確定巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖過程中巖石力學(xué)響應(yīng)分區(qū)是研究滾刀-巖石相互作用過程的基礎(chǔ),也是建立滾刀破巖力計算模型的關(guān)鍵。基于空腔膨脹理論,分析滾刀貫入過程中巖石力學(xué)響應(yīng)過程和分區(qū),建立滾刀破巖過程空腔膨脹模型。在此基礎(chǔ)上通過理論推導(dǎo)得到各響應(yīng)分區(qū)力學(xué)形成機(jī)理和尺寸信息,并分析各響應(yīng)分區(qū)在不同破巖條件下的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在滾刀貫入過程中,巖石可以劃分為5個響應(yīng)分區(qū):處于靜水壓力狀態(tài)的密實(shí)核區(qū)、壓剪破壞占據(jù)主導(dǎo)地位的破碎區(qū)、拉伸破壞控制的徑向裂紋區(qū)、彈性區(qū)和未擾動區(qū)。巖石強(qiáng)度和圍壓是影響破巖效果的重要因素。隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的增加,徑向裂紋區(qū)和彈性區(qū)尺寸近似線性增加,破碎區(qū)尺寸基本保持不變。隨著圍壓的增加,徑向裂紋區(qū)和彈性區(qū)尺寸迅速減小,破碎區(qū)尺寸則不受影響。 

【文章來源】：武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2020,53(07)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

楔刀貫入過程中的空腔膨脹模型[4]

大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[3-6]和數(shù)值模擬[1,2,7-9]證實(shí)機(jī)械破巖過程一般可以簡化為二維貫入問題，即楔形壓頭或者其他形狀壓頭以一定的深度垂直貫入巖石表面。Marsh D M[10]和Johnson K L[11]采用空腔膨脹模型模擬半空間無限體表面彈塑性貫入過程，假定核心區(qū)外部的應(yīng)力和位移沿徑向?qū)ΨQ分布，密實(shí)核邊界上質(zhì)點(diǎn)徑向位移適應(yīng)被壓頭取代的材料體積。Huang H[12]和Detournay E等[13]總結(jié)了空腔膨脹模型，并將其用于描述壓敏型Mohr-Coulomb材料貫入問題。然而，因?yàn)椴捎玫氖菑椝苄苑治鲞^程，空腔膨脹理論或多或少都可以被認(rèn)為是一種連續(xù)分析模型，大多數(shù)情況下研究人員僅關(guān)注塑性區(qū)的發(fā)展和彈塑性邊界的半徑，而非隨后的裂紋萌生和擴(kuò)展過程。結(jié)合斷裂力學(xué)理論，Chen Lihsien等[5]指出，當(dāng)鈍形壓頭貫入巖石時，巖石表面以下變形區(qū)域可分為3個響應(yīng)分區(qū)：1）由被壓碎材料組成的核狀區(qū)域；2）塑性損傷區(qū)域；3）完整巖石彈性區(qū)域。核心區(qū)和損傷區(qū)尺寸會隨著貫入度增加而增大，當(dāng)儲存在其中的應(yīng)變能達(dá)到臨界值時，在彈塑性區(qū)域交界面上會出現(xiàn)沿貫入軸線方向向巖石內(nèi)部擴(kuò)展的中間裂紋，這將導(dǎo)致巖石被壓碎和破壞。結(jié)合改進(jìn)能量準(zhǔn)則，Tan X C等[1]采用位移不連續(xù)方法，模擬貫入過程中裂紋萌生發(fā)展和巖石起裂過程，發(fā)現(xiàn)裂紋在空腔區(qū)域兩側(cè)邊界上萌生，然后可能向巖石內(nèi)部擴(kuò)展形成內(nèi)部裂紋使得巖石性質(zhì)劣化，也可能向巖石表面擴(kuò)展形成側(cè)向裂紋使得巖石片起剝落。圖2 楔刀貫入過程中的空腔膨脹模型[4]

CCS滾刀貫入過程中的空腔膨脹模型

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]TBM滾刀破巖動態(tài)特性與最優(yōu)刀間距研究[J]. 譚青,易念恩,夏毅敏,徐孜軍,朱逸,宋軍華.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2012(12)
[2]基于UDEC的隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖數(shù)值模擬研究[J]. 莫振澤,李海波,周青春,何恩光,鄒飛,朱小明,趙羽.  巖土力學(xué). 2012(04)
[3]TBM滾刀破巖過程影響因素數(shù)值模擬研究[J]. 孫金山,陳明,陳保國,盧文波,周傳波.  巖土力學(xué). 2011(06)
[4]巖體貫切破壞在不同側(cè)向自由邊界的聲發(fā)射演化[J]. 陳立憲,黃國忠,陳堯中.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2009(12)
[5]基于顆粒流模型的TBM滾刀破巖過程數(shù)值模擬研究[J]. 蘇利軍,孫金山,盧文波.  巖土力學(xué). 2009(09)



本文編號：3374548