TBM破岩实验及数值研究1

TBM滚刀破岩实验与数值研究 中南大学资源与安全工程学院 曹平 目录 研究背景与思路 1 研究内容 2 CONTENTS 研究成果 3 研究背景与思路 目前 国内外学者从各方面对TBM滚刀破岩展开了相关的研究 取得了一定成果 根据前人研究可知 岩体质量及其环境 刀具参数以及TBM运行参数等将会对TBM破岩效果产生影响 根据研究对象的不同可将研究主要分为两类 第一类研究聚焦于岩体外的因素如刀具形状 刀间距以及加载顺序等对破岩的影响 而另一类研究则主要研究岩体内部因素如节理间距 倾角以及岩体强度等对刀具破岩的影响 本课题拟采用室内实验与数值模拟相结合的方式 研究不同围压下 动静载荷对完整岩体与预制裂纹岩体破岩效果的影响 研究内容 1 室内试验研究 针对TBM的冲击破岩方式 设计与其破岩过程相适应的实验装置 基于中南大学自主研发的TRW 3000真三轴试验机 如图1所示 设计TBM冲击破岩实验平台 1 1TBM冲击破岩装置的改造 图1TRW 3000真三轴试验机 TBM冲击破岩试验机原理图 TBM冲击破岩试验机原理如图2所示 环形油缸和扰动冲击油缸分别提供静载荷与冲击载荷 图2TRW3000真三轴冲击破岩试验机原理图 扰动冲击油缸 静载环形油缸 加载刀头 试件 围压加载面板 改造后的TBM冲击破岩试验机如图3所示 围压由Z轴油缸提供 刀具载荷由Y向油缸提供 Y轴静载环形油缸 TBM刀头 Z轴围压加载油缸 图3TBM刀具破岩示意图 实验采用天然花岗岩试件 试件大小为150mm 150mm 20mm 如图4所示 试件的岩石力学参数如表1所示 图4花岗岩试件 表1试件岩石力学参数 围压5MPa 围压10MPa 围压20MPa 图5不同围压下刀具破岩效果图 围压为5MPa 10MPa以及20MPa情况下岩体破坏情况如图5所示 得出 围压为20MPa时从试件上剥落的皲裂体较小且形状狭长 而围压较低时块度较小 裂纹扩展情况较好 1 2不同围压下刀具静载破岩实验研究 围压5MPa 围压10MPa 围压20MPa 图6不同围压下刀具侵入破坏效果图 近刀头破坏效果如图6所示 刀具侵入后 在岩体表面剥落形成了皲裂体 当围压为5MPa时试件内部主裂纹十分明显 当围压为10MPa以及20MPa时岩体内部未出现明显主裂纹 说明围压的增加抑制了主裂纹发育 刀具侵入力 位移曲线如图7所示 侵入力在峰值过后出现回落 并呈现跃进式变化 其对应的侵入力峰值分别为43 07KN 52 40KN以及59 50KN 说明围压的增加会一定程度上增大侵入力峰值 围压5MPa 围压10MPa 围压20MPa 图7不同围压下刀具侵入力 位移曲线 不同围压刀具破岩实验结果如表2所示 分析平均侵入速度与主裂纹长度得出 1 围压的增加将在一定程度上减小刀具的侵入速度 2 围压的增大会抑制主裂纹的发育 表2不同围压下刀具破岩实验结果 2 数值模拟研究 1 计算模型及参数标定 图8PFC数值计算模型 参照室内实验 PFC数值计算模型如图8所示 利用刚性墙模拟滚刀 模型顶底部通过刚性墙的伺服程序控制围压 2 1不同围压下的破岩数值模拟 实验以花岗岩为切割样本 图9 从图中可以看出花岗岩中存在大量块状颗粒结构 同时借鉴国外学者研究 采用块体化颗粒模型对其进行标定 其过程如图10所示 相关参数如表3所示 图10块体化颗粒模型 表3标定岩体参数 图9花岗岩局部放大图 不同围压下刀具侵入力变化如图11所示 由图可知模拟结果与实验结果较为接近 侵入力存在峰值并呈跃进式变化特征 图11刀具侵入力变化曲线 2 模拟结果及分析 从岩体最终破坏图12得出围压为5MPa时主裂纹发育较好 而围压的增加抑制了主裂纹的发育 而从裂纹裂纹与刀头前进方向的夹角 表4 可知 随着围压增加侧裂纹倾向于向自由面发育 图12岩体最终破坏图 表4裂纹与刀头侵入方向夹角 2 2预埋裂纹对破岩的影响 以格里菲斯理论 式1 与钝刀切削模型 图13 为指导 得到刀具下方破碎岩体主要由密实核 塑性区与含有裂纹的弹性区组成 图13钝刀切割模型 1 式中 为发生断裂时的应力 E为弹性模量 为泊松比 为表面能 a为裂纹尺寸 2 式中 式中 为内摩擦角 为剪胀角 KIc为与裂纹粗糙度相关的因子 q为岩体单轴抗压强度 d 为关键侵入深度 m1 m2为与加载方式与刀具形状相关的常数 为塑性区半径 滚刀作用下塑性区半径如式2所示 参考前人的相关研究 将切割模型简化成一平面切割过程 通过编写fish语句得到数值计算模型如图14所示 a为预埋裂纹倾角 相关参数如表5所示 图14数值计算模型 表5含预埋裂纹岩体参数 TBM刀具作用下岩体裂纹发育情况如图15所示 由图可以看出 在含有预埋裂纹的试件中 除裂纹倾角为90 的情况外 主裂纹都扩展至预埋裂纹尖端 图15TBM刀具作用下岩体裂纹发育 完整岩体 倾角为90 倾角为60 倾角为45 倾角为30 倾角为0 主裂纹长度与其裂纹起始角 偏转角如表5所示 由表可知 主裂纹发育都在一定程度上受到预埋裂纹阻碍 且当裂纹倾角小于等于45 时其裂纹长度如式 3 所示 表5裂纹发育情况 式中 为主裂纹长度 为塑性区半径 为预埋裂纹长度 从刀具侵入力与侵入深度关系图16得出 1 其呈现跃进式发展 2 预埋裂纹的存在使得侵入力的峰值有所下降 图17中可以看出 裂纹以法向张拉裂纹为主 总裂纹数目与预埋裂纹的倾角近似呈先降后升的趋势 图16侵入力变化图 图17微观裂纹统计图 破岩能量如图 18 所示 由图可知 1 预埋裂纹的存在使得在相同侵入深度下所消耗的总能量减少 2 当预制裂纹倾角大于30 时 其每条微裂纹所需的切削能与倾角成反比 图18破岩能量 当等效应力达到动态断裂应力水平同时损伤度达到一临界值时 岩体发生断裂 此时损伤断裂判据可表示为 式中 脆性损伤时Dc 0 动静荷载作用下 岩体断裂损伤情况有以下三种情况 1 当时 岩体处于线弹性阶段 2 当 为微裂纹扩展临界应力 时 微裂纹开始扩展 同时垂直拉伸应力方向的微裂纹将首先扩展 此时的扩展条件为 式中a为微裂纹的初始半径 KI为应力强度因子 2 3动静载荷作用下的TBM破岩研究 数值研究中选取的动载荷频率分为 低频 0 5Hz 1Hz 中频 2Hz 3Hz以及高频 4Hz 5Hz 动载作用时间为0 02s 采用位移控制加载 其加载振幅如图19所示 静载作用下微裂纹的分布如图20所示 图中 红色裂纹为张拉型微裂纹 黑色裂纹为剪切型微裂纹 图19动静载荷振幅图 图20静载作用的岩体破坏 图21动载振幅为0 4mm s时不同频率下的岩体破坏 F 0 5 F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 如图21所示 不同频率动载作用下 密实核与损伤区域的大小与宏观裂纹存在一定差异 在此对各个不同振幅与频率下的微观与宏观裂纹进行了相应分析 由图22可知 损伤破坏面积与振幅成正比 且均大于静载下的面积 说明动静载荷会在一定程度上增大密实核与损伤区域面积 图22动静载荷对密实核与损伤区域面积影响 从图23可知 多数情况下动静载有利于剪切微裂纹的发育 从图24中可以得出张拉微裂纹随频率总体呈先升后降然后再升的趋势 频率过高或者过低都不利于张拉裂纹的发育 图23频率对剪切微裂纹数量的影响 图24频率对张拉微裂纹数量的影响 如图25所示 中低频时 中间裂纹长度与频率大小成正比 而高频时成反比 由此可得高频不利于中间裂纹发育 从图26得知 1 高频加载不利于侧向裂纹发育 2 与静载作用下侧向裂纹发育相比 可知大部分动载不利于侧向裂纹发育 图25动静载荷对中间裂纹发育的影响 图26动静载荷对侧向裂纹发育的影