基于空腔膨胀理论的TBM滚刀破岩模型研究

发布时间：2021-08-31 08:13

　　确定岩石隧道掘进机滚刀破岩过程中岩石力学响应分区是研究滚刀-岩石相互作用过程的基础,也是建立滚刀破岩力计算模型的关键。基于空腔膨胀理论,分析滚刀贯入过程中岩石力学响应过程和分区,建立滚刀破岩过程空腔膨胀模型。在此基础上通过理论推导得到各响应分区力学形成机理和尺寸信息,并分析各响应分区在不同破岩条件下的变化规律。结果表明:在滚刀贯入过程中,岩石可以划分为5个响应分区:处于静水压力状态的密实核区、压剪破坏占据主导地位的破碎区、拉伸破坏控制的径向裂纹区、弹性区和未扰动区。岩石强度和围压是影响破岩效果的重要因素。随着岩石单轴抗压强度的增加,径向裂纹区和弹性区尺寸近似线性增加,破碎区尺寸基本保持不变。随着围压的增加,径向裂纹区和弹性区尺寸迅速减小,破碎区尺寸则不受影响。 

【文章来源】：武汉大学学报(工学版). 2020,53(07)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

楔刀贯入过程中的空腔膨胀模型[4]

大量室内实验[3-6]和数值模拟[1,2,7-9]证实机械破岩过程一般可以简化为二维贯入问题，即楔形压头或者其他形状压头以一定的深度垂直贯入岩石表面。Marsh D M[10]和Johnson K L[11]采用空腔膨胀模型模拟半空间无限体表面弹塑性贯入过程，假定核心区外部的应力和位移沿径向对称分布，密实核边界上质点径向位移适应被压头取代的材料体积。Huang H[12]和Detournay E等[13]总结了空腔膨胀模型，并将其用于描述压敏型Mohr-Coulomb材料贯入问题。然而，因为采用的是弹塑性分析过程，空腔膨胀理论或多或少都可以被认为是一种连续分析模型，大多数情况下研究人员仅关注塑性区的发展和弹塑性边界的半径，而非随后的裂纹萌生和扩展过程。结合断裂力学理论，Chen Lihsien等[5]指出，当钝形压头贯入岩石时，岩石表面以下变形区域可分为3个响应分区：1）由被压碎材料组成的核状区域；2）塑性损伤区域；3）完整岩石弹性区域。核心区和损伤区尺寸会随着贯入度增加而增大，当储存在其中的应变能达到临界值时，在弹塑性区域交界面上会出现沿贯入轴线方向向岩石内部扩展的中间裂纹，这将导致岩石被压碎和破坏。结合改进能量准则，Tan X C等[1]采用位移不连续方法，模拟贯入过程中裂纹萌生发展和岩石起裂过程，发现裂纹在空腔区域两侧边界上萌生，然后可能向岩石内部扩展形成内部裂纹使得岩石性质劣化，也可能向岩石表面扩展形成侧向裂纹使得岩石片起剥落。图2 楔刀贯入过程中的空腔膨胀模型[4]

CCS滚刀贯入过程中的空腔膨胀模型

【参考文献】：
期刊论文
[1]TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究[J]. 谭青,易念恩,夏毅敏,徐孜军,朱逸,宋军华.  岩石力学与工程学报. 2012(12)
[2]基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究[J]. 莫振泽,李海波,周青春,何恩光,邹飞,朱小明,赵羽.  岩土力学. 2012(04)
[3]TBM滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究[J]. 孙金山,陈明,陈保国,卢文波,周传波.  岩土力学. 2011(06)
[4]岩体贯切破坏在不同侧向自由边界的声发射演化[J]. 陈立宪,黄国忠,陈尧中.  岩石力学与工程学报. 2009(12)
[5]基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究[J]. 苏利军,孙金山,卢文波.  岩土力学. 2009(09)



本文编号：3374548