隧道开挖的rblock模拟

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1 引言

与3DEC的BBM【隧道开挖BBM模拟几何模型建立的回顾】不同，PFC3D的rblock产生的粘结块体之间允许产生孔隙，而且块体可以是多种几何形状，能够更好地表征岩石在破碎过程中的几何形状。创建rblock有三种方法：第一种方法是使用rblock create命令；第二种方法是使用rblock template命令；第三种方法是使用rblock construct命令，详细描述参看【创建rblock】，本文讨论基于第三种方法rblock construct from-geometry进行的隧道开挖模拟。

非常感谢群内一位隧道工程专业的同学为该问题提供了原型代码，在一定程度上加速了项目的进展。本文简要总结了求解问题的流程，模拟策略及其参数值的输入还需进一步微调。

2 隧道模型

山区隧道的稳定性评估有两个关心的区域，一个区域是隧道口的稳定性，隧道口边坡滑坡是经常出现的破坏，在【隧道口边坡滑坡(Tunnel Portal Landslide)案例---博卢山隧道】一文中曾经作过比较详细的案例总结，本项目已经使用极限平衡法进行了单独的分析；另一个区域是隧道内岩体的稳定性，本文主要侧重模拟隧道口附近的隧道稳定性。隧道宽度大约为14m，使用Midas【岩土工程有限元分析MIDAS GTS NX 2022】产生隧道断面(tunnel-profile.stl)，然后使用geometry import命令【Itasca几何数据交换文件---Geometry Files】导入倒PFC3D中，不过目前的这个stl文件有点儿问题，经测试在专门的CAD交换软件中不能导入，而在Cubit中显示“Volume generated does not completely close.”的错误信息，说明这个实体没有完全封闭，不过当导入倒PFC3D中并未显示错误信息。

接着使用fracture import from-geometry命令导入tunnel-profile Set，使用rblock cut fractures命令产生出隧道模型。下面4个标准例题显示了这种用法。

(1) Using the Rigid Block Spring Network Paradigm

(2) Spring Network Contact Model Capabilities

(3) Rigid Block Model of Tunnel Excavation

(4) Sliding Wedge

3 地层模型

地层模型按照岩土工程勘察的结果分为三层：表层为碎石土，接下来是强风化凝灰质砂岩，然后是中风化的凝灰质砂岩。象隧道剖面一样，三种地层设为三个Set，使用zone create brick size命令创建单元，也可以使用geometry polygon create命令创建模型【创建基于几何数据的多边形块体(geom.poly.create)】，然后使用geometry generate from-faces命令从所有单元面的列表中生成多面体。由于目的是生成Set，因此在每层产生出Set后，使用zone delete命令删除所有单元，但3个地层Set保存在内存中。

4 构造RBlock

rblock construct from-geometry命令从一个geometry set中构建刚性块，如果没有指定Set，那么将使用当前的Set，可以使用geom.set.find函数进行查询。默认情况下集合中的多边形将被分解成三角形或四边形单元，单元尺寸通过最小边长和最大边长设定，如下代码所示。如果需要设定划分区域，使用range关键字指定划分范围。在2D中，刚性块是由这些划分出来的单元组成的；在3D中，抽取出来的表面用来构建四面体或六面体刚性块。

  rblock construct from-geometry 'box' ...  
minimum-edge 0.1 maximum-edge 0.2

5 块体接触

块体接触首先需要使用命令rblock attribute和contact property定义材料属性【PFC 之 attribute & property】，然后使用contact cmat default model和contact method定义接触模型和接触方法【"contact cmat default model linear"】。

6 模拟结果

使用rblock fix设置边界条件，让模型达到平衡状态，然后使用rblock delete命令开挖隧道，

下图所示的是运行12,000次循环后隧道顶板块体的垂直位移和岩体的断裂路径。