TBM破岩实验及数值研究1.ppt

TBM滚刀破岩实验与数值研究目录研究内容TBM冲击破岩试验机原理图改造后的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。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。围压5MPa围压5MPa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。
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。2.数值模拟研究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。
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。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。2.2预埋裂纹对破岩的影响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。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。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。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。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。图21动载振幅为0.4mm/s时不同频率下的岩体破坏从图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。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。3研究成果及进一步工作