全断面隧道掘进机滚刀破岩尺寸效应离散元分析

为了给室内模型试验或数值模拟试验提供直接的指导及实际工程间接的参考,将基于微观胶结试验得到的合理的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟了不同试样尺寸滚刀破岩过程并分析了各因素对滚刀破岩过程的影响.结果表明,不同试样尺寸滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系均可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;室内模型试验中,滚刀刃宽与岩石试样宽度的比值(相对比值)存在一个临界值,当试验中选取的相对比值小于该临界值时,可以减小试验过程中的边界效应.     

不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角?分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低。     

TBM滚刀动、静载荷组合破岩数值模拟

在对TBM破岩实际工况的合理简化基础上,采用颗粒流软件建立动、静载荷组合破岩数值模型,从微观裂纹发育与宏观损伤断裂角度出发,研究动、静载荷作用下单滚刀破岩特性。研究结果表明:在不同频率及速度振幅动、静载荷作用下,TBM滚刀切削扩展模型与钝刀切削扩展模型相类似,主要差异体现在密实核与损伤区域面积和宏观裂纹发育之上;在多数情况下,动、静组合加载有利于剪切微裂纹的发育而不利于张拉微裂纹发育;动、静载荷会在一定程度上增大密实核与损伤区域面积;中低频时,中间裂纹长度与频率成正比,而高频时中间裂纹长度与频率成反比,高频不利于中间裂纹发育;当频率小于等于2 Hz时,中间裂纹发育与速度振幅成正比,而当频率高于2 Hz时,利于中间裂纹发育的速度振幅为0.4 mm/s;低频大速度振幅加载有利于侧向裂纹发育,高频大速度振幅加载不利于侧向裂纹发育。     

新型扭剪型单边高强度螺栓的参数分析

通过轴向拉伸静力试验,研究套筒类型、螺栓头锥度等设计参数对新型扭剪型单边高强度螺栓抗拉承载力的影响.结果表明,新型扭剪型单边螺栓共呈现出4种破坏形态:安装时套筒拉脱、加载过程中套筒拉脱、加载过程中套筒剪断和安装时套筒剪断.在套筒类型相同的情况下,随着锥形螺栓头锥度增加,单边螺栓承载力降低;分体式套筒比一体式套筒具有更大的强度优势.新型扭剪型单边螺栓采用分体式套筒、25°锥度螺栓头时极限抗拉承载力最高,此型号M20新型扭剪型单边螺栓建议抗拉设计承载力为50 kN.     

静载与冲击加载方式下滚刀破岩特性

为了研究在单一恒定静载荷和冲击动载荷这2种情况下盘形滚刀破岩机制,使用颗粒离散元法建立滚刀破岩的二维数值模型。通过控制破岩的垂直载荷,对滚刀破岩动态过程进行分析并研究静载荷、冲击动载荷和冲击次数对滚刀破岩特性的影响,最后通过实验对静载荷下滚刀破岩情形进行验证。研究结果表明:在单一恒定静载荷下,滚刀破岩效果随着静载荷增大而提高;当静载荷达到一定值后,破岩效果提升不明显,存在1个最佳静载荷使破岩效果最优;在冲击动载荷作用下,岩石裂纹扩展情况与静载荷的扩展情况相似,但岩石内部以剪切破坏为主;随着循环冲击动载荷以及施加次数增大,岩石内部产生的裂纹数增大并且有向水平贯穿的趋势,破岩比能耗先减少后变化不大;滚刀在动静载荷作用下比能耗的变化趋势基本一致,冲击动载荷破岩的比能耗比静载荷作用下的比能耗高,大约是静载荷破岩比能耗的1.4倍。     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

不同围压下刀宽对滚刀破岩特性的影响规律

在考虑围压这一真实地质因素条件下,基于颗粒流离散元法,建立不同围压与不同刀宽下滚刀侵入破岩模型,模拟滚刀作用岩石下裂纹的扩展以及破岩阻力变化等规律,并利用真三轴实验台进行试验验证.研究结果表明:滚刀侵入破岩时,随围压增加,裂纹扩展由垂直方向向水平方向和自由面转变,当围压增加到20MPa后裂纹沿垂直方向和水平方向的扩展均受到抑制;随刀宽增加裂纹扩展能力增强,但高围压会限制刀宽对裂纹扩展的影响;围压和刀宽增加均会增加滚刀破岩阻力;当围压小于5MPa时,随刀宽增加比能耗减小,而当围压大于20MPa时,随刀宽增加比能耗增加;实验中所得到的不同围压下裂纹扩展以及滚刀破岩阻力等变化趋势与数值模拟结果一致.     

TBM滚刀破岩试验台设计与分析

目的设计可调整间距的双滚刀破岩试验台,解决全断面硬岩掘进机(TBM)刀盘设计时所需滚刀破岩最佳刀间距与贯入度等相关数据问题.方法利用压力机对3种典型花岗岩在不同加载速率下进行了单向加载的破碎试验,确定了岩石破碎力并分析了加载速率对岩石破碎力的影响;基于试验结果确定了滚刀试验台的受力、运动速度等设计参数并进行了双滚刀综合试验台的结构设计,对设计的刀具系统、工作台、刀具调节等核心部件的结构及工作原理进行了说明;对试验台的主要受力部件进行了有限元受力分析.结果完成了试验台的制造、装配和调试,利用试验台进行了花岗岩的滚压破碎试验.3种花岗岩单向破岩试验的破碎力在180~300 k N,核心部件的应力分析结果小于材料的许用应力,破岩过程中的受力在设计许可范围内.结论试验台可以满足硬岩掘进机设计时所需的岩石滚压试验要求.     

复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析

复杂环境中的隧道施工常遇到软硬不均或岩性变化大的复合地层,TBM的掘进施工优势凸显.但工程应用显示两类地层的岩土力学、地质特征等显著差异,复合地层的TBM隧道掘进与均质地层的破岩过程不同.为了提高复合地层TBM盘形滚刀的破岩效率,建立考虑裂隙网络扩展过程的双滚刀破岩三维离散元模型,模拟软硬不均复合地层中不同节理间距、节理倾角以及围压下的滚刀破岩过程,探讨对应的最优滚刀间距.其结果表明:节理对复合地层滚刀破岩是有利的,节理间距越小,岩体越破碎,破岩荷载越小,功耗也越小,破岩效率高;且节理倾向于软岩时,由于节理面的阻隔作用导致破碎区沿着节理界面延伸而无法贯通到临近岩层,软岩更易充分破坏;围压越大,则破岩荷载越大,功耗越大,则破岩效率相对较低.可见,复合地层的破岩过程中地层岩性及赋存环境的主导作用相对明显,进一步反映了复合地层不同于均质地层的滚刀破岩特征,这对深入研究复合地层TBM双滚刀破坏机理、滚刀优化设计及提高破岩效率具有重要的工程价值.     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

拉剪倾倒型危岩失稳影响因素研究

运用断裂力学分析危岩中的倾倒变形破坏,基于岩石拉剪断裂试验,研究裂纹在载荷作用下起裂、扩展规律,探索断裂过程中裂纹的扩展行为,并探讨裂纹长度、宽度、倾角与荷载位置对危岩失稳模式与稳定性的影响。以重庆万州太白岩危岩为例,利用有限元软件ANSYS计算不同裂纹条件下裂纹尖端的应力状态,并讨论其与联合断裂应力强度因子的关系,模拟裂纹扩展的动态过程。结果表明,拉剪倾倒型危岩在受力破坏过程中,裂纹尖端出现拉应力集中,危岩的开裂从张拉破坏开始,下部出现压剪破坏,危岩稳定性的影响因子敏感性从大到小依次为:荷载位置、裂纹长度、裂纹倾角、裂纹宽度。     

基于岩石破碎体积的滚刀效率评估模型

结合岩石的不同破坏方式,如剪切破坏、张拉破坏、挤压破坏及多种破坏方式混合作用等,探讨了岩石破碎体积的计算方法.根据在滚刀作用下岩石以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出以岩石破坏时裂纹长度、剪切面在岩石自由表面投影长度及滚刀刀刃宽度间的关系来识别岩石破坏方式,计算岩石破碎体积.利用CSM模型计算破岩比能,评估滚刀破岩效率.并通过实例对该方法进行了计算验证,结果表明该方法能够为TBM的性能预测和优化提供一定参考.     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律，采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时，以剪切-拉伸复合破坏模式为主；当围压为14MPa时，试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主；当围压为21MPa时，试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关，当裂隙长度一定时，随着围压的增大，试样的破坏越明显；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加，岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势；随着围压的增大，各力学参数均增大，裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹，试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大；随着围压的增大，拉裂纹逐步占据主导地位，且当围压为21MPa，裂隙长度为39mm时，拉裂纹是剪裂纹的2.73倍；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，拉裂纹占比也逐渐减少。     

名山组泥岩顺层边坡原位直剪试验及开挖模拟

为研究川西名山组泥岩顺层边坡在坡脚开挖后的卸荷特征，通过原位直剪试验获取了名山组泥岩的岩体破坏及强度特征，并进一步采用有限元模拟分析了坡脚开挖后顺层边坡的卸荷松动特征。结果表明：名山组泥岩的剪切破坏可分为弹性受荷阶段、裂缝发展阶段和剪切面贯通后阶段；岩体结构面强度显著低于岩石，且强度曲线特征受上覆荷载影响较大；岩石的应变软化特征较结构面更为显著，剪切面贯通后强度急剧衰减，且降幅远高于结构面；坡脚开挖卸荷后，顺层边坡的卸荷松动区主要分布于基覆界面、风化界面和临空面附近的岩层层面处，卸荷深度与切层厚度线性正相关；设计采用的边坡防护方案能有效控制位移及应力，桩前土体开挖时需注意信息化施工。     

爆炸应力波作用下的凿岩爆破破岩模拟

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程. 采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性. 通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析. 研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.     

页岩声发射RA值及其分形特征的试验研究

对页岩进行常规三轴压缩条件下的声发射试验,得到其声发射RA值时间序列,并利用MATLAB编程计算其关联维数,得到分形维数与时间的耦合关系,采用分形理论对其进行分析,以研究页岩在常规三轴压缩破坏过程中的微观机制及其分形特征。结果表明:1)页岩在常规三轴压缩破坏过程中的裂纹为张剪复合裂纹,并以剪切裂纹为主,张裂纹主要出现在峰值强度前后,并且随着围压的升高,张裂纹数量明显减少,这说明围压能够抑制张裂纹的产生。2)页岩声发射RA值在时域上具有自相似特征,具有分形特征,其分形维数演化模式为:上升—突降—波动。3)声发射RA值的分形维数在初期上升,表明岩石内部先是微小裂纹无序扩展,并融合贯通成破裂面,此时分形维数突降,表明裂纹沿破裂面有序地扩展,岩石产生宏观裂纹,预示着岩石即将发生破坏,因此可以将分形维数的首次突降作为岩体失稳破坏的前兆。     

Mogi-Coulomb强度准则应用于岩石三轴卸荷破坏试验的研究

针对Mogi-Coulomb强度准则是否适用于三轴卸荷试验,基于已有常规三轴及真三轴的试验数据,利用Mogi-Coulomb强度准则,对常规三轴卸荷及真三轴卸荷条件下的实验数据进行拟合和分析,并对拟合得到的相关强度参数和试样的破坏特征进行分析。结果表明,Mogi-Coulomb强度准则在常规三轴卸荷条件下有着良好的适用性,而在真三轴卸荷条件下,虽然线性拟合效果较好,但拟合参数反映的岩石黏聚力值出现负数的异常情况。分析现有实验测试结果,可以推测出现参数异常的原因,应是岩石在真三轴卸荷条件下的破坏模式由剪切型破坏转变为强烈的张拉型岩爆破坏所致。这表明Mogi-Coulomb强度准则虽能在一定程度上反映真三轴卸荷的主应力关系,但其本质仍为基于剪切破坏的强度准则,存在一定的局限性,对于张拉为主-剪切共存型的岩爆破坏,有必要建立一种新的岩石强度准则来反映真三轴卸荷下的岩石本构关系。     

围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOLMultiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.