TBM滚刀贯入过程中泥岩破坏特征试验研究

为研究无侧限和有侧限条件下软岩贯入破坏特征,结合声发射检测技术和电镜扫描试验进行泥岩立方体试样常截面滚刀贯入试验,分析试验过程中荷载-贯入度曲线和声发射参数特征,并对岩石渣块断口进行细观电镜扫描,研究了破坏时细观和宏观裂纹形成过程。试验结果表明,(1)无侧限和有侧限贯入试验中荷载-贯入度曲线在跃进荷载处均出现明显峰值,跃进荷载峰值以后无侧限试样完全破坏,有侧限试样尚未完全破坏;(2)当宏观裂纹产生时无侧限试样声发射参数出现明显峰值,主要源于该宏观裂纹在试样内部的扩展。有侧限试样破坏过程中出现多次声发射参数峰值,对应多条宏观裂纹形成和扩展;(3)常截面滚刀贯入过程中试样内部出现微滑动,剪切破坏现象比较明显,可以认为滚刀贯入过程中泥岩破坏模式以剪切破坏为主。

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明:(1)滚刀更难贯入高强度岩石;(2)脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3)将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。

常截面滚刀贯入试验中岩石破坏行为分析

为研究滚刀贯入过程中不同强度岩石的破坏行为,采用泥岩、花岗岩、砂岩和水泥砂浆制作立方体试样,结合岩石贯入试验加载系统和声发射监测系统,进行无侧向约束条件和有侧向约束条件下TBM常截面盘形滚刀贯入试验,获得完整荷载–贯入度曲线和声发射参数信息,分析不同岩石试样的破坏过程、破坏类型和破坏模式。结果表明:(1)软岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象不明显,呈现延性破坏特征,而硬岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象显著,具有脆性断裂特征。(2)无侧向约束条件下试样破坏类型属于劈裂破坏模式,有侧向约束条件下试样破坏过程由中间劈裂裂纹和侧向裂纹共同控制。(3)声发射参数曲线和荷载–贯入度曲线之间具有良好的对应关系,可以反映贯入过程中岩石试样内部损伤劣化和宏观裂纹形成过程。(4)类岩石材料滚刀贯入试验在一定程度上有助于更好地理解岩石贯入破坏过程和破坏模式,但类岩石材料与自然岩石材料在强度和变形性质上并不能完全吻合,因此相似材料模拟试验的结果需要进一步的验证。