压痕下的比能研究及含节理岩石压痕的数值模拟

摘要

最优刀间距的确定是TBM刀盘设计的核心内容之一。根据最优刀间距与破岩机理特别是横向开裂紧密相关的事实,本文将刀具作用考虑成为压痕问题,分别研究了完好岩石在双压头弹塑性压入下的应力分布、横向开裂与比能分析以及含节理岩体在压痕作用下的应力分布特征。
　　首先,本文利用有限元法研究两个压头同时作用下理想弹塑性岩石中的应力场分布,结果表明双压头之间的相互作用很弱可以忽略不计,从而说明分析单压痕下的应力分布即可有效分析相应破岩机理问题。以此为基础结合横向开裂的卸载所致机理,本文分别利用有限元和半解析方法得到了压痕下圆币形裂纹即横向裂纹能量释放率与裂纹长度之间的关系,分析了比能,发现比能随裂纹长度变化存在最小值以及控制该最小值的主导因素,从而揭示了最优刀间距主要由岩石的刚度、硬度以及刀具形状决定的性质。利用多种常见岩石的相关性质实验值,所得的定量结果与线性切割实验结果吻合很好。
　　其次注意到实际岩石可能会含有各种不连续面如节理,本文引入面力与相对位移线性关系的节理本构模型,从而可利用COHESIVE模型对其进行模拟,并进一步数值地分析了含节理岩石在压痕下的应力分布情况。对水平节理问题本文还基于积分变换技术进行了半解析求解。结果表明,对水平节理问题,由有限元数值计算得到的应力分布与半解析方法所得结果吻合较好,而且在一定埋深范围内,节理对应力分布影响显著,主要在于在节理附近形成较大拉应力或剪应力区。此外节理倾向对压痕应力分布也具有重要影响。这些结果说明与完好岩石相比,由于节理的存在,压痕下岩石的破坏模式可能发生转变。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作及结构

第二章 双压痕下的岩石力学响应与压痕比能研究

2.1双压头下的应力场分布

2.2单压头下横向开裂的数值模拟

2.3压痕作用下横向开裂和最小比能的半解析解

2.4 小结

第三章 含节理岩石压痕问题的数值模拟

3.1 COHESIVE模型介绍

3.2 含水平节理岩体的应力分布

3.3 含节理岩石压痕问题的有限元模拟

3.4 结果与讨论

3.5 小结

第四章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢