不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,本研究设置了三种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上本研究利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析

复杂环境中的隧道施工常遇到软硬不均或岩性变化大的复合地层,TBM的掘进施工优势凸显.但工程应用显示两类地层的岩土力学、地质特征等显著差异,复合地层的TBM隧道掘进与均质地层的破岩过程不同.为了提高复合地层TBM盘形滚刀的破岩效率,建立考虑裂隙网络扩展过程的双滚刀破岩三维离散元模型,模拟软硬不均复合地层中不同节理间距、节理倾角以及围压下的滚刀破岩过程,探讨对应的最优滚刀间距.其结果表明:节理对复合地层滚刀破岩是有利的,节理间距越小,岩体越破碎,破岩荷载越小,功耗也越小,破岩效率高;且节理倾向于软岩时,由于节理面的阻隔作用导致破碎区沿着节理界面延伸而无法贯通到临近岩层,软岩更易充分破坏;围压越大,则破岩荷载越大,功耗越大,则破岩效率相对较低.可见,复合地层的破岩过程中地层岩性及赋存环境的主导作用相对明显,进一步反映了复合地层不同于均质地层的滚刀破岩特征,这对深入研究复合地层TBM双滚刀破坏机理、滚刀优化设计及提高破岩效率具有重要的工程价值.     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.     

柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究

通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.     

节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

白鹤滩水电站坝基岩体柱状节理十分发育,岩体中存在许多复杂节理面,各向异性特性十分显著.为了研究柱状节理岩体的各向异性特性,采用模型试验方法,考虑横向贯通节理,制作具有不同柱体倾角(β=0~90°)的正四棱柱形试样,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同节理倾角β下的单轴抗压强度、变形模量和峰值应变,分别分析了不同倾角下应力-应变曲线、峰值强度、变形模量、峰值应变及破坏类型的特性,得到以下结论:倾角β=0~15°以及75~90°范围时,应力-应变曲线存在多峰现象,β=30~60°范围时,应力-应变曲线以单峰为主;单轴抗压强度在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值,试件强度各向异性比K_c为11.12,属于极高各向异性;变形模量在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值;峰值应变在β=60°时取得最小值,β=30°时取得最大值;试样主要有沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏两种破坏模式.     

考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型

采用Fish语言对FLAC3D软件中的Interface单元进行修正,将Interface单元的法向刚度和切向刚度转化为时间的蠕变函数,便可得到在数值分析中考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型.计算结果表明:节理岩体的单轴蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的倾角小于45°时,节理岩体单轴蠕变量随着节理面倾角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,轴向蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小;若固定节理面的切向蠕变参数,增加其法向蠕变参数,则节理岩体的轴向蠕变量也会随之减小.     

静载与冲击加载方式下滚刀破岩特性

为了研究在单一恒定静载荷和冲击动载荷这2种情况下盘形滚刀破岩机制,使用颗粒离散元法建立滚刀破岩的二维数值模型。通过控制破岩的垂直载荷,对滚刀破岩动态过程进行分析并研究静载荷、冲击动载荷和冲击次数对滚刀破岩特性的影响,最后通过实验对静载荷下滚刀破岩情形进行验证。研究结果表明:在单一恒定静载荷下,滚刀破岩效果随着静载荷增大而提高;当静载荷达到一定值后,破岩效果提升不明显,存在1个最佳静载荷使破岩效果最优;在冲击动载荷作用下,岩石裂纹扩展情况与静载荷的扩展情况相似,但岩石内部以剪切破坏为主;随着循环冲击动载荷以及施加次数增大,岩石内部产生的裂纹数增大并且有向水平贯穿的趋势,破岩比能耗先减少后变化不大;滚刀在动静载荷作用下比能耗的变化趋势基本一致,冲击动载荷破岩的比能耗比静载荷作用下的比能耗高,大约是静载荷破岩比能耗的1.4倍。     

断续节理岩体尺寸效应的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过统计宏观节理分布,建立包含随机节理的岩体模型。在不同尺寸的模型中,通过改变节理倾角、围压等,建立不同数值试样,试验研究岩体的节理倾角和应力水平对尺寸效应以及岩体力学参数的影响规律。结果表明:在随机节理岩体中,裂纹的萌生与贯通更容易发生在节理密集的薄弱面内,即优势破坏面;节理倾角对岩体的尺寸效应影响巨大,不同倾角下的节理岩体的特征尺寸与特征强度有很大差异,节理倾角β为60°、45°、30°时影响较为明显,β为75°、15°时影响较弱;模型尺寸为0.5 m×0.5 m时极限强度离散较大,随着尺寸的增加逐渐集中,整体的破坏模式由脆性破坏向渐进劣化转变,同时应力-应变曲线更加平缓;围压施加后,节理岩体仍然具有明显的尺寸效应,特征尺寸与特征强度均有所提高,降低主次优势破坏面之间的差异,会使更多裂纹在次优势破坏面中发育。     

围压条件下TBM边缘滚刀破岩模式

为了解边缘滚刀的破岩特性,对其破岩过程与机理开展了系统研究.建立了某深埋全断面岩石隧道掘进机(TBM)开挖隧道三维有限元模型,在掌子面过渡圆弧周边设置边缘滚刀破岩模型边界,导出边界上的围压数值并施加在颗粒流模型边界上.模型考虑5种围压模式,相位角为0°,30°,60°,90°时的岩石应力状态分别记为模式1~模式4,无围压状态记为模式5.结果表明:围压模式1中岩石双向应力和、双向应力比均最大,破岩比能最低;模式3中,岩石受到滚刀水平向力作用而近似处于双向等值应力状态,破岩比能最高;从模式1到模式3,有利破岩的竖向应力递减;从模式5到模式3,不利破岩的水平应力增加,导致模式3条件下刀具破岩效率最低;有围压模式的侧向力系数和滚刀切入率均高于无围压模式.     

基于PFC 2D的含节理岩体单轴压缩数值模拟

基于颗粒流方法模拟含节理岩体的单轴压缩破坏过程,并对不同节理倾角的岩体进行单轴压缩数值模拟,研究不同节理倾角岩体的裂纹扩展路径、破坏形式以及强度变化规律。结果表明:(1)在单轴压缩破坏过程中,岩体节理倾角不同,裂纹扩展与最终破坏形态不同,但破坏过程基本一致;(2)当节理倾角从0°到90°的变化过程中,抗压强度随节理倾角的增大先减小后增加,总体呈"U"型分布规律,并在倾角为60°时达最小值。     

不同压剪应力比作用下节理类岩石材料破坏模式的试验研究

通过对含充填节理类岩石材料试件进行变角度压剪试验,探究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响。定义削弱度,分析节理倾角对岩体抗剪强度的影响。研究结果表明:不同压剪应力比影响试件的初始破坏模式,最终破坏由过大剪切位移所致,并且节理倾角决定试件破坏后的形态;压剪应力比越大,同角度节理试件的抗剪强度越大;在相同压剪应力比下,与无节理试件抗剪强度相比,节理会削弱试件的抗剪强度,倾角不同,削弱度不同。     

全断面隧道掘进机滚刀预切槽破岩数值模拟

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)滚刀破岩研究对预切槽破岩的破坏原理阐释不深、切槽影响规律揭示不明的问题,构建了基于泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,分析了不同预切槽辅助下滚刀贯入岩石的密实核演化、裂纹扩展和成碴破坏等过程,并进行小型刀具静压破岩试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟,研究了切槽角度、位置、间距等结构参数对裂纹分布、破岩载荷和贯入比能的影响规律。仿真结果表明:基于预切槽弱化围岩和密实核传力双重机制的错缝预切槽破岩方法可极大提高硬岩破碎效率,"窄直切槽、错缝切削、滚刀中置"是最优的切槽结构及排布模式,建议预切槽开口角度为0°、滚刀贯入点和预切槽交错布置且滚刀位于相邻预切槽正中、预切槽最优间距为80 mm。该研究为TBM滚刀破岩机理研究提供了有效手段,为探究辅助滚刀破岩的预切槽合理结构提供了理论依据。     

旋挖钻机截齿的破岩机理及优化研究

旋挖钻机成孔的显著优势备受关注,但实际钻孔很难达到理想的破岩效果,揭示复杂地层赋存环境的钻头破岩机理是关键。文中基于Boussinesq问题的求解,得到动力头压力和扭矩作用于截齿时的岩石受力及位移,推导截齿破岩时的侵入力及切削力表达式。建立单截齿破岩的三维数值模型,获得钻头钻进中截齿的侵入力及切削力变化规律,对比理论结果以验证数值模型的可行性。基于旋挖钻机双截齿破岩过程的数值模拟,分析钻进中的岩体力学响应及裂纹演化以揭示截齿的破岩机理,探讨不同截齿布置的旋挖钻机破岩力特征,阐明截齿倾角或偏斜角增大都将不同程度地改变破岩力大小。进一步分析截齿布置方式与不同类型地层组合的破岩效率,结果表明,截齿倾角或截齿偏斜角或截齿间距相等时,由软到硬地层的破碎比功逐渐增大,且钻进某一地层的破碎比功先减小后增大,存在最优的截齿布置使得钻进效率最高。研究成果可为旋挖钻机截齿设计的优化和破岩效率的提高提供理论依据。     

罗山金矿节理岩体强度的PFC3D模拟及其应用

采用PFC3D数值模拟方法模拟在抗拉、抗压试验下不同倾角层理面的岩体的破坏过程,从颗粒的位移和速度分布等方面出发,阐述了节理岩体的破坏机理,并与实验室条件下获得的节理岩体强度和变形特性进行比较和分析.结果表明,单轴抗压强度在0-60°范围内随倾角α的增加而减小,在60°-90°范围内随倾角的增大而增大;单轴抗拉强度在0...     

节理倾角对岩体破坏特性影响的单由压缩数值试验

岩体中的节理通常会对岩体的破坏特性产生决定性的影响,本文通过对单轴压缩试验条件下含不同倾角节理的岩体试样破坏过程的数值试验,发现由于岩石材料的非均匀性,不合节理时岩石试样的宏观破坏主裂纹位置和方向不确定,具有一定的随机性,而且峰值强度较高;含节理的岩体宏观破坏时主裂纹明显受节理的影响,除节理倾角0°情况外,主裂纹均与节理的上下端相连;含节理岩体的峰值强度均低于不合节理的岩体,并且节理倾角60°以下时岩体峰值强度较低,而60°以上时峰值强度开始明显升高,90°时甚至接近不含节理的岩体.     

平行节理相互作用对节理岩体的力学行为影响

以类岩材料制作平行节理试样并开展压剪实验,采用声发射系统监测试样加载过程,研究节理相互作用对岩体力学行为的影响。研究结果表明:1)节理试样在压剪加载下可分4种破坏模式:共面剪切破坏;沿节理面剪切破坏;沿剪切应力面剪切破坏;类完整型剪切破坏。倾角对试样破坏模式起决定性作用,重叠度影响试样裂隙的发育。2)试样峰值剪切强度随倾角增加先增大后减小并在45°取得最大值;随着节理重叠度的增大,峰值剪切强度逐渐减小;剪切峰值强度对倾角因素更敏感。3)不同倾角试样的剪切应力-位移曲线差异主要体现在破裂后阶段,试样的声发射计数变化规律与破坏模式相对应;不同重叠度试样应力-位移曲线形态相似,试样的声发射计数变化规律相似,但计数峰值随重叠度的增大逐渐减小。