度，影响粘结模型的变形特性，而平行粘结法向强度 pb_ns 和平行粘结切向强度 pb_ss 单位是 Pa，代表的是颗粒间法向和切向粘结强度，影响粘结模型的强度特性；平行粘结半径放大系数 pb_rad，代表的是平行粘结半径放大系数，粘结半径等于最小颗粒半径乘以这个半径放大系数。棚洞结构由顶板、盖梁、支柱、基础组成，全部用球体颗粒单元通过平行粘结来模拟。平行粘结主要有五个微观参数，分别是 pb_kn、pb_ks、pb_ns、pb_ss 和 pb_rad，使得模拟材料的参数属性与钢筋混凝土接近。 2) 回填土、山体和落石模型回填土以及落石都用球体颗粒来模拟，山体坡面采用墙体单元模拟。
801
土木工程
李俊杰等
2. 落石冲击棚洞结构的力学模型和本构模型
本次建模包括物理模型和本构模型。物理模型包括山体、棚洞结构、回填土层、落石等分模型，棚洞结构组成部分主要有顶板、盖梁、支柱、基础等；本构模型主要讲述不同物理模型之间的相互作用，比如落石与回填土、回填土与棚洞结构之间的相互作用。本次建模主要采用接触本构模型，包括颗粒与颗粒之间的粘结和滑移模型以及颗粒与墙体之间的接触刚度模型[12]。
Open Access
1. 引言
落石灾害在我国山区铁路建设、运行过程中经常发生，导致列车受损，轨道损毁，人员伤亡。业界人士针对落石对结构的冲击效应展开系统研究。在研究初期，落石冲击效应的研究多以试验模型为主，如隧道设计技术手册[1]、公路路基设计规范[2]，西南交通大学(杨其新等) [3]、日本道路协会[4]和瑞士学者[5]都是基于试验提出了落石冲击力的计算方法，由于这些方法有局限性，计算结果差异较大；后来，很多学者引入了有限单元法来模拟落石冲击过程；近几年，越来越多的学者开始采用离散元(Discrete Element Method，DEM)模拟落石冲击过程。
关键词
落石冲击，棚洞，离散单元法，数值模拟
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3) 回填土参数标定根据土力学[15]、工程地质手册[16]、弹性力学[17]、以及相关学术论文[18] [19]的方法进行回填土参数标定，标定结果如表 2 所示。
Table 2. PFC3D numerical simulation macroscopic parameter results of Triaxial test [8] 表 2. 三轴试验 PFC3D 数值模拟宏观参数结果[8]