基于颗粒离散元法的盘形刀具破碎性能研究

基于颗粒离散元法的盘形刀具破碎性能研究

隧道全段（tm）广泛应用于地下空间隧道开挖工程中。在sdm波形刀破岩的情况下，挖掘过程的核心内容是波形刀破岩的勘探。因此，对波形刀破岩的研究非常重要。盘形滚刀破岩过程中,地质条件是极其复杂的,如围压、节理、岩溶等,这些地质因素对盘形滚刀破岩必然有较大的影响。ChenLH等通过实验研究得出了当围压达到一个临界值时,裂纹的扩展就会受到限制,且围压的改变对刀具的贯入力影响不大的结论。张魁等利用UDEC软件模拟了在不同围压的作用下盘形滚刀破岩过程,研究了围压和最优刀间距之间的关系。MaHS等利用RFPA软件研究了不同围压对盘形滚刀破岩的影响,得到了围压的改变会改变裂纹扩展方向、有效裂纹长度等结论。孙金山等利用PFC2D软件研究了节理强度等对TBM滚刀破岩的影响,得到了较好的结论。BejariH等利用UDEC软件研究了节理间距和节理倾角对单刀破岩的影响,研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率,节理倾角在25°~30°时最有利于刀具破岩。刘红岩等通过实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响。GhazvinianA等通过实验研究表明岩石的强度随围压增大而增大,岩石强度随节理倾角的增大先增大后减小,其中节理倾角为45°时岩石强度最小。这些研究成果对于研究不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩具有很大的参考价值。在此基础上,本文借助于PFC2D离散元软件对在不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩进行了数值模拟,研究围压和节理特征对盘形滚刀破岩的影响,为数值模拟技术在刀具破岩研究中的应用提供参考。1滚滚轴破岩的数值模型1.1宏观力学特性锦屏二级水电站地层中主要以大理岩和花岗岩等硬岩为主,这类硬岩石单轴抗压强度普遍在100MPa左右,属于较高强度岩石地层,选择该地层的某一硬岩为研究对象,其岩石试样的宏观力学参数见表1。岩石试样的细观力学参数一般是通过模拟单轴压缩、巴西劈裂和直剪等数值实验进行反复标定,不断去匹配岩石试样的宏观力学参数得到的。设定岩石试样数值模型的最大和最小颗粒半径之比为1.66,颗粒的最小半径取0.8mm;颗粒密度ρ=3375kg/m3,由于岩石试样存在空隙率,所以颗粒密度大于岩石试样的宏观密度;选用接触黏结模型来模拟颗粒之间的接触方式。单轴压缩数值试验岩石试样尺寸为100mm×50mm,如图1(a)所示,上下两道墙体为加载压盘模拟压缩实验时用的加载板,赋予上下墙一定的速度来给试样进行加载;巴西劈裂数值试验岩石试样的直径为50mm,如图1(b)所示,通过给两侧墙一个缓慢的速度来给圆盘加载,直至圆盘发生破裂;直剪数值试验尺寸为100mm×100mm,如图1(c)所示,通过伺服加压程序给上下墙体施加不同恒定的正应力,下剪切盒固定,上剪切盒以恒定的速度进行剪切。经过上述不断标定选取合适的细观参数可得到岩石试样在PFC2D中的细观参数见表2。1.2刚性墙体剪切试验在PFC2D软件中,节理是在先生成岩石试样以后再通过jset命令设置的。通过定位设置指定某一平面两侧的颗粒间的接触处,将此接触处两侧的颗粒接触强度以及摩擦因数重新设定,即可在岩石试样中形成节理。为了研究节理力学特性,通过PFC2D内置FISH语言建立直剪数值试验模型。节理直剪试验模型如图2所示,由刚性墙体组成上下2个剪切盒,其中位于下方的剪切盒固定,位于上方的剪切盒可以按照设定的速度向左移动,对试样进行剪切。模型试样的上下墙通过伺服加压程序,可以设定不同的正应力,如图2所示的上下墙上的箭头。试验时记录剪切过程中的剪切应力和剪切位移。模型所剪岩石试样尺寸为100mm×100mm,在其中间位置水平方向设置一连通节理。岩石试样采用的细观参数见表2,通过jset命令生成节理后,节理处颗粒的细观参数被重新赋值,其中节理处颗粒的黏结强度取50kPa,摩擦因数取0.15。在不同的法向应力作用下进行数值直剪数值试验,得到剪切应力与剪切位移的关系,如图3所示。提取数值直剪试验中得到的峰值剪切应力,可得其与法向应力的关系,当法向应力为0.1,1.0,1.5,2.0,2.5MPa时,峰值剪切应力分别为9.05,9.62,10.2,10.8,11.4MPa,并根据上面的数据拟合得其关系如图4所示。从图中可知该节理的黏聚力和内摩擦角分别为8.45MPa和50°。1.3盘形1盘形小程序盘形滚刀在破岩过程中,一方面由于切向摩擦力的作用,盘形滚刀绕自身中心自转,另一方面盘形滚刀受法向推力侵入岩体,沿法向方向不断贯入。而就裂纹的产生和扩展而言,主要是由法向推力主导的。本文主要研究法向推力对破岩的影响,从而将三维的滚压问题简化为二维的侵入问题。苏利军等通过研究表明将盘形滚刀破岩过程简化成二维平面问题是可行的。如图5所示岩石试样尺寸为300mm×160mm,赋予表2细观参数后随机生成,模型生成后赋予上述节理细观参数产生节理。岩石试样中节理倾角定义为节理与x轴的夹角α,节理间距定义为两节理之间的法向长度s。盘形滚刀刀刃宽度为10mm,过渡圆弧半径为4mm,刀刃角为20°,盘形滚刀由墙构成,由于只研究盘形滚刀对岩石破坏的影响而不研究其他因素对盘形滚刀的影响,所以将盘形滚刀看作刚体,破岩过程中不发生变形。盘形滚刀在破岩过程中,岩石试样处于围压的环境下(图5中左右两侧的箭头代表围压),盘形滚刀与岩石试样的接触处周围是自由无约束的,即岩石试样上侧为自由面,而岩石试样的左右两侧受围压,下侧为非自由面,由固定墙限制。围压通过伺服加压程序控制左右两侧墙来实现。通过赋于两侧墙围压后,再赋予盘形滚刀恒定的贯入速度,盘形滚刀开始向下运动,逐渐贯入岩石试样,模拟不同围压、节理特性下的盘形滚刀破岩过程。工程中随着掘进的进行,掘进工作面为自由面,其初始地应力得到了某些释放,并且主应力的方向和大小都会发生一定的改变,但为了便于分析将其简化为围压不随滚刀的贯入而改变,因此依据TBM所处掘进地层可能存在的原岩应力范围,分别赋予岩石试样的围压值为1,25,50MPa三种情况,且定义1MPa为低围压,25MPa为中围压,50MPa为高围压。自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂,同时盘形滚刀与节理的相对位置也不断发生着变化,因此须对实际问题进行必要的简化,则假定岩石试样中只存在一组规则布置的节理,分别赋予节理倾角为0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°,节理间距为40,60,80mm等不同的节理特征。依据上述所赋参数值,进行数值仿真。2pfc2c数值仿真由上述可知设定每1种节理间距下对应3种围压值,每1种围压对应7种节理倾角,一共63组的数值仿真实验。赋予节理间距、围压、节理倾角不同值后,进行PFC2D数值仿真,可得到63组不同情况下,贯入度为10mm时的破碎模式、裂纹数、破碎功W、破碎体积V、比能耗E,从而得到表3(由于篇幅原因,只列出2种节理间距和4种节理倾角的数据)。依据文献[15-16]可知式中,F为盘形滚刀破岩过程中所受的y方向平均力;W为破岩过程中所消耗的能量;L为贯入度;V为破碎体积,V=St,S为破碎面积之和,是通过裂纹的扩展形式和扩展程度来测量的,t为单位厚度。2.1盘形滚刀破岩破碎模式由表3可知,盘形滚刀破岩过程中,随着围压、节理间距、节理倾角的改变,对应的破碎模式发生了变化。破碎模式是根据裂纹的扩展形式来描叙的。图6是贯入度为10mm时对应表3中不同围压和节理特征的盘形滚刀破岩状态。为了便于说明各图之间的关系,定义a#b#c,其中a表示围压值,b表示节理间距,c表示节理倾角,如25#40#60表示围压为25MPa,节理间距为40mm,节理倾角为60°。通过对贯入度为10mm时对应的破岩状态图观察可归纳出以下几种破碎模式:(1)节理阻隔破碎模式。该破碎模式是指节理对裂纹的扩展起到阻隔作用,不能使裂纹向岩石试样深部扩展,而直接在节理处被阻隔,同时裂纹会在节理面中产生,进而造成裂纹的纵向长度相对较小,如图6(e),(m)所示。在图6(e)中随着盘形滚刀侵入岩石试样,在滚刀下面形成密实核,产生微裂纹,滚刀继续侵入,密实核逐渐增大,进而产生主裂纹,主裂纹随着滚刀的侵入不断向岩石试样内部扩展,直到节理面附近后,裂纹不再向下扩展而是在节理面附近扩展,这说明该节理阻隔了裂纹的扩展。结合表3可知,当在低、中围压且节理倾角在0°附近,节理间距小于60mm时,盘形滚刀破岩时的破碎模式主要为(1)。(2)节理倾向破碎模式。该破碎模式是指岩石在破碎过程中,主裂纹的扩展基本上是沿着节理方向延伸的,最后与滚刀下产生的主裂纹或者与自由面汇合,从而形成破碎块且宏观上表现为裂纹长度较长,如图6(b),(c),(n),(o)所示。在图6(o)中随着滚刀侵入岩石试样,滚刀下方会形成裂纹,同时在节理面处也会产生裂纹。随着滚刀继续侵入,节理面的裂纹沿着节理方向不断扩张,最终与主裂纹交汇同时节理面上的裂纹也达到了自由面。结合表3可知,当在低围压且节理倾角在15°~90°,破碎模式主要为(2)。当在中围压,节理倾角为30°附近时,盘形滚刀破岩的破碎模式也主要为(2)。(3)围压阻隔破碎模式。该破碎模式是指当围压值较大时,会阻碍裂纹向岩石试样内部负y方向扩展而倾向于自由面延伸,进而使宏观裂纹的长度相对较短,破碎块也较小,如图6(q),(t),(u),(w)所示。在图6(q)中随着滚刀侵入岩石试样,滚刀下方形成裂纹,随着滚刀的侵入,裂纹继续扩展,但由于围压的作用,裂纹的扩展方向不是向岩石试样内部负y方向而是倾向于自由面,最终形成破碎块。结合表3可知,当在高围压,节理倾角不在30°附近时,盘形滚刀破岩的破碎模式主要为(3)。(4)围压促进破碎模式。该破碎模式是指当在高围压且节理间距较小,在对应某一个节理倾角时,滚刀破岩过程中会形成大规模的岩石破坏,从而形成大量的破碎块,如图6(j)所示。在图6(j)中,由于高围压的作用,且节理间距为40mm,节理倾角为30°,一部分节理面内会产生细小的微裂纹。随着滚刀侵入岩石试样,滚刀下方形成裂纹,滚刀继续侵入岩石试样,在滚刀和围压的综合作用下,节理面内产生大量的裂纹并且在岩石试样内部相互交汇,最终形成大量破碎块,造成大规模的岩石破坏。这种破坏模式类似于岩爆,而岩爆主要是在破岩过程中,由于高地应力、节理以及裂隙等作用的影响下发生的。结合表3可知,当在高围压下节理间距小于60mm,且节理倾角在30°附近时,破坏模式为(4)。值得注意的是有的岩石试样破碎情况是由2种破碎模式构成的,如图6(v)所示破碎模式则是由(2),(3)两种破碎模式构成。2.2围压对比能耗的影响比能耗是破岩效率的重要指标之一,比能耗越大说明盘形滚刀破岩的效率越低。从表3可知,随着围压、节理间距、节理倾角的不同,各自的破岩比能耗都发生着一定程度的改变。通过表3可得到同一围压下,不同节理间距、节理倾角和滚刀破岩比能耗的关系,如图7所示。观察图7中的各个子图可知,在不同围压、节理间距的情况下,比能耗随着节理倾角的增大先减小然后增大,且在30°时取得最小。如图7(a)中,当节理间距为40mm,节理倾角从0°持续增到30°时,比能耗减小到6.4MJ/m3,随后节理倾角继续增大,而比能耗增大,当节理倾角增到90°时,比能耗增大到7.9MJ/m3。另外从图7中可知,在相同的围压和节理倾角时,比能耗随着节理间距的增加而增大。如图7(b)中,当围压为25MPa、节理间距为40mm对应的比能耗随着节理倾角的变化始终大于节理间距为60mm时所对应的比能耗。观察图7(c)可以发现当围压在50MPa时且节理间距为40和60mm,节理倾角为30°时,此时的破岩比能耗相对其他情况下的比能耗非常小,只有0.4和0.5MJ/m3,为其他情况比能耗的5%左右。造成这种现象的主要原因是由于当在高围压,节理倾角在30°附近,且节理间距小于60mm时,岩石试样在高围压下节理内有少许微裂纹,由于滚刀和高围压的综合作用,岩石试样内部形成大量的裂纹并且交汇,从而形成大量的破碎块,此时的破碎模式为围压促进破碎模式,比能耗极低,进而比破岩效率相对很高。为了进一步研究围压对破岩比能耗的影响,通过表3可得图8。观察图8可知,无论何种围压,比能耗随着节理倾角的增加先减小后增加,且在30°时比能耗最小。在相同的节理倾角下,围压为25MPa时对应的比能耗均大于围压为1MPa时对应的比能耗,说明无论何种节理倾角,围压从1MPa增加到25MPa时,破岩比能耗增加了。而当围压从25MPa增加到50MPa时,只有当节理倾角为0°,90°时,比能耗增加,而节理倾角为15°,30°,45°,60°,75°时,破岩比能耗减小了。如图8(a)中,当节理间距为40mm,节理倾角为0°且围压为25MPa时,比能耗为9.5MJ/m3,而当围压增大到50MPa,比能耗增大到了11.4MJ/m3。而节理倾角为60°且围压为25MPa时,比能耗为8.8MJ/m3,当围压增大到50MPa,比能耗反而减小到了8.2MJ/m3。造成这种现象的原因是因为当围压从1MPa增加到25MPa时,围压的增加会将岩石试样压实,试样更加紧密,裂纹不易扩展,即不利于破岩,所以比能耗相对较高。当围压从25MPa增加到50MPa,节理倾角在0°,90°附近时,围压的增加同样会将岩石试样压实,裂纹不易扩展,进而比能耗增加,而当节理倾角在15°~75°,围压增大到50MPa时,由于节理存在较大的节理倾向,岩石试样会被“过度压实”,进而在节理面上会产生少许微裂纹,反而有利于破岩,使得比能耗变小。通过上述分析可知,当围压和节理间距一定时,破岩比能耗随着节理倾角的增大,有先减小后增大的趋势,且在30°附近时取得最小;当围压和节理倾角一定时,破岩比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°和90°附近时,破岩比能耗随着围压的增大而增大。而当节理倾角为15°~75°时,破岩比能耗随围压由1MPa增加到25MPa时而增大,随25MPa增加到50MPa时而减小。尤其值得注意的是,当围压为50MPa,节理间距小到一定程度(60mm附近)且节理倾角在合适的角度(30°附近)时,会发生围压促进破碎模式,比能耗极低。2.3围压和节理间距的影响盘形滚刀破岩过程中,随着滚刀侵入岩石试样,在岩石试样内会产生微裂纹,通过PFC2D的his命令,可以得到裂纹数目的情况,裂纹的数目能在一定程度上说明岩石试样的破坏情况。由表3可得同一围压下,不同节理间距、节理倾角和裂纹数的关系,如图9所示。从图9可知在相同的围压下,无论何种节理间距,裂纹数目基本上都随着节理倾角的增大先增多后减少,且在30°时取得最大值。如图9(b)中,此时围压为25MPa,当节理间距为40mm时,节理倾角从0°逐渐增加到30°时,裂纹数目逐渐增加,从30°逐渐增加到90°时,裂纹数目逐渐减少。但值得注意的是图9(a)中节理间距为40mm时,裂纹数目有个先下降的过程。造成这种现象的原因可能是因为节理间距较小且围压也很小,滚刀破岩时,在第1个节理面内容易迅速产生大量裂纹,进而此时在0°附近对应的裂纹数反而较多。继续观察可知随着节理间距的增加,裂纹数目会减少。如图9(b)中,在相同的节理倾角下,节理间距为40mm对应的裂纹数均大于节理间距为60mm对应的裂纹数,节理间距为60mm对应的裂纹数均大于节理间距为80mm对应的裂纹数。为研究围压对裂纹数目的影响,通过表3可得图10。从图10可知,当围压从1MPa增加到25MPa时,裂纹数目都随之减少。如图10(c)中所示,在相同的节理倾角下,围压为1MPa对应的裂纹数均多于围压为25MPa对应的裂纹数。而当围压从25MPa增加到50MPa时,发现只有当节理倾角为0°,90°时,裂纹数目减少,而节理倾角为15°,30°,45°,60°,75°时,裂纹数目反而增多,且在节理间距小于或等于60mm,节理倾角为30°时裂纹数目陡增。造成这种原因是因为当围压增大到一定程度后,且节理倾角合适,会在岩石试样节理面内形成大量裂纹,所以围压过大不但不会抑制裂纹的增长,反而会促进裂纹的增加,这和围压促进破碎模式有着直接的联系。通过上述分析可知,当围压和节理间距一定时,裂纹数目基本上都随着节理倾角的增大,有先增多然后减少的趋势,且在30°附近时取得最大值;当围压和节理倾角一定时,裂纹数目随着节理间距的增大而减少;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,裂纹数目随着围压的增大而减少。而当节理倾角为15°~75°时,裂纹数目随围压由1MPa增加到25MPa时而减少,随25MPa增加到50MPa时而增多。另外,当围压为50MPa时,节理间距小到一定程度且节理倾角在合适的角度时,裂纹数目会陡增。2.4不同节理间距破碎模式通过上述分析可知,破碎模式、比能耗和裂纹数目之间随着围压、节理间距和节理倾角的变化有着一定的关联。通过表3可知,破碎模式(1)和破碎模式(3)下比能耗较大且裂纹数目较少,而破碎模式(2)和破碎模式(4)下的比能耗较小且裂纹数目较多。尤其是破碎模式(4),该破碎模式是在围压相当高,且节理间距小到一定程度以及节理倾角合适时才会发生,这种破碎模式比能耗极小,裂纹数目极多,此时破岩效率也最大。对比图7和图9以及图8和图10可知,比能耗和裂纹数目随着围压、节理间距以及节理倾角的改变,两者变化趋基本相反。如图7(b)中,此时围压为25MPa,3种不同的节理间距下,比能耗随着节理倾角的增加先减小后增加,且在30°时取的最小值,节理间距为40mm对应的比能耗最小,而图9(b)中,围压也为25MPa,3种不同的节理间距下,裂纹数目随着节理倾角的增加先增多后减少,且在30°时取得最大值,节理间距为40mm对应的裂纹数最多。通过上述分析可知,破碎模式为(2)和(4)两种情况下破岩比能耗较小即破岩效率较高,破碎模式为(1)和(3)两种情况下破岩比能耗较大即破岩效率较低。破岩比能耗和裂纹数目两者的变化趋势相反,两者关系密切。3盘形滚刀破岩与裂解构造模型的对比(1)盘形滚刀破岩时,随着围压、节理间距以及节理倾角的变化,会呈现4种破碎模式。其中当在低、中围压且节理间距小于60mm以及节理倾角在0°附近时,破碎模式主要为(1),该破碎模式下节理阻隔了裂纹向岩石试样深部扩展。当在低围压节理倾角在15°~90°时,破碎模式主要为(2),该破碎模式下裂纹主要在节理方向延伸,最后和滚刀下的裂纹或者自由面汇合。当在高围压,节理倾角不在30°附近时,破碎模式