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.     

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.     

节理岩体裂隙扩展及能量耗散规律研究

在工程扰动作用下,岩体内部出现的节理、断层等弱结构面严重影响工程的安全稳定,研究此类岩体的破坏规律对于保证工程顺利施工具有重要的理论价值.文章开展了不同工况下单节理砂岩试样围压卸压的数值模拟试验,研究相同轴压、不同围压条件下卸单面围压的裂隙扩展规律,并建立了含节理隧道复杂三维力学模型,分析能量耗散规律.结果表明:试样在...     

基于RFPA~(2D)的岩石裂纹扩展模式的研究

运用岩石破裂过程分析软件——RFPA2D,通过对岩石试样中预置一组裂纹,研究了裂纹几何分布(不同裂纹倾角、不同岩桥倾角)及围压条件对裂纹扩展模式的影响。数值模拟再现了非均匀岩石介质中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。结果表明:1)预置裂纹的几何分布对裂纹贯通机制有显著影响。2)随着裂纹倾角的增大,试样的平均峰值强度明显增加,当裂纹倾角较大(75°左右)时,峰值强度接近无预置裂纹试样。3)随着围压的增大,剪破裂明显增多,剪裂纹对扩展模式起主导作用。在高围压条件下,试样的破裂形式与在低围压下显著不同,且与均质试样的破裂形式也有显著不同。     

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。     

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

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。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分为两个典型阶段,两种滚刀在受力以及裂纹数目上存在差异;随节理特征的改变,节理对两种滚刀作用下的裂纹扩展呈引导和阻隔效应,节理间距超过80 mm后,双刃滚刀作用下的裂纹扩展依然受到节理的控制;依据两种滚刀破岩产生的岩碴方式分为常规破岩和节理面协同破岩两种形式;单刃滚刀作用下岩体内部的应力分布随节理倾角变化而偏转,双刃滚刀作用下的应力分布随节理倾角变化影响不大;两种滚刀破岩效率随节理特征改变而改变,当刀间距合适时,双刃滚刀相比单刃滚刀破岩效率要高;双刃滚刀侵入节理岩体存在一个最优刀间距使得破岩效率最高,最优刀间距随节理倾角增加先增大后减小。     

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。     

非连通预制节理试件力学特性试验研究

为了研究节理几何特征的变化对岩石力学特性的影响,设计了具有不同节理连通率和不同节理倾角的试件,通过常规三轴压缩试验,分析了围压、节理倾角和节理连通率对试件强度以及变形和破坏特征的影响。岩样破坏形态分为穿越节理面的压剪破坏、沿节理面剪切滑动和节理端点处拉裂的混合破坏、完全沿节理面的剪切破坏。结果表明:围压、节理几何参数对试样的力学特性产生了不同程度的影响。通过节理参数的敏感性分析可以得出,节理倾角对试件强度的影响较节理连通率更为显著,节理连通率与破坏形态之间联系更为密切,围压对于试件承载力和变形参数值波动的影响较为明显。研究成果对认识非贯通节理岩体的力学特性有一定的参考作用。     

真实水压力下砂岩强度及破坏形式的试验研究

岩石在高水压条件下的强度和变形破坏方式对深埋、高水压下隧洞及地下开采极为重要。采用MTS和“YSL-200”对砂岩进行了常规单轴试验和不同压力水环境中的压缩试验,分析了真实水压力对饱和砂岩的抗压强度和破坏形式的影响,并探讨了孔隙水压力与水围压力对岩石强度的作用。试验结果表明：饱和砂岩在真实水压力环境中呈现“X型”剪切破坏,水压力在岩石进入裂纹扩展区时加速岩石破坏的作用效果明显;压力水可以通过扩展的裂纹渗入到岩石内部,增大岩石的含水率,影响岩石内部的孔隙水压力;当水压力较低时,水围压作用大于孔隙水压力作用,水压力对岩石的强度为增强效应,当水压力较高时,孔隙水压力作用与水围压作用抵消,岩石强度与饱和单轴抗压强度相近     

基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

通过对江西某矿区岩样进行岩石力学试验,得到岩石试件的力学参数,利用Hoek-Brown法估算岩体力学参数。基于分形理论,结合Monte Carlo方法生成节理岩体平面网络图,以岩体网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件,采用离散元软件UDEC开展节理岩体抗压强度的数值实验。结果表明：选取角度、围压相同时,随着岩体尺寸的增大,节理岩体各向异性减弱,抗压强度呈非线性减小趋势,并趋向于某一定值,可拟合为负指数变化关系;围压、尺寸相同时,随着选取角度的增大,节理岩体抗压强度呈微幅波动趋势,这应与节理分布的分形特性有关。取样角度（所截取的岩体试件与水平方向的夹角）为60°时,抗压强度值略高,节理岩体尺寸效应与围压效应也较为明显;选取角度、尺寸相同时,随着围压的增大,岩体各向异性减弱,抗压强度呈线性增大趋势。