（机械电子工程专业论文）盾构机盘形滚刀垂直力和侧向力预测模型研究.pdf

摘要 盾构机在修建地铁、轨道交通等地下工程建设中使用越来越广 泛。盘形滚刀是盾构机在掘进过程中破碎岩石的重要刀具，是一种破 岩量大、速度快的机械破岩方法，其破岩效率直接影响了盾构机掘进 的速度。研究盘形滚刀的结构形式、破岩机理和破岩过程中的受力预 测模型对改进滚刀的设计，提高滚刀的使用寿命，优化盘形滚刀在刀 盘上的布置，从而实现高效、低能耗的隧道掘进具有重要的意义。本 文完成了如下的主要工作： l 、分析了盘形滚刀破碎岩石的机理和岩石在盘形滚刀作用下的 破碎形式，认为盘形滚刀切割岩石时，刀刃下方的岩石挤压破坏形成 密实核，刀刃两侧的岩石剪切破坏形成岩石碎块。 2 、根据盘形滚刀作用下岩石的破碎形式，提出并建立了一种盘 形滚刀切割岩石垂直力、滚动力和侧向力预测模型，并与科罗拉多矿 业学院线性切割预测模型、c s m 预测模型和线性切割实验进行对比。 证明了本文提出的预测模型和线性切割模型、c s m 模型相比，与实 验数据的误差较小。 3 、根据材料力学性能参数，在a n s y s d y n a 环境下建立仿真 材料模型，并进行了球齿滚刀侵入砂岩、盘形滚刀混凝土试样和切割 花岗岩的数值仿真。得到盘形滚刀切割花岗岩的仿真结果与本文提出 的预测模型基本一致。 4 、用材料试验机进行砂岩试样混凝土试样力学性能测试，得到 仿真所需的材料力学性能参数。在岩石线性切割实验台上进行球齿滚 刀侵入砂岩、盘形滚刀切割混凝土试样实验。分析了实验结果，验证 了仿真模型。 关键字：盾构机，盘形滚刀，破岩机理，a n s y s d y n a a bs t r a c t s h i e l dm a c h i n ew a su s e d w i d e l y i n u n d e r g r o u n de n g i n e e r c o n s t r u c t i o n s ，s u c ha sc o n s t r u c t i o no fs u b w a ya n do r b i tt r a f f i c d i s c c u r e ri sa ni m p o r t a n tt o o lo fs h i e l dm a c h i n et oc r u s ht h er o c kd u r i n g e x c a v a t i n gt u n n e l i ti sam e c h a n i c a lm e t h o dh a v i n gt h ea d v a n t a g e so f l a r g er o c k - f r a g m e n t a t i o na n df a s tr o c k - f r a g m e n t i o n i td i r e c t l ya f f e c tt h e e x c a v a t i o ne f f i c i e n c yo fs h i e l dm a c h i n e i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o s t u d yt h ed i s cc u r e r sr o c k - f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m ，s t r u c t u r ea n df o r c e p r e d i c t i o nm o d e ld u r i n gc u r i n gp r o c e s s i tc a ni m p r o v el i f eo fc u r e ra n d o p t i m a ll a y o u ta n dr e a l i z eh i g he f f i c i e n c ya n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n t u n n e le x c a v a t i o n 1 1 1 ep a p e rc o m p l e t ec o n t e n t sa sb e l o w ： t h i s p a p e ra n a l y s e s t h em e c h a n i s mo fd i s c c u r e r sr o c k - f r a g m e n t a t i o na n dt h ef r a g m e n ts t y l e o fr o c kb yd i s cc u r e r i ti s c o n s i d e r e dt h a tw h i l ed i s cc u r e rc u r i n gr o c k s ，o n ep a r to fr o c ku n d e r c u r i n ge d g ew a ss q u e e z i n ga n df r a c t u r e da n df o r m e dc o m p a c t i n gn u c l e u s ， t h eo t h e rp a r tw a sf r a g m e n t e dd u et os h e a r a c c o r d i n gt ot h ef r a g m e n ts t y l eo fr o c k ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e d p r e d i c t i o nm o d e lo fv e r t i c a lf o r c e ，r o l lf o r c ea n ds i d ef o r c e ，a n dc o m p a r e w i t hc o l o r a d ol i n e a rc u r i n gm o d e l ，c o l o r a d oc s mm o d e la n dt e s td a t a i tw a sv e r i f i e dt h a tt h ee r r o ro ft h i sp a p e r sm o d e li sl e s st h a nt h eo t h e r t w om o d e l s a c c o r d i n g t h ed a t a b yt e s t ，m a t e r i a l m o d e lw a sc r e a t e di n a n s y s d y n as i m u l a t i o nc o d e t h i sp a p e rd i dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c o n c r e t ec u r i n ga n dr o c kc u r i n gb yd i s cc u r e ra n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fr o c kp e n e t r a t i o nb ys p h e r et o o t hc u t t e r t h i sp a p e rd om e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s to fs a n dr o c ka n dc o n c r e t e s a m p l e ，o b t a i n e dm a t e r i a l m o d e l p a r a m e t e r t h i sp a p e r d or o c k p e n e t r a t i o na n dr o c kc u r i n gb ys p h e r et o o t hc u r e re x p e r i m e n t ，a n da l s o d oc o n c r e t ec u r i n g b yd i s cc u r e re x p e r i m e n t a n a l y s e dt h er e s u l t ，v e r i f i e d t h ec o r r e c t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e d i s cc u r e r , m e c h a n i s mo fr o c k - f r a g m e n t a t i o n ，a n s y s d y n a i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特n , d l ：i 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：兰拿年上月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名懿嗍丑年月日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 隧道盾构法在国外已经有1 8 0 多年历史。据说最早发明盾构法的思路是来自 发明者的一个有趣的发现，英国的布鲁诺尔发现船的木板中，有一种蛀虫钻出孔 道，并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上。1 8 1 8 年布鲁诺尔在蛀虫钻孔的启示 下，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并且在英国取得了该施工法的专利。 1 8 2 5 年，布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构，并第一次在赛晤士河施工水底隧 道。这条道路隧道的断面( 1 1 4 m x 6 8 m ) 相当大，施工中遇到了坍方和水淹，加 上隧道的损坏，当时处于难于进展的状态，由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道 的方法，隧道旌工中两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对后 构施工的改进，用气压辅助施工，花了1 8 年的时间才于1 8 4 3 年完成了全长4 5 8 m 的第一条盾构法隧道。1 8 6 5 年巴尔劳( b w b a r l o w ) 首次采用圆形盾构，并用 铸铁管片初次作为隧道村砌。1 8 6 9 年他用圆形盾构在泰晤士河底下建成了外径 为2 2 1 m 的隧道。2 0 世纪初，盾构施工法在美、英、德、法、前苏联等国得到 广泛推广，被大量用于公路隧道、地铁和地下管道工程。从2 0 世纪6 0 年代起， 盾构法在日本得到迅速发展，除了大量用在东京、大阪、名古屋等城市的地下铁 道建设中外，更多地是用在下水道等市政公用设旌管道建设中。7 0 年代，日本 及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地 表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的 衬砌和防水技术厦局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工 艺和配套设备【l 一目。 争；鬻；y 4 争鬟篓黧 母1 1 盾构掘进机 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 5 6 年我国在阜新海州露天煤矿首次使用直径为2 6 6 m 的盾构在沙土层中 成功开凿了一条流水巷道。1 9 5 7 年起在北京市区的地下水道工程中采用直径 2 o m 及2 6 m 的盾构。上海从1 9 6 3 年开始研究用盾构法修建黄浦江水底隧道及 地下铁道试验，先后利用网格挤压型盾构、土压平衡盾构、泥水加压盾构等设备 进行了多条水底公路隧道、地下人防通道引水和排水隧道及地铁的施工。7 0 年 代以来，北京、江苏、浙江、福建等省市也用不同类型盾构修建了各种不同用途 的隧道。1 9 8 4 年上海又研制成了外径为1 1 3 2 m 的大型盾构，用于建造第二条黄 浦江水底公路隧道。1 9 8 5 年，又在上海的芙蓉江路用盾构建造了内径为3 6 m 的 下水道总管，开始把盾构法推广到市政公用设施工程中 6 。 当今世界三大海底隧道工程：英吉利海峡隧道( c h n n e lt u n n e l ) 、丹麦海峡 隧道( g r e a tb e l tt u n n e l ) 和东京海底隧道均采用了盾构掘进技术，绝大多数国 家和地区的城市地下隧道都是采用盾构隧道方法建立的，可以看出盾构技术的巨 大的优越性和技术潜力 6 ，7 j 。 盾构机掘进过程中，滚刀直接与岩石接触，是盾构机掘进过程中实现破碎剥 离岩石的关键刀具，滚刀的种类和滚刀在刀盘上的布置直接影响滚刀的破岩效 率、破岩能耗和岩石的破碎形式，滚刀刀刃的结构形式、刀刃材料和滚刀的整体 装配结构则决定了滚刀的使用寿命。同时在掘进过程会遇到各种不同的地层、不 同性质的岩石，刀具的受力性质变化剧烈，对滚刀的适应性提出了较高的要求， 要求滚刀对不同的地质有较好的适应性。所以研究滚刀的破岩机理，滚刀与岩石 的相互作用形式和滚刀在切割岩石过程中受到的载荷具有重要的意义。 1 2 滚刀破岩理论研究现状 1 2 1 压头侵入破岩理论研究 刀具在破碎岩石过程中，不论是凿岩机凿岩钻孔、牙轮钻机钻孔，或者是滚 刀破岩，其本质都是压头压入岩石的过程。压头侵入岩石时，在压头下方总要出 现一个袋状或球状的核，它是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显著塑 性变形而形成的，称之为密实核，它具有普遍性：不论什么样的工具( 尖的、平 的、圆的等) 、载荷( 静的、冲击的) ，都在压头侵入前方出现密实核现象。之后， 随着载荷的不断增加，在密实核之外产生裂纹形核、扩展、分枝、合并，直至岩 石崩裂形成破碎坑。相应地，由实验装置的测试系统可得到一条应力一应变或载 荷一侵深曲线，它是压头侵入岩石的最基本关系，就像应力一应变曲线是材料力 学的基础一样。压头侵入岩石的一个普遍的明显特点是侵深不随载荷增长而均衡 地增加，侵深与载荷曲线具有跃进式变化，载荷和侵深及崩碎坑投影面积在统计 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 上有比例关系，破碎角变化不大等 8 - 1 1 。 h e r t z ( 1 8 8 1 ) 定量地描述了在两个弹性体接触过程中，当侵入体载荷达到 临界值时在被侵入体内所产生的圆锥形裂纹及其向下的扩展问题。赫兹理论虽然 能正确说明刀具侵入的最初阶段( 赫兹裂纹产生阶段) ，但难以说明以后发生的 跃进式侵入过程。切列尔巴诺夫仔细观察了刀具破岩过程，并且试用断裂力学的 指标来进行分析计算。根据实验观察，刀具破岩过程可分为四个阶段：压缩变形 阶段、赫兹裂纹发生和扩展阶段、径向裂纹产生和扩展阶段以及破碎阶段 1 2 。 中南大学赖海辉教授和瑞典林奎斯第( ( l i n d q v i s tp _ a ) 教授，于上世纪8 0 年代末期率先用扫描电镜对平头楔刃加载下的石灰石、6 0 。楔刃加载下的大理石 和花岗岩的破碎进行了显微观察，获悉了裂纹开裂时其接触应力与岩石单轴抗压 强度或抗拉强度的初步关系式 1 3 - 1 4 。 静力压入岩石时的应力分布是岩石破碎研究的基本内容。不同的压头形状产 生不同的接触压力，因而不同压头静态侵入弹性半空间岩体引起的应力也各不相 同。布希涅希克( j b o u s s i n e s q ) 利用弹性力学的方法研究无限大物体边界上作 用集中力，得出在岩石破碎前应力分布( 公式( i - i ) 公式( 1 - 4 ) ) 。为研究压 头作用下岩石应力及应变分布规律提供曝实的力学基础。 咿去( 紫一警) - ) = 一掣( 熹一i z ) 2 ) 3 pz 3 吒一2 n - r 2r 3(1-3) 3 p 彪2 f = 一 2 n r 2r 3 ( 1 4 )图卜2 无限大平面受力分析图 式中，、z 为圆柱坐标，尺为原点到所观察点的距离。应力以拉应力为正， 为泊松比。 c h e a t h a m ( 1 9 5 8 ) ，p a r i s e a u 和f a i r h u r s t ( 1 9 6 7 ) 年，m i l l e r 和c h e a t h a m ( 1 9 7 2 ) 等都基于塑性力学的滑移线场理论，研究了压头作用下材料的塑性破坏 理论，为后来的研究者提供了理论基础 1 5 - 1 8 。 波尔把楔形刃侵入岩石的过程 8 简化成图1 - 3 ，载荷尸在垂直刃面上的分力 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 r ( 不计摩擦力，当考虑摩擦力时，分析的实质并不改变) ，r 在剪切断裂面上 形成剪切力丁和法向力。利用摩尔破坏条件，当剪应力f 超过内聚力和内摩擦 力盯时，便发生剪碎。即破坏条件是f 一仃= c 。波尔认为跃进的载荷和侵深 之比为一个常数，即侵入系数，侵入系数k 可以写成： k ：2 尺s i n t g ( 1 - s i n 9 i ) c o s 口 式中：足是岩石的单轴抗压强度 p ( 1 - 5 ) 图卜3 波尔理论计算 波尔的理论认为，跃进发生之前的尸一h 曲线上升斜率是不变的，在诸跃进 点的，巧值符合下式：只= 耐，因此跃进式的p h 曲线如图卜4 所示： 图1 - 4 波尔载荷一侵深曲线 4 h - 1 - 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 屠塔的侵入理论与波尔理论有所不同，他认为压头下岩石剪碎的力不是压头 直接给予的，而是压头下的密实核的尖劈代替了波尔理论中的刃 8 】，如图卜5 所 示。 p 图1 - 5 屠塔理论计算 d l 卡西舍( s i k a r s h i e ) 对上面两种理论作了更大幅度的改进，他把刀刃 给予岩石的作用力作为一个分布力，然后利用弹性力学的边界条件问题，求出岩 石中的应力场。如图1 - 6 所示。 图卜6 卡西舍侵入理论 总的来说，侵入岩石的理论分析，迄今为止还没有真正解决，其困难在于： 对侵入破碎的物理过程还没有充分了解：密实核周围的应力分布情况不明， 因而难以准确分析岩石之中的应力场；脆性岩石的破碎判据不清。因此，关于 侵入破碎的计算还只能依赖于经验。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 盘形滚刀破岩理论研究 1 9 6 3 年t e a l e 对不同刀刃角的刀具进行了试验观察，发现刀刃越尖，侧向 荷载越高，由于其刀具刚度不足，易导致刀具的晃动，不能提供足够的侧向抗力。 因此，刀刃角不宜太小，一般为9 0 。1 9 6 5 年t e a l e 提出了比能( s p e c i f i c e n e r g e ，用s e 表示) 的概念 3 ，1 9 2 2 。 比能是破碎单位体积岩石所需要的能量：距= e n e r g y v o l u m e 。t e a l e 将比 能分成推力分量( 瓯删) 和转动分量( 跚0 船) 。该理论对岩石破碎效率和t b m 设计都起了很重要的作用，计算公式见公式( 1 - 6 ) 和公式( 1 - 7 ) 。 s t = 笨= 每( 1 - 6 ) 式中：r 是垂直于岩石面的垂直力；a 是切割面积；尸滚刀侵入岩石的深 度。 s e r o 棚= 等( 1 - 7 ) 式中：是扭矩；是切割面积；p 滚刀侵入岩石的深度。 p a u l 和s i k a r s k i e ( 1 9 6 5 ) 采用摩尔破坏准则对楔形体侵入脆性材料进行了 理论研究。研究认为，在楔形压头下面存在压碎区和中裂纹，碎片形成始于刀具 的侧边缘，随着侵入深度的增加，载荷也增加直至岩石碎片形成，然后载荷突然 降低，如此周而复始，形成锯齿形载荷曲线。 o z d e m i r 和m i l l e r ( 1 9 7 6 ) 、s n o w d o n ( 1 9 8 3 ) 、s a n i o ( 1 9 8 5 ) 和g e r t s c h 和o z d e m i r ( 1 9 9 1 ) 等学者在大量的实验基础上对切割力、比能、刀间距进行了 研究，结果表明： 刀间距增大会增加刀具受力，直到滚刀之间没有相互作用；刀间距减小， 会使岩石碎片变小，比能增大。 存在最优的刀间距与侵入深度比值( s p ) ，使得比能为最小，如图卜7 所示。 刀间距增大，会使碎片尺寸变大，直到最优的比能，随着刀间距进一步 增大，比能又丌始增加。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 刀问墨巨与侵入深度比值与比能图 1 2 3 滚刀破岩预测力的研究 滚刀破岩预测模型是设计盾构机刀盘和推进系统的重要依据，国内外众多学 者和研究机构对盘形滚刀破碎岩石受力预测模型进行了研究，得出各自的破岩受 力预测模型。 伊力斯( e v a n s ，1 9 6 6 ) 认为，盘形滚刀破岩所需要的垂直推力e 与盘形滚 刀压入岩石区域在岩石表面的投影面积彳，( 图1 - 8 ( b ) 中阴影域) 成正比，其 比值为岩石单轴抗压强度以 2 3 - 2 5 。即： f y = o c a p 彳p 为两条抛物线围成面积的一半，如图1 - 8 ( b ) 所示，即： a p = 詈办厅百可t a n 詈 式中：尺为盘形滚刀半径； h 为盘形滚刀切入岩石深度； 秒为盘形滚刀刀刃角。 由此得到垂直推力表达式： ( 1 8 ) ( 1 9 ) r = 办厅百可t a n 兰 1 0 ) 式中：盯c 为岩石抗压强度。 实验证明，按伊万斯公式计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 一 飘零蕞力 图卜8e v a n s 提出的盘形滚刀受力示意图 r o x b o r o u g h 和p h i l i p s ( 1 9 7 5 ) 研究了“v ”形滚刀的理论垂直力和滚动力， 垂直力和滚动力简单的认为只与切割面积和岩石的抗压强度有关，切割面积是滚 刀半径、侵入深度和刀刃角的函数 26 | 。 只，：4 0 r 。 (1)c t a n 幻d p 3 _ p 4 11 2 r ：4 盯，尸2 t a n 矽- ( 1 1 2 ) 一 2 式中：目是垂直力；昧是滚动力；吒是岩石的单轴抗压强度；d 是盘形滚 刀直径；尸侵入深度；矽是滚刀刀刃角。 日本学者秋三藤三朗垂直推力计算采用的是伊万斯公式，并提出了侧向力 r 的计算公式，如图1 - 9 所示。秋三藤三朗认为，盘形滚刀的侧向力可用挤压 破碎理论和剪切破碎理论两种理论计算。挤压破碎理论认为盘形滚刀的侧向力是 将破岩刃侧的岩石挤压破碎所受到的反作用力，而剪切破碎理论认为盘形滚刀的 侧向力为将相邻两盘形滚刀间的岩石剪掉所受到的反作用力。 f 警 嚣 厂( 1 一s i n 臼) 时，滚刀刀刃侧面对岩石的作用力使得岩石发生剪切破碎， 乃2 = 乃3 0 。 2 8 中南大学硕士学位论文第三章盘形滚刀受力预测模型 f 9 2 - - 乃，= e c o s ( 三一0 一) = 去佻i n ( ) 式中：0 是滚刀刀刃角的一半； 是滚刀与岩石摩擦角； 品是剪切体与滚刀刀刃的接触面积在水平方向的投影 将剪切体与刀刃接触面积在水平方向上的投影简化为三角形， 示。则的计算如公式( 3 - 1 0 ) 所示。 则得： s h = 1 慨i n 矽 图3 7 剪切体与滚刀刀刃接触面积在水平方向的投影 f v 2 = 乃，= 等c o s p s i n ( 唧) z 则垂直力e 计算如下： 当h r ( 1 - s i n 0 ) 时 b = r s i n 矽仁+ 乖i 丽) 吒 当h r ( 1 - s i n0 ) 时 e = r s i n 矽( b + r c o s 臼，) 吒+ p h r s i n 凸s i n ( 秒+ ) c o s 2 9 ( 3 9 ) 如图3 7 所 ( 3 一l o ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 中南大学硕士学位论文 第三章盘形滚刀受力预测模型 式中：尺是滚刀半径； ，是滚刀刀刃过渡圆半径； 矽是滚刀与岩石的接触角，痧= a r c c 。s 每； 召是滚刀刀刃顶部宽度； h 是滚刀切割深度； 0 是临界角，0 = 万2 一( 九+ + y ) ； 舛是岩石的单轴抗压强度； p 表达式见公式( 3 4 ) ； h 是剪切体高度，h = 办一r ( 1 一c o s l 9 ) 。 3 3 2 滚动力和侧向力预测模型 1 ) 滚动力的计算 滚动力最由垂直推力乃乘以常数c 来决定，c 称为切割系数2 5 t2 引。 c ：鱼二! 竺! 丛( 3 - 1 4 ) 矽- s i n 矽c o s 矽 当h r ( 1 一s i n 0 ) 时 r ：氅r s i n 矽0 + 4 h ( 2 r - h ) ) q ( 3 1 5 ) 矽一s i n 矽c o s 矽 、 当h r ( 1 一s i n0 ) 时 b=丽o-cos矽)陋矽(b+rcos0)osin c o s+ 尸等c o ss i n ) ) ( 3 - 1 6 ) 矽一矽矽 ， 2 ) 侧向力的计算 滚刀受到的侧向力b ：和b ，分别为e 和e 在水平方向上的分力： f s 2 = b ，= p c s 。s h 秒s i n ( 三一秒一) = p 兰主笔岩c 。s ( 乡+ ) ( 3 1 7 ) 由于b ：= b ，理论上认为滚刀在直线切割岩石过程中，滚刀两侧岩石对滚 刀作用力相等，滚刀受到的侧向力等于零，而在实际切割过程中，由于滚刀两侧 岩石剪切体大小不同，岩石破碎不发生在同一时刻，故实际滚刀切割岩石过程中 3 0 中南大学硕士学位论文第三章盘形滚刀受力预测模型 存在侧向力。一层：b 乓，故本文认为滚刀侧向力如公式( 3 1 8 ) 所示。 一1 2ph c r 。s s i 秒n c o s ( 秒+ ) b 三p i h r 万s i n c 。s ( 秒+ ) ( 3 - 1 8 ) 3 4 模型的对比与验证 本节主要对本文建立的模型与相关文献的实验数据及克罗拉多线性切割模 型和科罗拉多c s m 模型进行对比，因为克罗拉多线性切割模型与c s m 模型没有侧 向力预测模型，而且从来理论上来说，直线切割岩石过程中没有侧向力。所以在 此仅对垂直力和滚刀模型进行对比验证。 3 4 1 科罗拉多滚刀切割实验 密苏里大学罗拉分校( u n i v e r s i t yo fm i s s o u r i r o l l a ) 的g e r t s c h 2 0 ，5 0 在科罗拉多线性切割实验台进行滚刀切割科罗拉多红花岗岩( c o l o r a d or e d g r a n it e ) 实验，所用的刀具是r o b i n s 公司生产的刀尖宽度为 1 3 m m ( d = 2 r = 4 3 2 m m ，b = 1 3 r a m ，= 2 3 m m ，2 0 = 2 6 。) 1 7 寸近似常截面盘形滚刀。 如图所示3 8 所示。 b 图3 - 8 实验用近似常截面滚刀刀刃形状 实验所用的克罗拉多红花岗岩材料力学性能参数见表3 2 所示。 表3 - 2 科罗拉多红花岗岩材料参数 单轴抗压强度m p a 抗剪强度m p a 抗拉强度m p a 弹性模量g p a 泊松比 l5 8 2 2 8 6 7 8