岩土掘削的数值分析新方法与新型装置的研究

摘要

随着现代科技的高速发展，我国基础建设逐步向大型化、机械化和自动化方向发展。高性能岩土施工机械在军事、铁路、水利、矿山和建筑施工中显得十分重要。目前，我国高性能岩土施工机械多依赖于进口，岩土掘削机理研究甚少，未见适用的数值分析方法。为了提高我国岩土施工机械的研发能力，加速实现国产化，本文在MLPG无网格法的基础上提出一种适用于岩土掘削分析的数值分析方法，结合理论、实验方法对岩土掘削进行研究，并在此基础上研制了两种新型岩土掘削装置。
　　首先提出一种新的岩土掘削数值分析方法—PMLPG法，该方法属于无网格法，摆脱了有限元网格的限制，适用于不连续问题和大变形问题的分析，具有计算效率高和精度高的特点，可以广泛应用在岩土掘削分析中，对新型岩土掘削设备的开发提供有力工具。该方法在多边形内采用三角积分，大大减小了计算量；建立临近点数据库，提高了影响节点的搜索速度。岩土掘削数值分析要求无网格法拥有高效而适应性强的本质边界条件处理方法，本文提出一种新的处理方法，该方法通过改变边界节点权函数使试函数通过边界节点，并采用对角元素改1法满足本质边界条件，该方法灵活性强，适用于各种岩土掘削问题。
　　针对土的切削破坏和岩石切削破碎的非线性数值分析，采用PMLPG法，并结合摩尔-库仑破坏准则，解决了土体在切削过程中的大变形和弹塑性问题；提出裂纹尖端改进的权函数，解决了岩体破碎的不连续问题；继而编写材料非线性、裂纹发展显示动力学分析PMLPG法程序，并将其应用在岩土掘削的研究中。在保证计算精度的条件下，PMLPG法程序全面改进传统无网格程序算法，大幅度降低数值计算量，实现了PC机上完成岩土掘削的复杂分析。将该程序应用在土的剪切破坏和岩石的切削破碎分析中，取得了与岩土切削实验非常贴近的结果。
　　结合工程实际，针对旋挖岩土技术，考虑了切削角的变化和刀刃侧向的剪切破坏影响，建立了旋挖阻力计算模型。同时进行岩土旋挖实验，通过对比理论、数值分析结果，证明了理论公式的正确性。针对铣削岩土技术，考虑难以处理的强节理岩层，对多种岩石试样进行切削破碎实验和理论分析，这些研究为开发新型岩石铣削装置和旋挖装置提供了可靠的理论依据。根据岩土掘削的研究成果，结合所承担的科研任务，研制和开发了水下岩石铣削装置和振动旋挖装置。这两种装置解决了我国水下岩石河床机械化清理和深层破岩成孔的难题。并且经过开发制造、试验和改进，已经正式投入施工近两年，取得了良好的效果。工程实践证明这两种新装置的研发是成功的。