复合地层中盾构滚刀运动规律及受荷特征的数值分析

摘要

在复合地层中，盾构的削掘面至少存在两种力学性能迥异的地层，从而导致滚刀存在复杂多变的运动模式和受力行为。在软岩中，由于滚刀滚动阻力不足将导致滚刀常处于滑动滚动并存的状态，最终导致滚刀的非正常磨损；在软岩、硬岩的交界面处，滚刀由于地质条件发生改变从而受到极大突变荷载，此时若刀圈本身存在结构裂缝等隐患，将导致刀圈的损坏。本文使用数值分析的手段，针对滚刀在复合地层中复杂运动、力学状态进行研究。研究成果可为盾构选型、刀具设计提供技术参考，主要研究成果如下：　　(1)通过资料调研对国内外有关盾构滚刀数值分析的文献进行了分析总结，介绍了岩土离散元数值分析及刀具削掘模拟的发展历程，对比了国内外研究的异同和存在的问题。发现目前的数值分析中，滚刀的运动设定与实际工况存在一定出入，数值分析中的滚刀运动设定模式过于理想化。　　(2)通过资料调研对目前常用的离散元接触理论进行了详细分析总结，详细对比分析了各接触理论间的差异点，并阐明了相关接触理论的应用对象。另一方面，对目前常用的商业离散元计算软件进行了对比分析。　　(3)在EDEM离散元计算软件计算框架、二次开发方法的研究基础上，对在EDEM中实现复杂操作的途径进行了研究。实现了使用“文档读入”方法在EDEM中进行颗粒快速堆积；将EDEM中需要模式判断的离散元基础理论计算流程进行通用化处理，阐明“应力”、“温度”等接触对信息判断标准在计算流程中处理方法，并提出使用TBB工具库中的concurrent_hash_map容器实现CPU多线程计算；通过对滚刀实际运动模式的分析，实现了滚刀在离散元数值分析中同步进行刚体动力学耦合计算，完善了目前滚刀离散元数值分析的计算条件。　　(4)通过室内三轴试验对强风化花岗岩进行了固结排水试验和多含水率下的不固结不排水试验，得到了试验土的相关宏观力学性质及其变化规律，并依此作为软岩离散元的计算对象；通过资料调研的方式，整理得到弱/微风化岩的离散元计算参数区间范围。使用刚体动力学-离散元耦合计算的数值分析方法，分析了软岩中贯入度、刀具运动速度、刀具形态对刀具运动规律的影响，分析了软硬岩界面处滚刀贯入角度对刀具瞬时冲击的影响。并在数值分析得到的力学规律基础上，对工程中复合地层盾构滚刀出现偏磨、刀圈崩裂等原因进行了说明。

目录

声明

第1章绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2.1 国外有关滚刀数值分析研究的现状

1.2.2 国内有关滚刀数值分析研究的现状

1.3 目前研究存在问题

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方法和技术路线

第2章离散元常用接触理论及计算软件概述

2.1 Hertz-Mindlin 理论

2.2 JKR理论

2.3 Timoshenko Bond理论

2.4 常用离散元计算软件的选择

2.5 本章小结

第3章 EDEM 的二次开发方法研究

3.1 EDEM的计算框架

3.2 颗粒快速堆积的实现方法

3.3 多线程下模式判断计算理论的开发方法

3.4 滚刀 RBD耦合控制的实现方法

3.5 本章小结

第4章复合地层离散元计算参数标定

4.1 软岩三轴试验与计算参数标定

4.1.1 不固结不排水试验

4.1.2 固结不排水试验

4.1.3 离散元计算参数标定

4.2 硬岩离散元计算参数标定

4.3 本章小结

第5章基于 RBD-DEM 耦合的滚刀数值分析

5.1 软岩中贯入度对滚刀运动规律的影响

5.2 软岩中刀具运动速度对运动规律的影响

5.3 软岩中滚刀形态对运动规律的影响

5.4 软硬界面滚刀贯入角度对刀具冲击的影响

5.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果