盘刀破岩机理的细观数值模拟研究

论文摘要

全断面岩石掘进机(TBM)因具有施工速度快、施工质量高、作业人员工作环境好、施工经济安全等优点,其越来越受到国内外工程界的重视。但目前我国TBM国产化相对落后,刀盘设计是TBM的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。TBM在掘进破岩过程中盘刀上的滚刀与前方岩体直接接触,他们之间的相互作用是非常重要的一个方面。实践证明TBM在硬岩地质条件下施工过程中,刀具的费用要达到机组施工成本的三分之一左右。故对岩石破碎机理进行深入研究很有理论价值和工程指导意义。本文研究结果可以为TBM设计、盘形滚刀布置提供参考。本文在国家自然基金重点项目(40638040)、973研究计划项目(2007CB209400和2007BAF09B01)国家自然基金国际合作项目(50820125405)资助下,通过采用RFPA软件对TBM盘形滚刀做用下岩石破碎机理进行数值模拟研究。本文主要做了以下几方面的工作：(1)通过阅读相关文献,介绍了国内外刀头破岩在理论推导、物理试验和数值模拟的发展状况。模拟单刀头作用下的岩体破碎过程数值模拟,结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体产生四个阶段。单刀头模拟过程中讨论了不同围压和不同岩石的的影响。(2)双刀头、三刀头同时作用下以及三刀头顺次压入岩体破碎过程数值模拟。多刀头之间有明显的协同作用效应。(3)本文对多刀头作用时进行了刀间距优化。破碎比能系数随着刀间距的增加有一个逐渐减小然后增加的过程,存在最优刀间距现象。其他条件相同情况下,对不同岩石的最优刀间距进行对比,并讨论了不同岩石对破碎比能系数的影响。通过对双刀头破岩、三刀头同时破岩及三刀头顺次破岩数据和刀间距优化曲线相比发现研究多刀头的必要性和不同加载方式的重要性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的理论意义和应用价值
• 1.3 国内外研究现状及存在的问题
• 1.3.1 国内外理论推导和试验研究现状
• 1.3.2 国内外数值模拟研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 本文的主要研究内容
• 1.4.2 本文研究所采用的技术路线
• 2 数值模型建立
• 2.1 岩石力学性质
• 2.1.1 岩石介质的基本特征非均性描述
• 2.1.2 岩石应力应变全过程曲线
• 2.1.3 岩石强度破坏准则
• 2.2 岩石损伤现象及破坏机理
• 2.3 岩石的统计细观弹性损伤模型
• 2.3.1 拉伸损伤的本构关系
• 2.3.2 剪切损伤的本构关系
• 2.4 盘形滚刀破岩模型
• 2.4.1 盘形滚刀简介及模拟简化
• 2.4.2 数值模拟参数选取及网格划分
• 3 单刀头作用下的破碎过程模拟
• 3.1 泥质粉砂岩破碎过程模拟分析
• 3.2 泥质粉砂岩竖向荷载与加载步曲线分析
• 3.3 泥质粉砂岩不同围压单刀头作用下的破岩过程模拟
• 3.3.1 泥质粉砂岩不同围压单刀头作用下的破碎过程分析
• 3.3.2 泥质粉砂岩不同围压单刀头作用下的荷载与加载步曲线
• 3.4 泥质粉砂岩和花岗片麻岩的对比
• 4 多刀头数值模拟
• 4.1 泥质粉砂岩双刀头同时作用下数值模拟
• 4.1.1 破碎过程分析
• 4.1.2 竖向荷载与加载步曲线分析
• 4.1.3 单刀头和双刀头竖向荷载与加载步曲线对比分析
• 4.1.4 双刀头工况下数值模拟与物理试验结果对比分析
• 4.2 泥质粉砂岩三刀头同时作用下数值模拟
• 4.2.1 双刀头和三刀头竖向荷载与加载步曲线对比分析
• 4.3 泥质粉砂岩三刀头顺次作用下数值模拟
• 4.3.1 泥质粉砂岩三刀头顺次作用下应力图分析
• 4.3.2 泥质粉砂岩三刀头顺次作用下竖向荷载与加载步曲线分析
• 5 刀间距优化
• 5.1 多把滚刀共同作用时存在最优刀间距的问题
• 5.1.1 刀间距研究的现实意义
• 5.1.2 刀间距研究的理论现状
• 5.1.3 本文的工作
• 5.2 双滚刀破岩刀间距优化
• 5.2.1 泥质粉砂岩双滚刀同时作用下刀间距优化
• 5.2.2 花岗片麻岩双滚刀作用下刀间距优化
• 5.2.3 泥质粉砂岩和花岗片麻岩双滚刀作用下刀间距优化对比
• 5.3 三滚刀破岩刀间距优化
• 5.3.1 泥质粉砂岩三滚刀作用下刀间距优化
• 5.3.2 花岗片麻岩三滚刀作用下刀间距优化
• 5.3.3 泥质粉砂岩和花岗片麻岩三滚刀作用下刀间距优化对比
• 5.4 三滚刀顺次破岩刀间距优化
• 5.4.1 泥质粉砂岩三滚刀顺次作用下刀间距优化
• 5.4.2 花岗片麻岩三滚刀顺次作用下刀间距优化
• 5.4.3 泥质粉砂岩和花岗片麻岩三滚刀顺次作用下刀间距优化对比
• 5.5 双刀头、三刀头、三刀头顺次压入刀间距优化对比
• 5.5.1 泥质粉砂岩在双刀头、三刀头同时、三刀头顺次压入刀间距优化对比
• 5.5.2 花岗片麻岩在双刀头、三刀头、三刀头顺次压入刀间距优化对比
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢