TBM破岩实验及数值研究1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,T,BM,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。,1.1 TBM,冲击破岩装置的改造,图,1 TRW-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,2 TRW3000,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,3 TBM,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,密度（,kg/m,）,单轴抗压强度（,MPa,）,巴西劈裂强度（,MPa,）,2,8,50,103.5,6.8,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。,围压,侵入力峰值,刀具侵入速度,主裂纹长度,5MPa,43.07KN,9.4mm/s,6.4cm,10MPa,52.40KN,8.8 mm/s,6.3cm,20MPa,59.50KN,7.2 mm/s,3.3cm,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,8 PFC,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,密度（,kg/m,）,单轴抗压强度（,MPa,）,巴西劈裂强度（,MPa,）,室内试验测定参数,2,8,50,103.5,6.8,数值模拟参数,2,8,50,98.9,6.5,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,围压,主裂纹与刀头侵入方向夹角,侧裂纹与刀头侵入方向夹角,5MPa,7,.2,46.5,10MPa,-,47.5,20MPa,-,65.0,2.2,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；,K,Ic,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；,m,1,m,2,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,密度（,kg/m,）,单轴抗压强度（,MPa,）,泊松比,弹性模量（,GPa,）,数值模拟参数,2360,21.56,0.2,1.81,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,15 TBM,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。,(),(),长度,（,mm,）,完整岩体,22.1,21.2,31.5,23.3,29.6,36.9,22.7,29.3,23.2,21.9,32.5,21.4,22.3,33.2,24.9,22.1,27.7,38.8,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,D,c,=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；,K,I,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：,0.5 Hz,，,1 Hz,；中频：,2 Hz,，,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响,3,研究成果及进一步工作,完成了基于真三轴试验机的冲击破岩装置的改造，开展了不同围压下刀具静载侵入破岩实验。,发表,(SCI,录用,),论文,TBM,滚刀动静载荷耦合破岩数值研究,（,EI,录用,）,3.1,研究成果：,3.2,进一步研究方向：,在刀具侵入破岩研究的基础上，开展动载冲击破岩实验研究，并对冲击载荷下预制裂纹扩展模式以及破坏形式进行研究。,谢谢各位,!,