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节理特征对岩石断裂的影响及TBM滚刀破岩仿真研究
| 论文题名： | 节理特征对岩石断裂的影响及TBM滚刀破岩仿真研究 |
| 关键词： | 隧道盾构施工;岩石节理;内聚力方法;岩石断裂;裂纹聚结;TBM滚刀破岩 |
| 摘要： | 在隧道盾构施工过程中，岩体内经常存在大量的节理，节理岩体容易被破坏，造成坍塌等工程事故。节理对岩体稳定性和隧道潜在破坏方向有决定性作用。本文采用有限元方法对节理岩石的断裂展开了仿真研究：首先通过单轴压缩研究了不同节理特征对不含孔洞和含不同隧道形孔洞岩石断裂特征的影响，之后对节理岩石进行TBM滚刀破岩仿真。该研究可以提升对节理岩石力学行为的认识、加强对节理岩体中隧道破坏模式的理解，对隧道等工程施工具有指导性意义。本研究的主要内容和结论如下： （1）利用内聚力方法在ABAQUS中建立了完整岩石和含不同隧道形孔洞岩石的有限元模型。首先在实体单元的公共面插入零厚度的内聚力单元，使用课题组提出的双线性本构模型判断内聚力单元的初始损伤和最终失效，以模拟裂纹的产生和发展过程。对岩石的单轴压缩实验进行仿真，将仿真结果与文献实验结果进行对比，验证了岩石模型的正确性。进一步利用自由面模拟岩石节理，建立了节理岩石的有限元模型，对其进行单轴压缩仿真，发现该方法可以较好地模拟节理尖端裂纹的产生和发展以及节理之间裂纹聚结现象。 （2）通过单轴压缩仿真算例，研究了节理倾角对不含孔洞岩石和含不同隧道形孔洞岩石断裂特征的影响，观察其断裂的过程，结果表明：随节理倾角增大，其单轴抗压强度和杨氏模量先减小后增大；节理之间出现了四种裂纹聚结形式，节理与孔洞之间出现了三种裂纹聚结形式，裂纹聚结类型受节理倾角的影响。同时，研究了节理连续性因素（节理长度、间距和岩桥长度）对岩石断裂特征的影响，分析了不同连续性条件下节理岩石的断裂过程，结果显示：节理长度和间距对岩石力学性能以及节理之间的裂纹聚结类型影响较大，岩桥长度的影响相对较小。 （3）建立了TBM滚刀破岩仿真模型，分别研究了围压、节理倾角和节理连续性等因素对TBM滚刀破岩特征的影响，观察了不同参数下岩石的断裂过程、滚刀与岩石的接触力和岩石裂纹面积。结果表明：围压、节理倾角、节理长度和节理层数对其接触力和裂纹面积的影响较大，节理间距和岩桥长度的影响相对较小。 |
| 作者： | 杨顶 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 高伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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