不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究
滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究
滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【摘要】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.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)008【总页数】10页(P69-78)【关键词】盘形滚刀;岩石力学;裂纹;节理;比能耗【作者】谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【作者单位】中南大学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;中南大学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;中南大学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;中南大学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;中南大学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【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.39随着我国隧道工程建设的展开，全断面岩石掘进机(Full face rock tunnel boring machine，TBM)以其施工效率高、掘进安全、噪声小等诸多优点，在隧道施工中使用日益广泛.岩石的破坏和剥落通过刀盘上的盘形滚刀滚动切削来实现，然而在实际切削过程中，地质情况是复杂多变的，如岩石种类、节理等[1-2].国内外学者针对TBM不同工况下破岩效率进行了相应的滚刀切削试验.刘红岩等人[3]通过物理实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响.Howarth[4]通过线性切割试验研究了刀间距对破岩效果的影响.龚秋明等人[5]研究了岩石节理间距对破岩效果的作用，发现节理面对破岩过程中滚刀的力有很大影响.以上研究探讨了不同地质条件下掘进参数对滚刀滚动破岩效果的作用.近年来也有学者通过数值仿真研究滚刀切削岩石的工况并取得了一些成果.Bejari 等人[6-7]采用UDEC研究了节理对刀具破岩的影响，研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率.Sun等人[8]采用有限元法对盘形滚刀的最优刀间距进行分析，并解决了平面刀盘的布置问题.Labra等人[9]采用混合离散元/有限元法建立滚刀切削岩石模型并分析掘进参数下滚刀破岩过程.马洪素等人[10]通过两组试验对不同节理倾向下裂纹走向进行研究，并通过FLAC分析了裂纹走向与应力场分布的关系.孔晓璇等人[11]及孙金山等人[12]通过PFC2D研究双滚刀侵入不同节理间距及节理倾角的岩体时裂纹的走向，得到了节理特征对裂纹扩展的影响.张桂菊等人[13]采用二维颗粒离散元研究岩石温度对破岩的影响.Liu等人[14-16]采用PFC2D研究单、多滚刀垂直侵入岩石的效率与岩石裂纹扩展形态.Choi等[17]采用PFC2D研究节理间距与节理倾角对滚刀受力的影响.谭青等[18]采用PFC2D研究滚刀侵入不同围压与节理条件岩石时破碎模式与破岩比能耗的规律.上述模拟研究多将滚刀滚动切削过程简化为滚刀垂直贯入岩体的过程，忽略滚刀水平滚动以及岩石摩擦因素.易于观察到滚刀垂直贯入岩石过程中裂纹发育规律，难以得到滚刀滚动破岩过程中岩石裂纹发育规律.此外，以上建立的岩石节理模型仅关注节理倾角或者节理间距，尚未考虑含节理岩体强度和节理倾向对破岩的影响.本文采用离散元数值方法建立了无节理滚动切削与含节理滚动切削模型，通过改变滚刀工作参数及岩石参数，对贯入度、切削速度、节理倾向、含节理岩体强度等参数进行模拟.通过观察仿真结果，得到破岩时滚刀受力、岩石裂纹数量变化、岩石裂纹生长过程，最后以回转试验对仿真得到的切削力进行验证.本文的创新之处在于：建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削数值模型，该模型与实际工程应用中滚刀破岩过程拟合度更高；分析不同工况下滚刀受力与岩石破碎模式的关联规律；建立了不同节理倾向、倾角与节理面强度的岩石模型，其结论适用地质范围更广.1 数值模型的建立1.1 简化滚刀模型TBM在掘进时，滚刀布置在刀盘上并伴随刀盘的运动而做垂直贯入和水平滚动(视掌子面为水平面)，滚刀与岩石相互作用时产生指向掌子面的法向力FN、与掌子面平行而指向滚刀平移方向的滚动力FR和受到回转切削影响生成的侧向力FL三种滚刀切削力，如图1所示.法向力主要由刀盘推力提供，滚动力主要由刀盘扭矩提供，侧向力主要由回转运行中滚刀对岩石的挤压力产生.考虑本文主要研究滚刀水平滚动破岩，忽视侧向力影响，因此将三维的滚刀运动简化为二维滚动过程.文献[14-18]研究证明，将滚刀三维破岩简化为二维破岩是可行的.本文以工程实践中的常用滚刀进行1∶2缩尺所得的小滚刀作为研究对象，其参数见表1.基于表1中参数，简化滚刀模型为二维模型.1.2 模型宏、细观参数的标定由于试验条件限制，假定切削对象为泥岩、砂岩等软岩，由于天然岩石内部初始损伤缺陷难以统计，为了增加试验的可重复性，降低试样物理力学性能分布的随机性，本文采用混凝土代替岩石进行研究.混凝土的制作和养护参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[19].在力学测试中心测得混凝土试样的物理力学性能参数如表2所示，由表2可知，混凝土强度等级为C20，其抗压强度等物理力学特性近似自然界的泥岩、砂岩等软岩[20].为建立颗粒流模型细观参数与材料宏观物理力学参数之间的联系，需要确定颗粒的基本尺寸等参数(表3).以单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验对模型进行标定(图2)：单轴压缩试验见图2(a)；巴西劈裂试验见图2(b)；剪切试验见图2(c).通常采用试凑法按照一定规律反复调整细观参数，直到仿真输出曲线接近物理标定的曲线即可.标定得到的颗粒流模型细观力学参数见表4.图1 滚刀切削力示意图Fig.1 Cutter forces of the disc cutter表1 滚刀基本参数Tab.1 The basic parameters of the disc cutter直径/cm刀刃宽度/mm过渡圆弧半径/mm刀刃角/(°)2110420表2 软岩材料宏观参数Tab.2 Macro-parameters of soft rock material参数名单位数值密度kg/m32 360弹性模量GPa1.82抗压强度MPa21.88抗拉强度MPa1.47内聚力MPa4.12内摩擦角(°)35表3 颗粒流模型基本参数Tab.3 Basic parameters of PFC2DmodelRmin/mmRmax/Rminkn/ks0.31.22.5图2 颗粒流模型细观参数的确定Fig.2 Meso-parameters determination in PFC2D表4 细观力学参数Tab.4 Meso-mechanical parameters参数名单位数值颗粒密度kg/m32 950法向强度MPa15切向强度MPa15法向刚度N/m9.5×108切向刚度N/m3.8×108摩擦因数0.31.3 建立滚刀滚动切削数值模型为了研究滚动切削对破岩的影响，根据标定得到的细观力学参数分别建立无节理、含节理两种滚刀侵入岩体的切削模型.试样被安置在一个三面墙皆被固定的方槽中，模型尺寸为400 mm×200 mm.节理模型中节理特征通过JSET命令设置，由于滚刀的刚度远远大于软岩的刚度，所以将滚刀简化为刚体并赋予属性wall类型.滚刀在破岩过程中因摩擦力而被动转动，滚刀与岩石的接触摩擦因数取0.3.通过FISH语句可以提取滚刀受力等信息.仿真中材料的破坏过程可视为颗粒间连接键在载荷作用下断裂的过程.键连接有两种形式：接触键和平行键.通过设定键与颗粒的大小、强度，对不同的本构进行表述，当载荷超过预设键的强度时，便会使颗粒脱离接触而产生破坏，通过观察、统计仿真所得的微观裂纹可以了解岩体内部破碎情况.2 滚刀切削无节理岩石模型分析2.1 滚刀切削过程分析图3为滚刀滚动切削破岩过程，根据工程实践应用，设定滚刀贯入度为8 mm，切削速度为0.6 m/s.随着滚刀向前推进，岩体上层的岩石不断被破碎，滚刀前方产生较大的破碎块(图3(a))，同时岩体内部产生大量微裂纹，部分微裂纹汇聚成主干裂纹并向岩体深处扩展.图3 滚刀滚动切削岩石动态过程Fig.3 Dynamic process of rock cutting图4为滚刀切削力及滚刀角速度动态变化图.由图4可知，滚刀破岩过程中滚刀力曲线波动较大，且法向力的波动远大于滚动力.这说明岩石内部裂纹扩展主要由法向力主导，滚刀与岩石接触而转动，角速度均值约为5 rad/s，这说明滚刀的旋转瞬心在刀刃下方附近.图5为FISH函数记录的裂纹数目变化.随着切削行程的增加裂纹数目线性增加，张拉裂纹数目始终大于剪切裂纹数目，说明滚刀破岩过程中岩石的破碎以张拉破坏为主.切削行程/mm图4 滚刀力与角速度变化图Fig.4 Variation diagram of cutting force and angular velocity2.2 贯入度对滚刀切削的影响贯入度及切削速度的变化会改变滚刀与岩石的接触情况，同时受力、岩石破碎形态以及裂纹发育都会受到影响.图6反映了滚刀切削行程为300 mm，切削速度为0.6 m/s时不同贯入度下的切削状态.从图6可知，岩石破碎面积与主干裂纹深度均随贯入度的增加而增大.切削行程/mm图5 微裂纹个数随切削行程变化图Fig.5 Variation diagram of crack number with cutting length图6 不同贯入度下滚刀滚动破岩状态Fig.6 Rock breaking state under different cutting depths如图7所示，贯入度的增加使得主干裂纹平均深度大幅度增长.然而，随着贯入度的增加，主干裂纹平均长度与贯入度的比值在下降，说明随着贯入度增加，主干裂纹平均长度增速下降，单纯增加贯入度并不能有效增加主干裂纹长度.主干裂纹的扩张虽然消耗了大量能量，但并未直接将岩体剥落下来.较深的主干裂纹说明滚刀做功主要引起裂纹纵深发展，而用于表面破岩的做功较少，所以主干裂纹越长则破岩效率越低.此外，统计仿真结果可知，随着贯入度的增加，微裂纹数量线性增长.当贯入度较小时，剪切微裂纹占多数，在较大贯入度下，张拉微裂纹则占多数.这说明增加贯入度有利于张拉微裂纹的发育.通常岩石破碎效率以破碎比功[13]来衡量.本文为了简化模型，不考虑破碎块度大小，以掘进机常用的比能耗SE来衡量破岩效率.由于本文开展二维数值模拟，故将其定义为刀具切削单位面积岩石所需消耗的能量，表示为：(1)式中：SE为破岩比能耗(MJ/m2)；WN为滚刀法向力做功；WR为滚刀滚动力做功；FN为法向力(N)；FR为滚动力(N)；p为贯入度(mm)；J为滚刀的切削行程(mm)；S为岩石破碎的面积(mm2).一般情况下法向力做功为滚动力做功的5%[18]，故实际计算中只考虑滚动力做功.贯入度/mm图7 贯入度与裂纹深度关联规律Fig.7 Variation of cutting depth with crack depth随着贯入度的增加，滚刀滚动力和法向力都呈递增趋势(表5).其中，滚刀滚动力增长率远大于法向力的增长率，这说明滚动力对贯入度更加敏感.在工程中，一般控制滚刀的贯入度不超过10 mm以避免贯入度过大而增加滚刀的受力负荷，造成滚刀过早失效.由表5可知，随着滚刀贯入度的增加，破碎面积的增长速率下降，而比能耗迅速上升，最大增加量约为96%．说明增大贯入度虽然提高破岩速度，但是切削效率下降，且加剧了滚刀磨损，缩短了轴承寿命，导致提早换刀.因此，在施工中，不可盲目增加贯入度以提高掘进效率.表5 不同贯入度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.5 Simulation results with different cutting depth贯入度/mm滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)41.439.88110.503.8862.1912.23141.174.6584.0214.44176.926.82104.5815. 69180.177.632.3 速度对滚刀切削的影响图8为滚刀切削行程为300 mm，贯入度为6 mm时的破岩状态图.由图8可知，在不同切削速度下，岩体破坏状况相近，裂纹扩展情况及破碎块的形成亦相似.这说明切削速度对岩石破坏以及裂纹扩展的影响不大.此外，统计仿真结果可知，裂纹总数随切削速度变化波动较小，这说明切削速度不是影响微裂纹数目的主要参数.剪裂纹数目所占总裂纹数目的比例随切削速度的增加而上升.图8 不同切削速度下滚刀滚动破岩状态图Fig.8 Rock breaking state diagram with different cutting speed表6为不同切削速度下滚刀破岩的参数统计表.可知加大切削速度对滚动力、破碎面积和比能耗的影响并不大.滚刀法向力对切削速度较为敏感，随着切削速度的提升，法向力显著增加,当切削速度从0.4 m/s提高到1 m/s时，滚刀法向力增加约50%．因此，施工中在确保滚刀承受的法向冲击力不超过刀圈承载额的前提下，可提高切削速度增加破岩速度.表6 不同切削速度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.6 Simulation results with different cutting speed速度/(m·s-1)滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)0.42.128.9132.254.810.62.5210.6134.675.610.82.6111.6139.005.631.02.71 12.23131.176.203 滚刀切削含节理岩石模型分析3.1 滚刀切削过程分析已有研究表明[6,7,11]，节理特性对滚刀切削岩石有较大的影响.自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂，同时滚刀与节理的相对位置也不断变化，因此，本文对此进行必要的简化.假定数值模型中只存在一组等间距节理(设节理间距恒为10 mm)，综合考虑节理倾向、倾角和含节理岩体强度对滚刀破岩的影响，规定节理倾向与滚刀掘进方向一致为正向，相反为逆向.图9和图10分别为水平0°和垂直90°，正、逆向倾角分别为20°、40°、60°和80°的节理岩体.含节理的岩体强度由节理面的颗粒细观参数(摩擦因数、法向强度、切向强度)间接决定.通过改变节理面的颗粒细观参数，可以得到不同强度的节理岩体(也有文献简称为节理强度)，即节理岩体具有不同的内聚力和内摩擦角.不同强度节理岩体的物理数值可通过直剪试验得到(图2(c)).研究发现，当摩擦因数一定时(本文设置摩擦因数为0.3)，法向强度与切向强度越大，得到含节理的岩体强度也会较大.本文用2种节理面颗粒连接强度(法向与切向强度分别取8 kPa和200 kPa)来描述低强度和高强度含节理岩体.图9和图10是切削距离为250 mm，贯入度为8 mm，削速度为0.6 m/s时的破岩状态图.其中，图9对应的节理面粘接强度为8 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度较低.从图9可知，主干裂纹很少向纵深扩展，这是由于低强度节理面很容易起裂和断裂，阻碍了滚刀力向岩体深处传递，所以岩体深处很少有主干裂纹.此外，还可以观察到有大量碎块从岩体表面崩落，起裂方向大多垂直于节理面.图10对应的节理面粘接强度为200 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度高.当节理倾向为正，倾角分别为60°与80°时可以观察到主干裂纹扩展方向有垂直于节理面的倾向，有的主干裂纹可以跨越几组节理面到达岩体深处.这说明较高的节理强度对于裂纹扩张的阻碍效应小于低节理强度.当节理倾向为逆向时，倾角分别为60°和80°时，主干裂纹扩展方向有平行于节理面的倾向，与无节理破岩比较(图6(c))，二者裂纹扩展形态非常近似，节理的存在对于主干裂纹扩展深度影响很小.图9 低强度含节理岩体(连接强度为8 kPa)Fig.9 Low strength for jointed rock masses(joint bond strength 8 kPa)图10 高强度含节理岩体(连接强度为200 kPa)Fig.10 High strength for jointed rock masses(joint bond strength 200 kPa)3.2 节理特征对微裂纹数量的影响微裂纹与节理关联规律如图11所示.由图11可知，高强度节理岩体含张拉裂纹数量多于低强度岩体，低强度节理岩体含剪切裂纹数量多于高强度岩体.考虑到岩石抗压不抗拉的特性，滚刀入侵高强度节理岩体时主要发生了张拉破坏.对低强度节理岩体而言，节理间连接强度较低，节理层容易断裂，因而剪切裂纹较高强度节理岩体多.岩体节理强度高时，正向节理倾角下含有更多的微裂纹数量.此外，节理倾角分别为20°、60°时，裂纹发育受到阻碍.节理角度/(°)(a)拉张裂纹数节理角度/(°)(b)剪切裂纹数图11 微裂纹与节理特征关系图Fig.11 Relation diagram of micro-crack numbers with joint characteristics3.3 节理特征对裂纹深度的影响节理倾角与节理强度对主干裂纹的扩展深度有着明显的控制作用：应力场不均分布导致低强度节理面容易产生张拉微裂纹起裂[10]，节理面对主干裂纹扩展起阻隔作用[5]，而且节理倾角能影响主干裂纹扩展方向.因此，在相同的主干裂纹长度下，裂纹深度会由于扩展方向的改变而改变.主干裂纹深度整体趋势规律如图12所示. 相较低强度节理面，高强度节理面中主干裂纹更容易扩展到岩体深处，这是由于低强度节理面对裂纹继续扩展起到阻隔作用.基于上文讨论，主干裂纹深度过大对于提高破岩效率并无直接益处，所以低节理强度更有利于提高破岩效率.由图12可看出，水平和垂直节理倾角下主干裂纹相对较长.在高强度节理面中，倾角分别为20°、60°时，主干裂纹较浅，且逆向节理倾角产生的裂纹较正向倾角更深，这反映了正向节理倾角下破岩更加高效.在低强度节理面中，正、逆向倾角则对裂纹深度无明显影响.节理角度/(°)图12 主干裂纹深度与节理特征关系图Fig.12 Relation diagram main crack depth with joint characteristics3.4 节理特征对破岩面积的影响在相同贯入度下，更大的破碎面积意味着更快的掘进速度.通过测量，可以得到破岩面积受节理特征影响的规律，如图13所示.正向倾角破岩面积更大，高强度节理面下该现象更显著.高强度节理倾角分别为80°与0°时，破碎面积相比其他倾角更大，该结论与谭青等[18]的结论一致.低强度节理倾角分别为20°、60°和90°时，破碎面积相对较小.节理角度/(°)图13 破岩面积与节理特征关系图Fig.13 Variation of breakingarea with joint characteristics3.5 节理特征对比能耗的影响通过仿真计算，得出滚刀力、破碎面积及比能耗等参数如表7所示.由于仿真条件限制，破碎块无法排出(图9(d))，导致在后续滚刀切削中已经崩落的岩石会进一步被滚刀破碎，造成滚动力增加.为了贴近实际施工状态，对仿真所得滚动力乘以系数φ(φ取值为0～1).根据表7中数据可以得到比能耗趋势如图14所示.表7 比能耗统计表Tab.7 Specific energy statistics table连接强度/kPa节理倾向节理倾角/(°)滚动力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)8逆正03.48114.17.63203.81105.29.05404.13126.38.17604.31124.18.68804.42125.78.79904.10117.68.72203.31107.47.70403.54120.37.36603.74117.87.94804. 26126.98.39200逆正05.37137.79.74204.78126.59.45405.38133.710.06604.66124.09.40804.96133 .29.31904.70130.59.00204.27131.18.14404.79135.58.84604.27125.98.48804. 58133.88.56由图14可知，在相同掘进参数下，正向节理倾角比能耗均低于逆向倾角比能耗.这是由于在逆向倾角下，滚刀运动方向与节理夹角大多呈钝角，主干裂纹将沿节理面向深处扩展.在正向倾角下，夹角多为锐角，滚刀挤压节理面产生破碎块，因而阻断主干裂纹的扩展.该结论与文献[17]中结论一致.在垂直90°倾角时，滚刀力一部分与节理面相互作用使岩石破碎，一部分沿节理面向岩石内部传递.90°节理倾角比能耗介于正向和逆向倾角比能耗之间.由表7中切削比能耗计算可知，正向倾角下节理岩体切削效率高于逆向倾角约12%．对低强度节理岩体，当节理倾角分别为20°、40°、60°和80°时，比能耗减少比例分别为18%、11%、9%和5%；对高强度节理岩体，减少比例分别为16%、14%、11%和9%，这是由岩体的连接强度所决定的.在低节理强度下，岩体连接强度小，使岩体容易破碎，所以低强度节理岩体受节理倾角影响较大；反之，高强度节理岩体强度受倾角影响较小.低节理强度岩体比能耗普遍低于高节理强度岩体，这说明低强度节理面阻隔了主干裂纹向岩体深处扩展，减少了滚刀做功的无效耗散，提高了破岩效率.相反，高强度节理面不易阻隔主干裂纹向岩体深处扩展，破岩效率不如低强度节理岩体高.整体上，正向倾角为20°对提高滚动切削高强度节理岩体的效率有利，正向倾角为40°时对提高滚动切削低强度节理岩体效率有利.节理角度/(°)(a)低强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(b)高强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(c)逆向倾角高、低强度岩体对比节理角度/(°)(d)正向倾角高、低强度岩体对比图14 比能耗与节理特征关系图Fig.14 Variation of specific energy with joint characteristics4 试验验证4.1 试验系统组成试验在盘形滚刀回转破岩试验台上进行.如图15(a)和图15(b)所示，试验台由回转机械主机、液压系统、控制系统和测试系统构成.测试系统由三向力传感器、低通滤波器、USB采集卡、工控机、高速摄像系统、LabVIEW系统组成.高速摄像系统可以捕捉到岩体表面起撬直到崩落的全过程(图15(c)和图15(d)).切削对象为混凝土(仿软岩)，混凝土的物理力学指标见表2，滚刀参数见表1.图15 TBM滚刀物理切削试验Fig.15 Experiment of rock breaking by TBM disc cutter4.2 滚刀受力分析试验试验通过改变切削速度及贯入度来观察滚刀的受力状况，进行2组试验分别记录滚刀滚压过程中所受的三向力和滚刀行程.第1组试验为恒定速度：贯入度分别采用4 mm和10 mm，切削速度为0.6 m/s.第2组试验为恒定贯入度：切削速度分别采用0.4 m/s和1.0 m/s，贯入度为6 mm.不同贯入度与切削速度下切削力变化情况如图16所示.4.3 切削力误差分析PFC2D基本结构是一个三维的圆柱体(圆柱体有厚度，但是不能在Z轴上移动，只能在X和Y轴移动、转动)，厚度定义为滚刀刀刃宽，仿真得到的滚刀力与物理试验测试的滚刀力之差别在于是否考虑滚刀两侧摩擦力.本文研究滚刀在较小贯入度下的切削，此时摩擦力影响较小.根据仿真与试验滚刀力的数据做出误差分析，如表8所示.可见贯入度较大时，因摩擦力引入的误差会增大，平均误差为16.44%.这说明仿真得到的滚动力较为贴近工程实际情况.同时证明数值模型与试验试样的宏观物理参数一致性较高.图16 不同贯入度与切削速度下切削力变化曲线Fig.16 Cutting force with different cutting depth and speeds表8 不同掘进参数下的误差分析Tab.8 Error analysis under different cutting parameters贯入度/mm速度/(m·s-1)滚动力/kN仿真值试验值误差/%法向力/kN仿真值试验值误差/%40.61.431.5910.06 9.889.940.60 100.64.583.4632.3715.6913.8213.53 60.42.521.7444.83 10.68.5823.54 61.02.712.813.5612.2312.613.015 结论1)无节理切削组中，贯入度从4 mm 提高到10 mm会增加主干裂纹深度和破碎面积，但裂纹深度和破碎面积的增长速率会逐渐降低，且比能耗相应增加96%.相对法向力，滚刀的滚动力对贯入度更加敏感.施工中不能盲目增加贯入度，以免损坏刀架.2)无节理切削组中，当切削速度从0.4 m/s 提高到1．0 m/s时，滚刀法向力增加。
不同刃型组合的TBM滚刀破岩数值模拟研究
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RC,切 向 与
法向载荷之比)和比能(
SE).
１ 数值模型及试验验证
１．
１ 数值模型构建
所建滚刀破岩模型如图 １ 所示,模型由 ３ 把直径
为 ４３２mm 的盘型滚刀和 １ 块长方体岩样组成.３ 把
滚刀以角速度 ω 绕各自局部坐标系的 x 轴自转,各滚
刀的局部坐标系与滚刀中心 p１、
p２ 和 p３ 固联,各把
的快速磨损和刃宽增大,其破岩效率急剧下降;与之
相比,
CCS 型 滚 刀 由 于 刃 宽 不 随 磨 损 发 生 明 显 变
收稿日期:
２０２０
Ｇ
０２
Ｇ
１０
作者简介:侯显俊(
１９８２
Ｇ),男,山西孝义人,高级工程师,从事施工项目管理工作.
TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究
TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究夏毅敏;吴元;郭金成;田彦朝;林赉贶;卞章括【摘要】为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟.仿真结果表明:张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低.最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)001【总页数】7页(P172-178)【关键词】TBM;边缘滚刀;破岩机理;裂纹扩展【作者】夏毅敏;吴元;郭金成;田彦朝;林赉贶;卞章括【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湖南华银能源技术有限公司,湖南长沙410001;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TD421全断面硬岩掘进机(TBM)通过刀盘在旋转过程中带动滚刀对岩石界面进行开挖[1]。
滚刀在破碎岩石的过程中承受很大荷载，强冲击，导致刀具消耗极大，据统计刀具的费用约占掘进施工总费用的1/3[2]。
滚刀结构与地质参数适应性决定了隧洞掘进效率与经济性，如何提高刀具寿命成为当前关注的焦点。
因此研究边缘滚刀破岩特性对于更深入地探究刀具磨损规律和提高刀具寿命有重要工程意义。
直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究
直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究程守业;谭昊;荆国业【摘要】盘型滚刀破岩参数关系到施工效率和成本.通过对北京房山地区花岗片麻岩进行新设计的385 mm单刃盘型滚刀破岩试验,研究该盘型滚刀最佳破岩参数.选用煤矿深井建设技术国家工程实验室的滚刀直线破岩模拟试验装置,运用多种传感器和伺服控制技术,对385 mm单刃盘形滚刀进行不同推力、扭矩和截距参数下的破岩试验.通过试验,得到盘形滚刀切入深度与推力、扭矩的关系;并得到不同截距下岩石的破碎量,计算单位体积破岩功,从而得到在特定岩石上的合理推力、扭矩参数,以及此单刃盘型滚刀在刀盘上的布置截距.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)008【总页数】4页(P20-22,27)【关键词】单刃盘型滚刀;滚刀截距;切入深度;单位体积破岩功【作者】程守业;谭昊;荆国业【作者单位】天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京【正文语种】中文【中图分类】U455.3+1随着各地地铁建设的发展，沉积层盾构施工已经得到广泛应用。
目前以岩石地层为主的城市轨道交通地下工程普遍采用钻爆法施工［1］。
钻爆法施工噪声和震动影响无法避免，且炸药管理风险高。
因此，采用机械化破岩方式能有效降低安全风险［2］。
目前滚刀破岩成本相对较高，影响了机械掘进在岩石地层地铁建设的推广，因此提高滚刀破岩效率，降低滚刀破岩成本有重要意义。
目前研究滚刀破岩效率和成本的试验方法主要包括科罗拉多矿业学院的直线破岩模拟（LCM）方法和挪威科技大学研究的钻进指数（DRI）方法。
其中，LCM方法主要是通过滚刀的直线破岩试验，从滚刀角度进行个体研究，再通过单一滚刀需要的推力和扭矩，设计整个刀盘的推力和扭矩参数。
而DRI法则是直接通过对掘进机施工的进度和现场的岩石条件进行记录，通过对先期数据的学习，来预测将要进行施工地区的推力和刀盘布置参数。
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告一、研究背景盘形滚刀破岩机是一种高效、快速、安全的用于岩石爆破和地下挖掘的机械设备，被广泛应用于隧道、地铁、矿山等工程领域。
然而，在实际应用中，盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标均受到材料的物理和力学性质的影响。
因此，对盘形滚刀破岩机理的研究和优化有着重要的意义。
二、研究目的本研究旨在通过试验和模拟方法，深入探究TBM盘形滚刀破岩机理，分析滚刀与岩石之间的物理相互作用，并优化破岩效率、破岩速度和破岩质量等指标。
三、研究内容1. 破岩机理分析：研究盘形滚刀的运动规律、破岩时的作用力与破岩岩石的反应力等机理问题。
2. 试验研究：通过搭建实验台架和破岩试验装置，分析盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标，并对试验结果进行数据处理和分析。
3. 模拟计算：建立基于有限元法的盘形滚刀破岩模型，模拟盘形滚刀在不同岩石中的破岩情况，分析破岩效果并优化滚刀结构设计。
四、研究方法1. 文献资料法：搜集、整理TBM盘形滚刀破岩相关文献资料，了解研究背景和现状，明晰研究目标。
2. 实验法：设计盘形滚刀破岩试验装置，选用不同材质的岩石进行实验，研究滚刀与岩石之间的物理相互作用，获得试验数据并进行分析。
3. 数值模拟法：借助有限元软件建立盘形滚刀破岩模型，采用数值模拟方法分析盘形滚刀在不同材料中的破岩情况，为优化滚刀设计提供依据。
五、研究意义本研究对TBM盘形滚刀破岩机理的深入探究和优化具有重要意义，不仅可以提高盘形滚刀破岩效率和质量，还可以为岩石爆破和地下挖掘工程的实际应用提供技术支撑和参考。
TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟
TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟程永亮【摘要】In order to study the rock fragmentation efficiency of TBM disc cutters and its optimal penetration, the finite elements theory was used and the extended Drucker-Prager nonlinear constitutive model was adopted as the rock constitutive model. Considering the damage failure criteria which includes deleting function unit, the process of double disc cutters' rock fragmentation was simulated in three-dimensional dynamic way to study the interaction between rocks and cutters. And the rotary cutting test bench was used to perform the experiment of double disc cutters' rock fragmentation to verify the rationality of the simulation results. The results show that at the penetration of 2.0 mm, the cutting forces of two disc cutters are almost the same. At the penetration of 10.0 mm, the cutting force of the first disc cutter is larger than that of the second disc cutter. Under certain stratum, there is an optimal penetration to make the specific energy consumption the lowest. At the penetration of 4.3 mm, rock cracks can interact with each other and complete fragments can be formed. At the same time, the specific energy consumption is the least. When the penetration is less than 4.3 mm, the cracks cannot intersect through the rocks and rock ridge is formed. When the penetration is larger than 4.3 mm, the rock is broken excessively.%为了研究TBM盘形滚刀的破岩效率及其最优贯入度,运用有限元单元理论,采用扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型作为岩石的本构模型,考虑包括单元删除功能的损伤失效准则,对双滚刀切削岩石的过程进行三维动态模拟,研究岩石与刀具相互作用特性.利用回转式切削实验台进行双滚刀破岩实验,验证结果的合理性.研究结果表明:当贯入度为2.0 mm时,2把滚刀的切削力基本相同;当贯入度为10.0 mm 时,前把滚刀的切削力大于后把滚刀的切削力;在特定地层下,存在1个最优贯入度,使得滚刀切削比能耗最低;当贯入度为4.3 mm时,岩石裂纹能相互交汇,形成完整的碎片,切削比能耗最小;当贯入度小于4.3 mm时,岩石不能产生贯穿裂纹,形成岩脊;当贯入度大于4.3 mm时,岩石过度破碎.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)004【总页数】8页(P936-943)【关键词】TBM;盘形滚刀;扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型;贯入度【作者】程永亮【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙,410083;中国铁建重工集团有限公司,湖南长沙,410100【正文语种】中文【中图分类】TU45;TP391.9全断面岩石掘进机(tunnel boring machine, TBM)是目前性能最好的隧道掘进专业工程机械，广泛应用于地铁、轨道交通、市政、水利水电、隧道等地下工程建设[1−3]。
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。
盘形滚刀作用下岩石应变计算方法的探讨_张照煌
⎟ ⎟ ⎟
⎟
∂Z ⎟
∂z
⎟⎠
(4)
则：
ε xx
=
∂X ∂ρ
∂ρ ∂x
+
∂X ∂θ
∂θ ∂x
(5)
将式(2)、式(3)代入式(5)，考虑 h 为常数， 故有：
ε xx = 0 ，
同理，有：
ε xy = 0 、 ε xz = 0 、 ε yy = 0 、 ε yz = 0 、 ε zz = 1 。
2.2 逐步切深下圆弧刃域破岩点位移和应变的确定 设盘形滚刀左侧接岩前锋点所在极径与 A 点所
dϕ ω
=
ϕ
∫
ρ
sin (θ
−ϕ)dϕ =
0
ρ[ cos (θ −ϕ) − cosθ ]
(10)
因此，当盘形滚刀做线性切槽破岩时，若忽略
形滚刀破岩理论及其施工领域的教学和科研工作(E-mail: zh_zhaohuang@)； 刘莎莎(1987―)，女，山东威海人，从事热能与动力工程专业(E-mail: lsslsjl@).
180
工程力学
勒认为该面积为一矩形面积。美国学者利文特 i 奥 兹 戴 米 (Levent Ozdemir) 、 拉 塞 尔 i 米 勒 (Russell Miller)和王逢旦(Wang Fun-Den)[3]等人于 1977 年、 华北电力大学茅承觉教授[4]等人于 1987 年分别对 盘形滚刀进行了压痕试验研究并建立了相应的试 验公式。近年来，国外研究人员凭借其完善的试验 研究条件，加大了全断面岩石掘进机盘形滚刀破验 理论的试验研究，如：Zhang Z X[5](2004 年)，Jafari M K、Pellet F、Boulon M、Hosseini K A[6](2004 年)， Zhang Z X、Kou S Q、Tan X C、Lindiqvist P-A[7](2003 年)和 Ribacchi R、Fazio A L[8](2005 年)等，但是这 些研究多集中在对实验数据的统计分析来探讨盘 形滚刀与岩石的相互作用规律，对盘形滚刀与岩石 的作用方式及其对岩石形变特点的影响，尚缺乏必 要的理论研究成果。根据我们的试验研究和观 察[9―11]，一定切深下(岩石发生跃进破碎前)，压痕 试验在盘形滚刀下方主要产生粉核体，只有些微的 小片状岩碴产生；盘形滚刀的线性切槽试验对岩石 的作用效果与其压痕试验基本相同，但岩碴片略有 增大，量也有所增加；盘形滚刀滚压岩石的圆槽试 验对岩石的作用效果与前两种效果基本相同，但片 状岩碴明显增大，量也明显增多。这些现象说明， 盘形滚刀破岩方式不同，岩石剥落机理也有差异。 基于这一试验现象，我们研究了盘形滚刀一次到达 某一切深和逐步到达某一切深及盘形滚刀线性切 槽时岩石位移和应变的计算理论和计算方法，导出 了相应的计算公式，从而为盘形滚刀作用下岩石形 变物理方程的建立提供了初步研究成果。
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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。
盘形滚刀破岩过程中,地质条件是极其复杂的,如围压、节理、岩溶等[1-3],这些地质因素对盘形滚刀破岩必然有较大的影响。
Chen L H等[4]通过实验研究得出了当围压达到一个临界值时,裂纹的扩展就会受到限制,且围压的改变对刀具的贯入力影响不大的结论。
张魁等[5]利用UDEC软件模拟了在不同围压的作用下盘形滚刀破岩过程,研究了围压和最优刀间距之间的关系。
Ma H S等[6]利用RFPA软件研究了不同围压对盘形滚刀破岩的影响,得到了围压的改变会改变裂纹扩展方向、有效裂纹长度等结论。
孙金山等[7]利用PFC2D软件研究了节理强度等对TBM滚刀破岩的影响,得到了较好的结论。
Bejari H等[8]利用UDEC软件研究了节理间距和节理倾角对单刀破岩的影响,研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率,节理倾角在25°～30°时最有利于刀具破岩。
刘红岩等[9]通过实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响。
Ghazvinian A等[10]通过实验研究表明岩石的强度随围压增大而增大,岩石强度随节理倾角的增大先增大后减小,其中节理倾角为45°时岩石强度最小。
这些研究成果对于研究不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩具有很大的参考价值。
在此基础上,本文借助于PFC2D离散元软件对在不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩进行了数值模拟,研究围压和节理特征对盘形滚刀破岩的影响,为数值模拟技术在刀具破岩研究中的应用提供参考。
1.1 岩石试样宏细观参数的确定锦屏二级水电站地层中主要以大理岩和花岗岩等硬岩为主,这类硬岩石单轴抗压强度普遍在100 MPa左右,属于较高强度岩石地层,选择该地层的某一硬岩为研究对象,其岩石试样的宏观力学参数见表1。
岩石试样的细观力学参数一般是通过模拟单轴压缩、巴西劈裂和直剪等数值实验进行反复标定,不断去匹配岩石试样的宏观力学参数得到的。
设定岩石试样数值模型的最大和最小颗粒半径之比为1.66,颗粒的最小半径取0.8 mm;颗粒密度ρ= 3375 kg/m3,由于岩石试样存在空隙率,所以颗粒密度大于岩石试样的宏观密度;选用接触黏结模型[11]来模拟颗粒之间的接触方式。
单轴压缩数值试验岩石试样尺寸为100 mm×50 mm,如图1(a)所示,上下两道墙体为加载压盘模拟压缩实验时用的加载板,赋予上下墙一定的速度来给试样进行加载;巴西劈裂数值试验岩石试样的直径为50 mm,如图1(b)所示,通过给两侧墙一个缓慢的速度来给圆盘加载,直至圆盘发生破裂;直剪数值试验尺寸为100 mm×100 mm,如图1(c)所示,通过伺服加压程序给上下墙体施加不同恒定的正应力,下剪切盒固定,上剪切盒以恒定的速度进行剪切。
经过上述不断标定选取合适的细观参数可得到岩石试样在PFC2D中的细观参数见表2。
1.2 岩石试样节理参数的确定在PFC2D软件中,节理是在先生成岩石试样以后再通过jset命令设置的。
通过定位设置指定某一平面两侧的颗粒间的接触处,将此接触处两侧的颗粒接触强度以及摩擦因数重新设定,即可在岩石试样中形成节理。
为了研究节理力学特性,通过PFC2D内置FISH语言建立直剪数值试验模型。
节理直剪试验模型如图2所示,由刚性墙体组成上下2个剪切盒,其中位于下方的剪切盒固定,位于上方的剪切盒可以按照设定的速度向左移动,对试样进行剪切。
模型试样的上下墙通过伺服加压程序,可以设定不同的正应力,如图2所示的上下墙上的箭头。
试验时记录剪切过程中的剪切应力和剪切位移。
模型所剪岩石试样尺寸为100 mm×100 mm,在其中间位置水平方向设置一连通节理。
岩石试样采用的细观参数见表2,通过jset命令生成节理后,节理处颗粒的细观参数被重新赋值,其中节理处颗粒的黏结强度取50 kPa,摩擦因数取0.15。
在不同的法向应力作用下进行数值直剪数值试验,得到剪切应力与剪切位移的关系,如图3所示。
提取数值直剪试验中得到的峰值剪切应力,可得其与法向应力的关系,当法向应力为0.1,1.0,1.5, 2.0,2.5 MPa时,峰值剪切应力分别为9.05,9.62, 10.2,10.8,11.4MPa,并根据上面的数据拟合得其关系如图4所示。
从图中可知该节理的黏聚力和内摩擦角分别为8.45 MPa和50°。
1.3 盘形滚刀破岩模型盘形滚刀在破岩过程中,一方面由于切向摩擦力的作用,盘形滚刀绕自身中心自转,另一方面盘形滚刀受法向推力侵入岩体,沿法向方向不断贯入。
而就裂纹的产生和扩展而言,主要是由法向推力主导的。
本文主要研究法向推力对破岩的影响,从而将三维的滚压问题简化为二维的侵入问题。
苏利军等[12-14]通过研究表明将盘形滚刀破岩过程简化成二维平面问题是可行的。
如图5所示岩石试样尺寸为300 mm×160 mm,赋予表2细观参数后随机生成,模型生成后赋予上述节理细观参数产生节理。
岩石试样中节理倾角定义为节理与x轴的夹角α,节理间距定义为两节理之间的法向长度s。
盘形滚刀刀刃宽度为10 mm,过渡圆弧半径为4 mm,刀刃角为20°,盘形滚刀由墙构成,由于只研究盘形滚刀对岩石破坏的影响而不研究其他因素对盘形滚刀的影响,所以将盘形滚刀看作刚体,破岩过程中不发生变形。
盘形滚刀在破岩过程中,岩石试样处于围压的环境下(图5中左右两侧的箭头代表围压),盘形滚刀与岩石试样的接触处周围是自由无约束的,即岩石试样上侧为自由面,而岩石试样的左右两侧受围压,下侧为非自由面,由固定墙限制。
围压通过伺服加压程序控制左右两侧墙来实现。
通过赋于两侧墙围压后,再赋予盘形滚刀恒定的贯入速度,盘形滚刀开始向下运动,逐渐贯入岩石试样,模拟不同围压、节理特性下的盘形滚刀破岩过程。
工程中随着掘进的进行,掘进工作面为自由面,其初始地应力得到了某些释放,并且主应力的方向和大小都会发生一定的改变,但为了便于分析将其简化为围压不随滚刀的贯入而改变,因此依据TBM所处掘进地层可能存在的原岩应力范围,分别赋予岩石试样的围压值为1,25, 50 MPa三种情况,且定义1 MPa为低围压,25 MPa为中围压,50 MPa为高围压。
自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂,同时盘形滚刀与节理的相对位置也不断发生着变化,因此须对实际问题进行必要的简化,则假定岩石试样中只存在一组规则布置的节理,分别赋予节理倾角为0°,15°,30°,45°,60°,75°, 90°,节理间距为40,60,80 mm等不同的节理特征。
依据上述所赋参数值,进行数值仿真。
由上述可知设定每1种节理间距下对应3种围压值,每1种围压对应7种节理倾角,一共63组的数值仿真实验。
赋予节理间距、围压、节理倾角不同值后,进行PFC2D数值仿真,可得到63组不同情况下,贯入度为10 mm时的破碎模式、裂纹数、破碎功W、破碎体积V、比能耗E,从而得到表3(由于篇幅原因,只列出2种节理间距和4种节理倾角的数据)。
依据文献[15-16]可知式中,F为盘形滚刀破岩过程中所受的y方向平均力;W为破岩过程中所消耗的能量;L为贯入度;V为破碎体积,V=St,S为破碎面积之和,是通过裂纹的扩展形式和扩展程度来测量的,t为单位厚度。
2.1 破碎模式由表3可知,盘形滚刀破岩过程中,随着围压、节理间距、节理倾角的改变,对应的破碎模式发生了变化。
破碎模式是根据裂纹的扩展形式来描叙的。
图6是贯入度为10 mm时对应表3中不同围压和节理特征的盘形滚刀破岩状态。
为了便于说明各图之间的关系,定义a#b#c,其中a表示围压值,b表示节理间距,c表示节理倾角,如25#40#60表示围压为25 MPa,节理间距为40 mm,节理倾角为60°。
通过对贯入度为10 mm时对应的破岩状态图观察可归纳出以下几种破碎模式:①节理阻隔破碎模式。
该破碎模式是指节理对裂纹的扩展起到阻隔作用,不能使裂纹向岩石试样深部扩展,而直接在节理处被阻隔,同时裂纹会在节理面中产生,进而造成裂纹的纵向长度相对较小,如图6(e),(m)所示。
在图6(e)中随着盘形滚刀侵入岩石试样,在滚刀下面形成密实核,产生微裂纹,滚刀继续侵入,密实核逐渐增大,进而产生主裂纹,主裂纹随着滚刀的侵入不断向岩石试样内部扩展,直到节理面附近后,裂纹不再向下扩展而是在节理面附近扩展,这说明该节理阻隔了裂纹的扩展。