复合地层TBM滚刀破岩机理的数值模拟研究

发布时间：2017-10-14 22:21

  本文关键词：复合地层TBM滚刀破岩机理的数值模拟研究

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【摘要】：随着经济建设和城市化建设的高速发展,对各种资源的需求量不断增加,地下工程和基础建设的范围不断拓宽,TBM施工中越来越多的遇到复合地层。作为自动化程度较高的施工手段,TBM施工法在复合地层中相较于传统的岩爆法施工,依然具有高效经济安全等诸多优点,然而复合地层施工中出现的众多问题显示了TBM施工法在复合地层中的不成熟。目前大多数的滚刀破岩研究都是针对均质地层的,对复合地层中的滚刀破岩机制认识不够成为限制该方法发展的重要瓶颈。本文基于离散元软件,对复合地层中的盘形滚刀破岩机理进行了研究,主要研究内容如下:(1)通过查阅大量文献,对国内外学者关于滚刀破岩理论研究的手段、方法和理论成果进行了归纳总结。基于离散单元法,建立了滚刀破岩的三维数值模型,模拟了单滚刀和双滚刀作用下的岩石破碎过程,验证了数值模拟的可行性和合理性。(2)模拟了均质地层中不同地质参数下的双滚刀破岩过程,研究了不同节理参数、围压和岩体强度对滚刀破岩模式、裂纹模式和破岩效率以及最优刀间距的影响,结果表明:节理参数会影响岩体的破碎模式,节理引导裂纹向内部发展,阻隔了裂纹向下一节理面的贯通,在30°—60°的范围,侧向裂纹较难贯通。不同的节理参数下,根据节理倾角和节理间距的组合存在最优刀间距。围压和岩体强度对破岩模式的影响不大,但是会影响裂纹的发展方向和扩展能力。围压和岩体强度越大,从能耗的角度来讲,破岩效率越低。(3)模拟了复合地层中不同地质参数下的双滚刀破岩过程,研究了不同节理参数、围压和岩体强度跟复合地层中的滚刀受力、裂纹发展、破碎模式和破岩效率的关系。结果表明:复合地层中存在不均匀破碎,硬岩的破岩效率要低于软岩,软岩的破碎体积大,容易“脱空”,造成偏磨。节理参数对破岩模式影响较大,节理偏向软岩TBM效率较高,且节理越密集,破岩越容易。围压对破岩模式影响不大,对裂纹的影响跟均质地层一样,且硬岩受影响更明显。节理间距和围压较小时,复合地层的最优刀间距趋于一致。本文的创新点主要有以下几点:利用离散单元法建立了滚刀破岩的三维模型,对不同地质因素下的双滚刀作用机理进行了深入分析,研究了复合地层中的滚刀破岩特性。
【关键词】：复合地层 滚刀破岩 地质因素 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-13
• 主要符号13-14
• 1 绪论14-26
• 1.1 选题背景与来源14-16
• 1.2 TBM破岩机理及影响因素的国内外研究现状16-22
• 1.2.1 TBM破岩理论研究现状16-19
• 1.2.2 TBM破岩试验研究现状19-20
• 1.2.3 TBM破岩数值模拟研究现状20-21
• 1.2.4 存在的问题21-22
• 1.3 课题研究目的及意义22-23
• 1.4 研究的主要内容23-26
• 2 复合地层破岩分析理论26-48
• 2.1 岩石的强度准则26-27
• 2.2 岩石中的应力分布27-28
• 2.3 岩石破碎理论28-31
• 2.3.1 滚刀受力分析28
• 2.3.2 破岩理论28-31
• 2.3.3 滚刀破岩的力-位移曲线31
• 2.4 破岩效率影响因素31-32
• 2.5 离散元方法介绍32-44
• 2.5.1 离散单元法的历史及发展33-34
• 2.5.2 离散单元法的基本原理34-35
• 2.5.3 离散单元法的基本要素35-37
• 2.5.4 离散单元法的接触判断37-39
• 2.5.5 离散单元法的基本方程39-41
• 2.5.6 离散单元法的计算机实施41-44
• 2.6 3DEC的本构方程44-48
• 3 均匀地层中的TBM破岩机制48-76
• 3.1 建立模型48-51
• 3.1.1 相关因素简化48-49
• 3.1.2 数值模型49-51
• 3.2 滚刀破岩过程的数值模拟51-56
• 3.2.1 单滚刀下裂纹的扩展51-53
• 3.2.2 双滚刀下岩片的形成53-56
• 3.3 节理对滚刀破岩的影响56-67
• 3.3.1 节理倾角对滚刀破岩的影响56-61
• 3.3.2 节理间距对滚刀破岩的影响61-67
• 3.4 岩石强度对滚刀破岩的影响67-70
• 3.4.1 不同强度下的破岩分析67-69
• 3.4.2 不同强度岩体的裂纹分析69-70
• 3.4.3 不同强度下的最优刀间距70
• 3.5 围压对滚刀破岩的影响70-75
• 3.5.1 围压对破岩模式的影响71-72
• 3.5.2 围压对裂纹扩展的影响72-73
• 3.5.3 围压对最优刀间距的影响73-75
• 3.6 本章小结75-76
• 4 复合地层中的TBM破岩机制76-114
• 4.1 复合地层介绍76-80
• 4.1.1 复合地层的定义及分类76-78
• 4.1.2 建立模型78-80
• 4.2 复合地层中TBM破岩分析80-86
• 4.2.1 软硬混合地层的破岩分析81-84
• 4.2.2 软硬地层滚刀间距分析84-86
• 4.3 包含节理的复合地层破岩分析86-100
• 4.3.1 节理间距对复合地层的破岩影响86-92
• 4.3.2 节理方向对复合地层的破岩影响92-100
• 4.4 地应力对复合地层破岩影响100-106
• 4.5 滚刀磨损分析及建议106-112
• 4.5.1 滚刀磨损的分析107-109
• 4.5.2 影响滚刀磨损的因素109-111
• 4.5.3 滚刀磨损建议111-112
• 4.6 本章小结112-114
• 5 结论与展望114-118
• 5.1 论文的主要工作和结论114-115
• 5.2 本文主要创新点115
• 5.3 不足与展望115-118
• 致谢118-120
• 参考文献120-126

【参考文献】

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中国硕士学位论文全文数据库 前7条

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本文编号：1033497