使用Plaxis的不连续单元(Discontinuity Elements)

1 引言

在【Plaxis应用于岩石工程问题的本构模型】中讨论了Plaxis应用于岩石工程问题的本构模型，其中提到了显式定义平行节理组的Jointed Rock (JR) model。JR模型可用来模拟岩体由平行节理组产生的各向异性行为，最多能够定义三组优势面，每个方向使用独立的Mohr-Coulomb破坏准则，同时假定岩石呈线弹性变形，塑性变形只沿着预定的节理面发生。

在许多岩石工程问题中，我们需要模拟单个的不连续，不连续代表着在连续介质中存在的断裂，其特征是没有抗拉强度或具有非常低的抗拉强度，如节理、软弱夹层、软弱片理、剪切区和断层等。Plaxis传统地可以使用界面元(Interface  Elements)来模拟不连续，尽管界面元主要用来模拟土-结构的相互作用。为了更有效地模拟不连续的行为，使用新引入的不连续元(Discontinuity Elements)，不连续元除了可以模拟沿着不连续方向的滑动外，也可以模拟不连续的张开或闭合。下面简要讨论这种不连续元的使用方法。

2 几何形状

不连续元是在Structures mode下创建的(Create Structure > Create discontinuity)，其几何形状在2D中是一条线，在3D中是一个面，作用机理是通过对网格中节点进行解耦，使不连续体的两个面之间产生相对位移。与界面元类似，当使用15节点的单元时，不连续由5对节点定义；当使用6节点的单元时，不连续由3对节点定义。值得注意的是，现实中的不连续具有一定厚度，但在有限元建立过程中，每个节点对的坐标值是相同的，因而不连续单元的厚度为0。

使用不连续元有如下限制条件：

(1) 不连续元中不能出现其他结构、载荷、位移和地下水的边界条件；

(2) 不连续元不能在活动边界上激活，例如不能把不连续作为开挖边界。

3 属性

当产生出不连续元之后，通过选择模型中的不连续元，其属性就会出现在选择资源管理器中(Selection explorer > Discontinuity)，在这里可以调整不连续元的属性。

3.1 Material

目前不连续元只可以使用Mohr-Coulomb材料模型，排干类型有两种选择：Drained和Non-porous。不连续元可以是张开的，也可以是用某些多孔材料(例如石英、方解石或沙子)填充，如果是这种情形，则视为排水(Drained); 如果填充物是无孔的(例如为防渗使用的岩石灌浆)，则不连续元是无孔的(Non-porous)。不连续元的力学属性包括刚度和强度，刚度使用法向刚度kn和剪切刚度ks表示，强度参数包括：

(1) 强度方法，可以只使用峰值强度，也可以同时使用峰值强度和残余强度；(2) 有效粘结力；(3) 有效内摩擦角；(4) 膨胀角；(5) 闭合还是张开？

在2D中能够进行不连续元的热传导模拟，热参数Thermal Resistance (热阻R)用于控制穿过不连续体的热传递。R是不连续的张开度d与不连续材料的热导率λ的比值。3D中目前没有这个功能。

3.2 Apply strength reduction

在安全系数分析中让不连续元的强度参数进行折减。

3.3 Active in flow

在处理不连续的水力条件时，特别是处理排水行为时，需要地下水参数。因此为了能够使用地下水水力参数，需要将材料的排水类型设置为排水。如果排水类型选择Drained，那么不连续元具有渗透性，纵向流动受透射(Transmissivity)参数支配；当不选择Active in Flow选项时，沿不连续的纵向流动被阻断，即零渗透率。

4 结束语

在Plaxis官方给出的一个文档中[A comparison between the newly introduced discrete discontinuity element and the Jointed Rock continuum model in PLAXIS 2D], 比较了JR模型和不连续元在隧道稳定性模拟中的应用，结果发现在没有支护的情况下使用这两种方法得出的破坏模式没有显著差异，但在有支护的情况下计算结果有所不同；在3D中还没有作过比较。

隧道开挖后的位移