节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

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不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【摘要】为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目.研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大.而当节理倾角在15° ～75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)007【总页数】9页(P1220-1228)【关键词】盘形滚刀;围压;节理间距;节理倾角;破碎模式;比能耗;裂纹数目【作者】谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.3全断面隧道掘进机(TBM)已经广泛使用于地下空间的隧道掘进工程中,而TBM盘形滚刀破岩又是掘进过程中的核心内容,因此对盘形滚刀破岩的研究显得极为重要。

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

收稿日期：2017-05-16基金项目：国家自然科学基金项目（51609266）；国家重点研发计划课题（2016YFC0401804）；国家重点基础研究发展计划项目（2013CB035401）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（GE0145B452016，GE0145B822017）作者简介：刘立鹏（1983-），男，安徽六安人，高级工程师，主要从事岩石力学与岩土工程体稳定性研究。

E-mail ：liulip@文章编号：1672-3031（2017）05-0346-09中国水利水电科学研究院学报第15卷第5期TBM 滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏1，汪小刚1，刘海舰2，孙兴松1（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）摘要：为研究全断面岩石掘进机（TBM ）滚刀破岩机理与破岩效果影响因素，采用颗粒流程序（PFC ）建立滚刀破岩模型，通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果，标定PFC 程序参数，模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。

结果表明：滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式，整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。

岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显，破岩效果均不佳，TBM 滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。

围压影响裂纹生成与扩展，较高时将抑制径向裂纹发育，降低破岩整体效果。

研究成果可为TBM 选型及滚刀设计提供一定参考。

关键词：隧道工程；滚刀破岩机理；颗粒流程序；影响因素中图分类号：TU452文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2017.05.0031研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel BoringMachine ，TBM ），并在马萨诸塞州Hoosac 铁路隧道中进行了掘进试验。

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响曹平;林奇斌;李凯辉;韩东亚【摘要】Based on laboratory tests, the effects of joint angle and joint space on the penetration of two TBM disc cutters were studied. In the test, concrete jointed specimens were adopted to simulate jointed rock mass. The angleαbetween joint plane and tunnelling axis were 0°, 30°, 60° and to 90°, and four joint spaces were 20, 30, 40 and 50 mm respectively. Penetration depth and penetration force were collected during the loading process. Shooting with the camera in real time, photographs of the damage of specimen and failure mode of the development process were taken. The results show that there exists three basic modes of rock fragmentation which are mainly related to the joint orientation. The interaction between rock and TBM double disc cutter leads to cracks coalescence and chips formation. The specific energy achieves the minimum at the joint angleα=60° and the fragmentation efficiency of two TBM disc cutters can reach the highest. The joint space has significant impact on the formation of rock chips. Specifically, the specific energy increases with the increase of the joint space, but the fragmentation efficiency presents the opposite trend.%通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果.实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角α分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态.研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)005【总页数】7页(P1293-1299)【关键词】节理倾角;节理间距;TBM双刃滚刀;破岩模式;破岩效率【作者】曹平;林奇斌;李凯辉;韩东亚【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;香港理工大学土木与环境工程系,中国香港,999077;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;香港理工大学土木与环境工程系,中国香港,999077【正文语种】中文【中图分类】U45随着全断面隧道掘进机TBM(tunnel boring machine)技术的不断提高，TBM被广泛应用于隧道工程建设中，在不同岩体中，破岩效率已经成为项目规划和选择隧道开挖方法的一个重要工具。

巨斑状花岗岩条件下TBM大直径盘形滚刀磨耗规律

巨斑状花岗岩条件下TBM大直径盘形滚刀磨耗规律杜立杰;纪珊珊;左立富;孔海峡;许金林;杜彦良【摘要】以我国首次采用20英寸滚刀的东北某特长隧道TBM工程为背景,基于8.5m直径TBM现场实际掘进4 167 m获取的刀具磨耗数据,对刀盘不同刀位刀具磨损规律以及刀具磨损与围岩特征的相关性进行了研究,结果表明:从刀盘中心到边缘的刀位不同,刀具磨损速度总体呈现增加的趋势;在抗压强度80～ 130 MPa巨斑状花岗岩条件下,面刀每延米磨损量为0.025 mm,每把面刀可掘进长度634 m;刀具磨损与围岩类别及磨蚀性存在很大相关性,随着围岩节理裂隙增多和岩石磨蚀指数降低,刀具磨损和消耗明下降.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)012【总页数】5页(P2974-2978)【关键词】全断面岩石隧道掘进机(TBM);巨斑状花岗岩;盘形滚刀;磨耗【作者】杜立杰;纪珊珊;左立富;孔海峡;许金林;杜彦良【作者单位】石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室,河北石家庄050043;石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室,河北石家庄050043;中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安710016;中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安710016;中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安710016;石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室,河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】TD421.5随着我国水利、水电、铁路、公路、石油燃气输送管道等基础建设项目的大规模展开，越来越多深埋长大隧道需要采用全断面岩石隧道掘进机(简称TBM)进行施工，而盘形滚刀是TBM破岩的核心关键部件，开发更高性能的盘形滚刀和探索TBM刀具磨耗规律，一直是TBM领域不断研究的重要课题[1-15]。

然而，由于各工程TBM直径和围岩条件不同，各厂家刀具性能也存在较大差距，现有实验室模拟和理论刀具寿命预测模型与实际TBM掘进刀具消耗存在很大差异，缺乏基于大量实际不同围岩工程刀具磨耗数据的积累。

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究张旭辉;夏毅敏;谭青;林赉贶;劳同炳;刘杰【摘要】In this study, we investigated the breaking behavior of rock penetrated by two types of tunnel boring ma⁃chine ( TBM) disc cutters with respect to the geological condition of the joint. We used the particle discrete element method to establish a model for penetrating the rock with the two types of cutters and analyzed the dynamic breaking behavior of rock and crack propagation. Our results show that the formation and propagation of cracks involves two classic stages and that the force and number of cracks differ when penetrating a jointed rock using two types of cut⁃ters. A change in the joint angle has guide and blocking effects on crack propagation. When using a double⁃pint cut⁃ter and the joint spacing is more than 80 mm, this angle controls the crack propagation. With respect to the forma⁃tion of rock chips, the rock exhibits regular andjoint⁃coordinated breaking modes based on the type of slag pro⁃duced by the breaking rocks. When using a single⁃point cutter, a change in joint angle deflects the stress distribu⁃tion caused by the cutter inside the rock but has little effect on the stress distribution caused by the two⁃point cutter. The rock⁃breaking efficiency of the two cutters changes with changes in the joint characteristics. When the cutter spacing is adequate, the double⁃point cutter has higher efficiency than the single⁃point cutter. There is an optimal cutter spacing that maximizes the efficiency of breaking rocks when the double⁃point cutter is penetrating a jointed rock,and this spacing will increase first and then decrease with increases in the joint angle.%为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律，采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型，分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。

不同贯入度下TBM盘形组合滚刀切削性能分析

不同贯入度下TBM盘形组合滚刀切削性能分析作者：刘洪斌刘石头穆伟涛牟浩来源：《中国测试》2019年第02期摘要：为研究贯入度对TBM 盘形组合滚刀顺次回转切削性能的影响，该文以Drucker-Prager 塑性准则、岩石力学和滚刀破岩机理为基础，运用ABAQUS 建立刀间距为60mm 的17in 盘形组合滚刀模型，分析不同贯入度下TBM 盘形组合滚刀顺次回转破岩的复杂非线性动态响应过程。

结果：刀间距一定，组合滚刀顺次回转切削存在一个临界贯入度使破岩区域相交，滚刀间岩石破碎程度最佳，比能耗最小，破岩效率最高;随着贯入度增加，组合滚刀所受三向力大致呈线性递增趋势;组合滚刀切削垂直力与滚动力之比约为4.5，TBM 前进推动力约为刀盘旋转扭转力的4.5倍为宜，即需要控制TBM 推进速度与刀盘转动速度合适比例关系。

关键词：盘形滚刀;ABAQUS;贯入度;切削性能;三向力中图分类号：U455.43文献标志码：A文章编号：1674–5124（2019）02–0036–060 引言近年来全断面岩石隧道掘进机（tunnel boring machine，TBM）广泛应用于各类隧道及地下工程施工领域，滚刀作为TBM重要组成部分，直接参与岩石破碎过程，其切削性能优劣直接影响到施工效率[1]。

单一刀具切削效率低下，不能满足盾构施工快速发展的需要。

因此，为提高切削效率，研究盾构组合刀具协同切削性能很有必要。

夏毅敏等[2]采用LS-DYNA模拟盘形滚刀破碎岩石过程，研究滚刀结构参数和工作参数对破岩力的影响特性，并在100t盾构刀具回转切削性能测试实验台上进行实验。

M.Entacher等[3]对隧道掘进机刀具测力系统进行设计，监测刀具受力变化;C.Balci等[4]对V型盘形滚刀进行实验和现场调研，研究岩石力学性能对刀具切削的影响。

龚秋明等[5]应用机械破岩试验平台研究不同贯入度对破岩效率的影响，研究发现贯入度增加到一定程度后再单纯地增加贯入度不能无限提高破岩效率。

贯通节理的倾角和粗糙度对岩石破坏模式的影响分析

２０２０年１２月第３９卷第４期内蒙古科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃｅｍｂｅｒ，２０２０Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．４贯通节理的倾角和粗糙度对岩石破坏模式的影响分析高臻炜１，陈世江１，杜广盛１，焦文彦２，古运峰１（１内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头　０１４０１０；２太原辰宇市政工程有限公司，山西太原　０３００２４）摘　要：运用ＰＦＣ２Ｄ软件开展了含贯通节理的细砂岩单轴模拟试验，研究了贯通节理的倾角、粗糙度对岩石破坏模式的影响结果表明：随着法向力的增加，岩石的破坏方式均是先产生拉伸破坏，后变为剪切破坏，但受节理倾角、粗糙度的影响，主要破坏阶段不一致，当节理倾角较小或粗糙度较低时，岩石主要呈拉伸破坏，反之，当节理倾角较大或粗糙度较高时，岩石呈剪切破坏；受岩石破坏模式改变影响，含不同节理的岩石峰值趋势也不一致关键词：ＰＦＣ２Ｄ；贯通节理；粗糙度；倾角中图分类号：ＴＵ４５８．２文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２２９５（２０２０）０４－０４０１－０４ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－２２９５．２０２０．０４．０１９经过自然界的地质作用，岩石内部存在着各式节理，节理控制着岩石强度当节理发生扩张、贯通、剪切等破坏后，均会发生岩石失稳，从而导致各项工程事故因此，在工程实践时，节理对施工进度会产生较大影响而近年来，探究节理影响岩石强度规律及产生裂隙的演化规律已成为学者们研究的重点目前，众多学者对含节理岩石地破坏模式进行研究，并取得了丰硕成果沈明荣等［１］对齿状结构面在不同法向力下进行剪切，并对节理的破坏形式进行了分析邓华锋等［２］对节理进行反复剪切，观测节理强度的变化趋势同时，还有一些学者［３～５］应用３Ｄ打印机获取精准天然节理然而传统的室内试验无法观测到岩石破坏裂隙的发展，故许多学者采用声发射等方式进行监控，杨圣奇等［６］对不同粗糙度节理进行了３轴试验，并通过声发射观测粗糙度对节理的演化规律的影响于辉等［７］人对锯齿状大理岩进行了剪切研究，并采用声发射进行监测另一方面，数值模拟试验也可再现岩石破坏过程，黄达等［８］通过应用ＰＦＣ２Ｄ，对单裂隙砂岩进行了单轴试验并观测其破坏裂隙发展规律肖尊群等［９］同样应用ＰＦＣ２Ｄ对泥质粉砂岩进行双轴试验基于上述研究，故运用ＰＦＣ２Ｄ软件对贯通节理进行单轴试验，重点研究贯通节理的倾角、粗糙度对岩石破坏模型的影响１　ＰＦＣ模型的构建１．１　选取颗粒接触模型对于采用ＰＦＣ数值软件进行数值试验来说，颗粒间的接触模型是非常重要的影响因素在进行模拟前，需将颗粒间的接触模型进行规定，在ＰＦＣ中接触模型较多，本次选取的接触模型为线形刚度模型及平行黏结模型，上述２模型主要差别为颗粒间的黏结力线形刚度模型，颗粒间无黏结力，不可抵抗旋转；平行黏结模型颗粒间存在黏结力，可以传递力和力矩，但当颗粒间的黏结键断裂后，此时黏结模型与线形模型性质一直，故此２种模型配合即可生成岩石模型１．２　颗粒参数的选取为保证试验现象较为直观，本次选取的岩石为砂岩，颗粒参数参考肖尊群等［９］的泥质粉砂岩细观参数，具体参数见表１所示作者简介：高臻炜（１９９５－），男，内蒙古科技大学硕士研究生，研究方向为主岩石力学方向的研究通信作者：ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｎｓｈｉｊｉａｎｇ＿２００３＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０２０－０５－２０内蒙古科技大学学报２０２０年１２月　第３９卷第４期表１　数值模拟各参数参数取值线形模量／ＧＰａ２．０８８平行黏结模量／ＧＰａ１０．７９４刚度比３．０７１法向黏结强度／ＭＰａ３３．８５切向黏结强度／ＭＰａ５６．４２粒径／ｍｍ０．５～０．６１．３　数值模拟的建立采用ＰＦＣ对含节理岩石进行单轴试验，步骤如下：（１）选取节理本次所用节理自Ｂａｒｄｏｎ线中选取３条，分别为２４（光滑节理）、８１０（粗糙节理）、１６１８（极粗糙节理）３条线，如图１图１　（ａ）３条节理线；（ｂ）含各节理岩石（２）岩石初始平衡为保证节理贯通岩石，需将岩石分为上下２盘试验采用ＣＡＤ绘制岩石轮廓，选取的尺寸为５ｃｍ×１０ｃｍ标准岩石试件尺寸，岩石内部节理倾角为３０°，４５°，５５°，将绘制好的岩石轮廓导入至ＰＦＣ生成墙体，之后在墙体内生成颗粒（３）添加细观参数由于上述岩石颗粒间为线形刚度模型，故此时需改为平行黏结模型，同时添加颗粒的细观参数（４）进行单轴抗压试验，加载速度为０１ｍ／ｓ，监测各岩石强度及裂隙分布状态试件模拟过程如图２所示图２　含节理岩石模拟过程２　岩石破坏模式分析２．１　加载过程分析通过分析岩石加载过程，了解节理受力状态，分析岩石的破坏模式本次以含２４型４５°节理岩石为例，分析加载过程，如图３所示，具体可分为如下５个阶段：（１）初始加载阶段（ＡＢ段），该阶段岩石未发生明显变形，主要的变形方式为弹性压缩变形（２）拉伸破坏阶段（ＢＣ段），如图４所示，由于部分法向力被分解为剪切力，此时上下两盘未发生滑动，内部裂隙沿节理尖端方向开始扩张，产生拉伸力，该段为岩石内部裂隙发展的主要阶段（３）过渡阶段（ＣＤ段），随着法向力的增大，当被分解的剪切力强度超过Ｃ点时，上下２盘开始滑动（４）剪切阶段（ＤＥ段），该段节理主要发生的破坏形式为剪切，２盘发生滑动，Ｅ点为剪切峰值（５）峰后阶段（Ｅ点后），由于岩石节理周围产生裂隙，伴随着法向力的增大，在峰后裂隙迅速扩张，直至岩石完全被破坏综上所述，含贯通节理岩石的破坏方式，主要是随着法向力的增加，由拉伸破坏转变为剪切破坏２０４高臻炜，等：贯通节理的倾角和粗糙度对岩石破坏模式的影响分析图３　２４型４５°节理岩石加载曲线图４　法向应力分解图２．２　贯通节理裂隙扩张分析为了解节理的粗糙度及倾角对岩石发生破坏模式的影响，需对岩石产生的裂隙状态进行分析，如图５所示图５　各节理裂隙图（ａ）倾角３０°；（ｂ）倾角４５°；（ｃ）倾角５５°通过观测３组岩石试件，讨论倾角、粗糙度对岩石破坏模式的影响（１）当节理倾角一致时，（ａ）组节理倾角为３０°，所产生裂隙与节理呈垂直状，此时岩石的破坏模式为拉伸破坏；（ｂ）组倾角为４５°，垂直状裂隙发育减少，而平行节理的裂隙开始衍生；（ｃ）组倾角为５５°，岩石上下盘开始发生明显地滑移现象，平行节理的裂隙分布较多，此时岩石的破坏模式为剪切破坏（２）当节理粗糙度一致时，２４节理较为平直，产生垂直状裂隙较多，抗剪切强度较低，滑移较为明显，主要发生拉伸破坏；８１０，１６１８产生裂隙较少，抗剪强度较高，主要发生剪切破坏（３）配合图３分析可得，节理倾角较小、粗糙度较低的岩石主要发生破坏的阶段为ＢＣ段，反之，节理倾角较大、粗糙度高的岩石主要发生破坏的阶段为ＤＥ段３．３　破坏模式对峰值强度的影响及分析各岩石抗压峰值结果见表２所示观测岩石破坏模式对峰值强度的影响，如图６所示，当同一倾角时，随着节理粗糙度增加，岩石峰值强度呈增涨趋势；当粗糙度相同时，随着倾角的上升，１组岩石峰值呈递减趋势，２，３组岩石呈现先减小后增加的现象，造成趋势变化的主要原因是倾角的上升将岩石的破坏模式由拉伸破坏变为剪切破坏，而光滑节理的抗剪强度较低，故峰值趋势不一致４　结论（１）通过分析岩石加载，了解含贯通节理岩石的破坏过程随着法向力的增加，岩石的破坏方式为先产生拉伸破坏，后边为剪切破坏（２）受节理倾角、粗糙度影响，岩石发生主要破坏的阶段也不一样当节理的倾角或粗糙度较小时，破坏方式为拉伸破坏，当节理的倾角或粗糙度较大时，破坏方式为剪切破坏（３）通过对比３组岩石的峰值强度，分析破坏模式对峰值变化的影响结果表明：随着倾角增长，含光滑节理岩石峰值趋势呈递减，含粗糙节理岩石峰值趋势呈现先减小后增加，而造成趋势不一致的原因为，节理的粗糙度导致岩石的破坏模式发生改变３０４内蒙古科技大学学报２０２０年１２月　第３９卷第４期表２　各岩石抗压峰值强度组别１２３节理类型２４８１０１６１８节理倾角／（°）３０４５５５３０４５５５３０４５５５峰值强度／ＭＰａ５５．０２４６．５１４１．３２６２．１１４８．３５５０．４８６１．８６４９．９０５２．３４图６　各岩石抗压峰值曲线参考文献：［１］　沈明荣，张清照．规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１０，２９（４）：７１３．［２］　邓华锋，肖瑶，李建林，等．重复剪切作用下节理强度和形貌特征劣化规律［Ｊ］．岩土工程学报，２０１８，４０（Ｓ２）：１８３．［３］　周辉，程广坦，朱勇，等．基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（２）：４１７．［４］　周辉，程广坦，朱勇，等．基于３Ｄ雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究［Ｊ］．岩土力学，２０１９，４０（１）：１１８．［５］　葛云峰，唐辉明，王亮清，等．天然岩体结构面粗糙度各向异性、尺寸效应、间距效应研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０１５，３８（１）：１７０．［６］　杨圣奇，陆家炜，田文岭，等．不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（Ｓ１）：２１．［７］　于辉，刘少伟，贾后省，等．不同围压下闭合单裂隙砂岩力学响应及能量耗散机制研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０２０，３７（２）：３８５．［８］　黄达，岑夺丰，黄润秋．单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟［Ｊ］．岩土力学，２０１３，３４（２）：５３５．［９］　肖尊群，王鑫，汤东桑，等．典型巴东泥质粉砂岩双轴压缩试验细观组构特征［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０２０，４８（２）：１６１．（责任编辑：师宝萍）ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｊｏｉｎｔｏｎｒｏｃｋｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅＧＡＯＺｈｅｎｗｅｉ１，ＣＨＥＮＳｈｉｊｉａｎｇ１，ＤＵＧｕａｎｇｓｈｅｎｇ１，ＪＩＡＯＷｅｎｙａｎ２，ＧＵＹｕｎｆｅｎｇ１（１．ＭｉｎｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ；２．ＴａｉｙｕａｎＣｈｅｎｙｕＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｊｏｉｎｔｆｉｓｓｕｒｅｓｈａｖｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｃｋｓ．ＰＦＣ２Ｄｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｆｉｎｅｓａｎｄｓｔｏｎｅｗｉｔｈｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｊｏｉｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｎｄｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｊｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｒｏｃｋｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｎｏｒｍａｌｆｏｒｃｅ，ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｒｏｃｋｂｌｏｃｋｉｓｆｉｒｓｔｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅａｎｄｔｈｅｎｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｊｏｉｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｎｄｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｔｈｅｍａｉｎｆａｉｌｕｒｅｓｔａｇｅｉｓｎｏｔｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｗｈｅｎｔｈｅｊｏｉｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｓｍａｌｌｏｒｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｉｓｌｏｗ，ｔｈｅｒｏｃｋｉｓｍａｉｎｌｙｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅ；ｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒａｒｙ，ｗｈｅｎｔｈｅｊｏｉｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｌａｒｇｅｏｒｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｉｓｈｉｇｈ，ｔｈｅｒｏｃｋｉｓｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅ．Ａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｒｏｃｋ’ｓｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ，ｔｈｅｐｅａｋｔｒｅｎｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｊｏｉｎｔｒｏｃｋｉｓａｌｓｏｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＦＣ２Ｄ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｊｏｉｎｔ；ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ａｎｇｌｅ４０４。

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曹平，林奇斌，李凯辉一，韩东亚，
（１．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，４１００８３；
２．香港理工大学土木与环境工程系，中国香港，９９９０７７１
摘要：通过实验研究不同节理倾角和间距对ＴＢＭ双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体，节理面与侵入力方向夹角分别为０。，３０。，６０。和９０。，节理面间距分别为２０，３Ｏ，４０和５０ｍｍ，采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力，并采用相机进行实时拍摄，获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明：节理岩体存在３种基本破碎模式，主要与节理倾角有关；相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹，形成片状岩碴；当节理倾角为６０。时，破岩比能耗最小，滚刀破岩效率最高；节理间距对岩碴的形成有较大影响，比能耗随着节理间距增大而增大，破岩效率降低。关键词：节理倾角；节理间距；ＴＢＭ双刃滚刀；破岩模式；破岩效率中图分类号：ｕ４５文献标志码：Ａ文章编号：１６７２ — ７２０７（２０ｌ７）０５ — １２９３ — ０７
第４８卷第５期
２０１７年５月
中南大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
ＣＡＯＰｉｎｇ，ＬＩＮＱｉｂｉｎ，ＬＩＫａｉｈｕｉ一，ＨＡＮＤｏｎｇｙａ，
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ；
、，０Ｉ．４８Ｎｏ．５
Ｍａｖ２０１７
ＤＯＩ：１０．１１８１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２ — ７２０７．２０１７．０５．０２３
节理倾角和间距对ＴＢＭ双刃盘形滚刀破岩效率的影响
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｈｅＨｏｎｇＫｏｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
ＨｏｎｇＫｏｎｇ９９９０７７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｅｆｅｃｔｓｏｆｊｏｉｎｔａｎｇｌｅａｎｄｊｏｉｎｔｓｐａｃｅｏｎｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｗｏＴＢＭｄｉｓｃｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｎｔｈｅｔｅｓｔ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｊｏｉｎｔｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｊｏｉｎｔｅｄｒｏｃｋｍａｓｓ．Ｔｈｅａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｊｏｉｎｔｐｌａｎｅａｎｄｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｘｉｓｗｅｒｅ０。，３０。，６０。ｎｄａｔｏ９０。，ａｎｄｆｏｕｒｊｏｉｎｔｓｐａｃｅｓｗｅｒｅ２０，３０，４０ａｎｄ５０ｍｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｊｏｉｎｔａｎｇｌｅａｎｄｊｏｉｎｔｓｐａｃｅｏｎ
ｒｏｃｋｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｅｉｃｆｉｅｎｃｙｂｙｔｗｏＴＢＭｄｉｓｃｃｕｔｔｅｒｓ