双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

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.     

断续节理岩体的TBM滚刀破岩机理研究

为了推广全断面隧道掘进机(TBM)在节理发育地层中的应用,研究断续节理地质条件下TBM滚刀的破岩过程、破岩模式及效率具有重要意义。采用一种新的无网格数值模拟方法即广义粒子动力学(GPD)法,研究断续节理倾角的变化对滚刀破岩模式及效率的影响。结果表明:对含单根断续节理的岩体,节理尖端越靠近加载面,同时越靠近滚刀加载位置时,节理对中央裂纹和破岩深度的抑制作用越大;断续节理倾角对破岩效率的影响不同于连续节理,滚刀切入率P75°P0°P90°P30°P60°P45°P15°,即按照此顺序破岩难度逐渐减小。     

复合岩体的TBM破岩机理数值模拟

为了指导TBM刀盘刀具的研制和不同地质条件下刀盘刀具的选型,TBM破岩机理的研究成为核心。在TBM滚刀的作用下,岩体中裂纹的生成、扩展和连接规律是深刻理解TBM破岩机理的前提,因此,TBM滚刀破岩机理的研究具有重要的工程应用价值。目前,TBM滚刀破岩机理的研究主要集中在单一岩体中,但在TBM施工过程中会遇到各种复杂的地质条件。笔者采用离散元方法,研究了复合岩体的破岩机理,复合岩体中岩片的形成不同于单一岩体,其裂纹的最终连接是由起裂于复合岩体交界面上的微裂纹的扩展,将两滚刀之间的赫兹裂纹连接,最终形成岩片。因此,在一定情况下复合岩体更有利于TBM隧道施工。     

预切缝对滚刀破岩裂纹扩展的影响规律研究

针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重等问题,许多新型辅助破岩方法被提出,如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理,采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面(侧置式)和滚刀前面(前置式)两种辅助破岩仿真模型,探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明：1）侧置式模型中预切缝主要影响裂纹的拓展,诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展,前置式模型中预切缝主要影响裂纹的萌生起裂,在贯入初期只产生侧向裂纹,并促使侧向裂纹向两侧扩展;2）滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小,但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大,裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小;3）同等条件下,侧置式模型的破岩效率要高于前置式模型,但前置式模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式中的滚刀垂直力,可通过进一步增加前置式模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝的辅助作用;4）滚刀贯入度一定时,侧置式模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况,而前置式模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。     

安装参数与掘进参数对滚刀破岩阻力的影响

为获得不同切削顺序下盘形滚刀安装参数与掘进参数对其破岩阻力的影响,通过建立多滚刀破岩数值模型,研究不同切削顺序下滚刀贯入度、刀间距、安装半径与刀盘转速等参数对滚刀破岩阻力的影响规律,采用多因素正交实验法分析各因素对破岩阻力的影响显著性,并通过滚刀破岩试验验证数值分析结果的正确性.研究结果表明：滚刀破岩阻力总体上随贯入度、切削速度、刀间距与安装半径的增加而增大;不同切削顺序下,滚刀破岩阻力各不相同,其差异性随贯入度增加以及刀间距减小而逐渐增大;3种不同切削顺序下,贯入度对滚刀破岩阻力影响均为非常显著,刀盘转速和滚刀安装半径对破岩阻力影响较小,刀间距对破岩阻力的影响随切削顺序变化而有明显差异,破岩试验结果与仿真基本一致.     

爆炸荷载下岩体破裂影响因素研究

为研究岩体在爆炸荷载作用下裂纹扩展的影响因素,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对砂岩爆破裂纹扩展机理进行数值模拟,并考察地应力、自由面和节理等因素对爆破裂纹扩展的影响。结果表明:爆生气体与应力波联合作用下的裂隙区半径是应力波单独作用下裂隙区半径的1.85倍,爆生气体的存在使破岩过程更为有效;当侧压系数不变时,随着初始应力的增加,裂隙区扩展半径减小;自由面产生的反射拉伸应力波导致平行于自由面的裂纹产生;自由面与节理平行或垂直对爆破裂纹的分布有很大影响。研究成果可为中硬岩的爆破开挖工程提供参考。     

含一组贯通节理岩体强度的各向异性分析

节理岩体是一种连续和非连续介质共存的地质体,其强度具有显著的各向异性,为了研究岩体强度的各向异性特征,基于能统一处理连续和非连续问题的数值流形方法(NMM),编制弹塑性NMM计算程序,并对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟.计算结果表明:当节理倾角较小岩体不沿节理滑移破坏时,岩体强度仍会受到节理的削弱而降低;岩体强度-节理倾角曲线呈现出非对称的"勺形";岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数变化规律;节理间距对岩体强度的影响具有各向异性;岩体强度的各向异性随着围压增大而减弱.通过对数值计算结果进行回归分析,基于新的节理分布参数,提出适用于含一组贯通节理岩体的强度预测模型.该模型综合考虑了节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响,可更好地为地下工程提供技术支持.     

不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究

为了提高TBM刀具在不同地质工况下的适应能力以及破岩效率,针对岩土介质在刀具载荷作用下呈现的复杂应力场,考虑岩土介质的裂隙、节理及围压的耦合作用,基于离散元法,依次建立了单一特定地层下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的2D离散单元模型,观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切割顺序下微裂纹的演化过程,并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则的不同,归纳出TBM刀具切割岩土时12种不同典型破碎形式,最终获得了破碎模式与具体工况的对应关系。通过分析比较可知,大部分破碎形态与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。     

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.     

围压对节理岩体变形破坏行为的影响（英文）

节理岩体的力学特性对于工程岩体的安全至关重要。为了更好的掌握节理岩体的变形破坏规律,采用离散元程序对不同围压作用下的断续节理岩体进行了模拟实验研究。首先,以室内试验数据为基础,标定了能够反映节理试件宏观力学行为和变形破坏特征的数值模型细观参数。然后,研究了节理倾角和围压对节理试样应力应变曲线、破裂模式和接触力分布的影响规律。结果表明：试件的抗压强度和弹性模量随围压的增加而增加,随节理组倾角的增加呈现出先减小后增大的变化趋势;不同节理组倾角下试件的强度和弹性模量对围压的敏感性不同,其中节理组倾角为90°时影响最小;在低围压下,试样的破坏模式由节理组倾角控制;随着围压的增大,拉裂缝的萌生和扩展逐渐受到抑制,破坏模式由拉破坏向剪切-压缩破坏转变。最后,进一步探讨了预应力锚固支护对工程裂隙岩体的加固作用。     

节理分布对岩体破坏影响的数值模拟研究

为研究含断续节理岩体的宏观破坏过程和特征，采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，分析了断续节理岩体中裂纹的产生、扩展机理与过程．结果表明，当节理倾角从30°，45°到60°时，岩体强度从小到大增加，并且破坏前期的声发射现象增强、变形增大；随着节理密度的增大，裂纹的产生从互不影响到相互抑制，裂纹扩展长度减小；中间节理受压剪作用很快与相邻节理贯通导致节理岩体破坏．据此，明确界定断续节理产生贯通破坏的范围就是围岩破裂区．     

岩体结构影响下覆岩冒落及地表岩移特征研究

采用数值方法对岩体结构影响下覆岩冒落及地表岩移特征进行了研究.采矿过程中,覆岩冒落呈现缓慢-快速周期性发展;地表岩移发展主要由急倾斜节理控制,总体上以横向扩展为主;开采区域内岩移发展受断层的影响大于节理的影响,断层倾角的减小将增加其上盘岩体的弱化效应,可能导致岩体发生倾倒破坏,增加地表岩移范围.     

类岩石裂隙扩展多因素影响研究

岩体强度是影响岩体工程安全的重要因素,其会因多种因素的改变而变化,研究不同因素对裂隙扩展的影响,可以获得不同因素对岩体强度影响规律,为保证岩体工程的安全和稳定提供参考依据。文章主要考虑节理位置、围压和温度对岩体破裂过程的影响,通过室内试验分析节理位置对岩体裂隙扩展规律的影响,研究围压的改变对岩体峰值强度和破裂形态的作用,通过加卸载试验定性分析了洞室开挖掌子面的卸荷效应,并对4种较低温度和3种超高温度下岩体的裂隙扩展形态和规律进行了研究。结果表明:节理位于试件端部时,以翼裂纹扩展为主、次生裂隙扩展为辅,主要产生张拉裂纹,而节理位于试件中间时,主要产生剪切裂纹;围压的增加会提高岩体的强度,抑制裂纹的扩展,岩体卸载容易产生劈裂破坏;温度能够降低岩体的强度,超高温条件下,岩体易产生炸裂。     

TBM盘形滚刀切削饱水岩石试验研究

为了研究不同类型(软岩-硬岩,高孔隙率-低孔隙率)岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的切削特性,选用砂岩、花岗岩、板岩、石灰华、混凝土5种岩石开展干燥条件与饱水条件下的滚刀切削破碎试验和破碎块筛分实验,并利用三向力传感器对侵入过程中的侵入力进行测定.对比分析滚刀切削过程的侵入力-侵深曲线、破碎块特征以及破碎比能耗等规律.试验结果表明:饱水后岩石强度下降6%~27%;饱水后岩石侵入系数较干燥条件下的降幅与岩石吸水率呈正相关性,Pearson相关系数为0.957;混凝土和石灰华干燥条件下瞬间破碎,而在饱水条件下抑制了裂纹的扩展;饱水后岩石破碎块度增大,硬岩在饱水后的破岩量下降,软岩破岩量增加;饱水后硬岩破碎的比能耗下降明显,平均下降37.8%,软岩的破碎比能耗上升,其中混凝土饱水后比能耗升高20%,石灰华升高81.6%.     

不同模式下 TBM 刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6．5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。     

断续节理介质爆生裂纹扩展的动焦散实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟断续节理岩体断裂爆破过程,进行了有机玻璃（PMMA）模型透射式动态焦散线实验,研究了无充填和充填断续节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展的机理．结果表明：切缝药包爆炸应力波到达无充填断续节理面后,在节理的两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展,最长达2．5cm,翼裂纹尖端复合应力强度因子呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,裂纹扩展速度和加速度变化趋势与应力强度因子变化类似;爆炸应力波到达充填断续节理面后,同样在节理两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹向两侧偏移很大,翼裂纹最长达4cm,翼裂纹尖端应力强度因子KI^d呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,动态应力强度因子K☆则呈由大变小连续振荡变化的趋势,而且翼裂纹扩展过程中具有起裂时间早、裂纹扩展速度和加速度峰值大的特征．     

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.     

基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明：节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.