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复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验研究
| 论文题名： | 复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验研究 |
| 关键词： | 全断面掘进机;复合岩层;颗粒离散元;滚刀破岩;滚刀法向力 |
| 摘要： | TBM(TunnelBoringMachine)，即全断面掘进机，是一种破岩、装岩、排渣、支护同步进行的掘进设备。TBM因其安全性好、掘进速度快、机械化程度高等优点，已在能源、交通、水利、市政工程等领域广泛应用。TBM采用滚刀破岩，其破岩效率受地质条件影响较大。复合岩层滚刀破岩特征与均质岩层有较大的差异。为揭示TBM在复合岩层中的破岩机理，为复合岩层中TBM掘进参数优化提供理论依据，本文开展了加载速度、刀间距、裂纹等方面的研究工作，主要研究内容及结论如下: (1)开展类复合岩样物理力学性能试验，获得类复合岩样物理力学参数。采用PFC2D数值模拟软件建立单轴压缩和巴西劈裂数值模型，以两种类复合岩样物理力学参数为基础，标定颗粒流细观力学参数。 (2)开展复合岩石滚刀破岩数值试验。利用PFC2D建立滚刀破岩颗粒流数值模型，通过改变模型的加载速度和刀间距探究滚刀破岩过程中法向力、裂纹以及颗粒接触数等分布演化机理。研究发现:滚刀破岩过程中法向力随着贯入度的增加，滚刀法向力急剧增加，达到一定峰值后滚刀法向力开始减小，随着贯入度的进一步增加，滚刀法向力开始保持震荡变化的趋势。滚刀破岩过程中裂纹是呈平缓—陡增—平缓—陡增的趋势扩展发育。加载速度在一定范围内，单滚刀破岩效率随着加载速度的增加而提高。刀间距为40mm时，双滚刀破岩效果较好，刀间距为60mm时，破岩效果较差。 (3)将压力试验机改造成滚刀破岩试验平台，开展TBM滚刀破岩相似模型试验，研究滚刀破岩条件下复合岩石损伤破坏特征，揭示复合岩石滚刀破岩机理。研究发现:试验与仿真所得出的滚刀法向力随贯入度的变化趋势大体一致。仿真得到的法向力数值要大于试验所得到的，试验得到的法向力随着贯入度增加的振幅要小于数值模拟所得到的数据。实际试验中没有足够的围压以及试验误差等因素导致实验所得到的数值略微小于仿真所得到的数据。 通过上述研究工作，构建了复合岩石TBM滚刀破岩颗粒流数值模型，开展复合岩石TBM滚刀破岩数值试验和TBM滚刀破岩相似模型试验。获得了不同加载速度、滚刀数、不同刀间距等条件下，复合岩石破坏时滚刀法向力、裂纹及岩石破坏特征。可为复合岩层中TBM掘进、参数优化、以及TBM刀盘优化设计提供参考。 |
| 作者： | 汪振华 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 唐彬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 安徽理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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