离散断裂网络(DFN)[P3]: fracture contact-model
1 引言
在《离散断裂网络 (DFN) [P2]: fracture generate》中，介绍了DFN中最重要的两个命令fracture generate和fracture template create。使用这两个命令可以产生出各种各样复杂的DFN模型。接下来的问题是产生的这些断裂如何与计算模型结合在一起。事实上，这是一个非常宽阔的话题，必须分别进行讨论，因为不同的计算模型与DFN的耦合方式不同，处理的方法和使用的命令也不同。今天要描述的是fracture contact-model，这是一个只有在PFC中才有的命令，3DEC和FLAC3D没有这个命令。
2 fracture contact-model
fracture contact-model的命令格式如下所示。目前它可以带6个关键字。这个命令的作用是给断裂设置接触模型。为了使使用model关键字指定的接触模型使用断裂几何体，接触模型必须具有属性"dip" (在3D中为"ddir")。使用fracture property 命令为断裂设置的性质提供给接触模型。这些属性是固定的，他们不会集成以前的接触，必须由用户指定才能更改其值。使用conatact-model继承逻辑指定没有在断裂中设置的contact-model 属性。可能有多个断裂切割一个接触。为了唯一地识别合适的接触模型，对DFN和断裂强加一个优先等级。如果多个断裂与接触相交，则首先检查来自最低支配值的 DFN中的断裂。在这些断裂中，具有最低支配值的断裂被确定为接触模型/属性分配的断裂。DFN 优势是使用断开创建、断开生成和断开导入命令指定的。DFN的支配是由 fracture create, fracture generate and fracture import 命令产生的。
下面这个例子演示了把一个DFN插入到一个PFC模型中，并且为DFN设置了 “smooth joint"接触模型。
model new
program warning off
model random 10001
model largestrain on
model domain extent -5 5
contact cmat default model linearpbond property kn 1e5
ball generate cubic
ball attribute density 2500.0 damp 0.7
fracture generate fracture-count 100
fracture aperture log-normal 0.1 10
fracture property 'sj_kn' 1e5 'sj_ks' 1e-4 'sj_coh' 0 ...
'sj_fric' 0.70, 'sj_coh' 0.0 'sj_ten' 0.0 'sj_large' 1
fracture contact-model model 'smoothjoint' install use-aperture
program return
3 模拟断层滑动
这个例子模拟了一个断层的滑动。取决于断层的摩擦角以及作用在断层上切线应力和法向应力的大小，断层可能滑动也可能不滑动。为了在 PFC 中测试，使用线性平行粘结模型(linear parallel bond model: contact cmat default model linearpbond )创建粘结颗粒模型，断层使用平滑节理模型(smooth joint model: fracture contact-model model 'smoothjoint' install)。模型只受重力载荷影响。
model new
program warning off
model largestrain on
model title 'Simulating slip on a fault (Smooth Joint Contact model)'
;定义域的范围
model domain extent -20 20
；定义CMAT (Contact Model Assignment Table)
contact cmat default model linearpbond property kn 5e7 dp_nratio 0.5
wall generate box -6 6
model random 10001
；以一定的空隙率产生球，其它相似的命令有ball generate, ball create
ball distribute porosity 0.05 radius 0.2 0.3 box -6 6
；设置球的密度和阻尼，球的密度必须设置，不设置球的密度，会出现错误，因为要使用密度来计算球的质量，球有了质量才能发生运动。
ball attribute density 1000.0 damp 0.7
;产生初始状态
model cycle 1000 calm 10
; Solve the system to a target limit (here the average force ratio)
; Use density scaling to quickly reach equilibrium
model mechanical timestep scale
model solve ratio-average 1e-3
model mechanical timestep auto
model calm
；除掉wall，以便模形可以移动
wall delete
contact method bond gap 0.0
;设置非常高的强度参数阻止球滑落
contact property pb_kn 1e8 pb_ks 1e8 pb_ten 1e12 pb_coh 1e12 pb_fa 30.0
ball attribute displacement multiply 0.0
contact property kn 0.0 lin_force 0.0 0.0
ball attribute force-contact multiply 0.0 moment-contact multiply 0.0
model cycle 1
model solve ratio-average 1e-5
在此基础上，向模型添加一条DFN用来表示断层。断层的倾角为30度。使用下面的代码：
fracture create dip 30 size 15.0然后给断裂赋值,摩擦角设置为35度，tan(35)=0.7, 在这种情况下，由于摩擦角大于断层的倾角，因此断层不会出现滑动。sj_large设置为1确保模型按照大变形发生移动。
fracture property 'sj_kn' 2e9 'sj_ks' 2e9 'sj_fric' 0.70 ...'sj_coh' 0.0 'sj_ten' 0.0 'sj_large' 1
最后给断裂赋值接触模型
fracture contact-model model 'smoothjoint' install dist 0.1 activate;设置边界条件，把底边固定，防止模型漂移
ball fix vel range position-y -6 -5.5
；只加重力载荷
model gravity 10
; 使用solve命令让模型达到平衡
model solve ratio-average 1e-5
;改变断层的摩擦角到25度，tan(25)=0.466
fracture property 'sj_fric' 0.466
; 减小局部阻尼
ball attribute damp 0.1
；执行循环20000次
model cycle 20000
上面红色的部分显示出断层上部已经发生整**移，下面蓝色的部分没有位移发生。
上图红色部分表示linearpbond 接触，粉色部分表示smoothjoint接触。可以看出，随着断层摩擦角的减小，断层更容易滑动。
4 结束语
本文主要描述了fracture contact-model的使用。这种把DFN插入到原岩模型的方法，极大地扩展了PFC的使用能力，从而可以更真实地模拟岩体内节理的力学行为，也为合成岩体(SRM)的发展提供了思路。
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