盾构刀具破岩特性的数值模拟及实验研究

摘要

盾构在地下推进过程中会遇到各种不同地层，如淤泥、粘土、砂层、软岩及硬岩等，主要通过切刀、滚刀等切削类刀具破碎剥离岩土，刀具直接承受切削产生的突变载荷与冲击，其破岩状况直接关系到盾构机的掘进效率和可靠性，研究掘进过程中刀具与岩土作用的动态机制以及应力场的变化规律，对于建立完善的刀具受力预测模型、指导刀具设计和提高掘进机效率意义重大。基于上述背景，本文在查阅大量国内外文献的基础上，从岩土细观角度出发，通过离散元颗粒流模拟与实验研究相结合的方法，对刀具作用下岩土的破碎特性进行了深入的研究，为解决刀具破岩机制问题开拓出了一条新的思路。
　　 本研究成果和主要内容如下：⑴根据岩土颗粒物质力学基本理论，采用颗粒离散元生成了岩土模拟试样，并对试样进行了双轴压缩和巴西劈裂数值模拟试验，对颗粒细观参数与材料宏观参数进行了匹配。⑵在对实际工况提出合理简化的基础上，采用颗粒离散元法建立了刀具与岩体作用的数值模型，对刀具的结构参数、工作参数和切削方式等对切削的影响进行了统计分析，对切刀顺次切削和双滚刀最优刀间距下的破碎问题进行了探讨，从细观角度揭示了刀具作用下岩土破碎机制。⑶通过回转式盾构刀具切削实验台对切刀和盘形滚刀截割软岩分别进行研究，分析了刀具作用下岩土的宏观破坏现象，捕捉了岩石碎块崩裂和形成过程，对相关实验数据进行了分析，结合仿真过程中刀具破岩的模拟，对刀具作用于岩石的破碎特性做出了合理的解释。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及来源

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题来源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 刀具破岩理论研究

1．2．2 刀具破岩仿真研究

1．2．3 刀具破岩试验研究

1．2．4 存在的问题分析

1．3 课题研究目的意义

1．4 本文的主要研究内容

第二章 盾构刀具截割岩体工况分析

2．1 引言

2．2 刀具使用下岩体的破坏分析

2．2．1 典型掘进地层分析

2．2．2 岩石强度理论概述

2．2．3 岩石损伤现象及破坏机理

2．3 切刀切削岩土分析

2．3．1 切刀结构形式

2．3．2 切削破岩机理

2．3．3 切刀切削力的计算

2．4 滚刀截割岩土分析

2．4．1 滚刀的分类

2．4．2 滚刀破岩机理

2．4．3 滚刀破岩力的计算

2．5 盾构刀具的地质选型

2．6 小结

第三章 岩土颗粒物质力学与离散元细观参数的标定研究

3．1 引言

3．2 岩土颗粒物质力学的基本思想

3．2．1 颗粒流方法概述

3．2．2 基于颗粒物质力学的离散元方法

3．2．3 颗粒流力学模型及计算方法

3．2．4 颗粒流法的解题途径

3．3 颗粒流模型生成试样方法

3．3．1 基本模型试样生成法

3．3．2 数字图像建模法

3．4 颗粒细观参数与岩土体宏观参数的标定

3．4．1 实验材料及试样测试介绍

3．4．2 模型细观参数的校准

3．4．3 工程应用

3．5 小结

第四章 盾构刀具切削破岩影响因素研究

4．1 引言

4．2 盾构切刀破岩的颗粒流模型

4．2．1 切刀切削岩土模型

4．2．2 模型试验数据的获取

4．3 切刀切削岩土影响因素分析

4．3．1 切刀切削岩土体动态过程分析

4．3．2 切刀结构参数对破岩的影响分析

4．3．3 切刀切削参数对破岩的影响分析

4．3．4 多切刀破岩特性分析

4．3．5 切刀切削土石体模拟分析

4．4 盘形滚刀破岩的颗粒流模型

4．4．1 滚刀侵入岩体模型简化及模型构建

4．4．2 模型试验数据的获取

4．5 滚刀截剖岩石影响因素分析

4．5．1 滚刀截割岩石动态特性分析

4．5．2 滚刀结构参数对破岩的影响分析

4．5．3 滚刀切削间距对破岩过程的影响

4．6 小结

第五章 实验研究

5．1 实验的目的和内容

5．2 回转式盾构刀具切削实验台系统集成

5．2．1 主体结构

5．2．2 刀盘刀具形式

5．2．3 数据采集系统

5．3 实验试样制备及实验方案

5．3．1 实验试样及力学性能

5．3．2 实验方案

5．4 实验结果及分析

5．4．1 切刀切削实验结果及分析

5．4．2 滚刀侵入实验结果及分析

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果