19666.壓痕下的比能研究及含節(jié)理巖石壓痕的數(shù)值模擬

1、壓痕壓痕下的比能研究下的比能研究及含節(jié)理巖石壓痕的數(shù)及含節(jié)理巖石壓痕的數(shù)值模擬值模擬Investigationonthespecificenergyduetoindentationnumericalsimulationofindentationinducedstressfieldsinajointedrock學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)研究生：白露指導(dǎo)教師：黃干云研究員天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一三年十二月摘要最優(yōu)刀間距的確定是TBM刀盤設(shè)計(jì)的核心

2、內(nèi)容之一。根據(jù)最優(yōu)刀間距與破巖機(jī)理特別是橫向開裂緊密相關(guān)的事實(shí)，本文將刀具作用考慮成為壓痕問題，分別研究了完好巖石在雙壓頭彈塑性壓入下的應(yīng)力分布、橫向開裂與比能分析以及含節(jié)理巖體在壓痕作用下的應(yīng)力分布特征。首先本文利用有限元法研究兩個(gè)壓頭同時(shí)作用下理想彈塑性巖石中的應(yīng)力場分布，結(jié)果表明雙壓頭之間的相互作用很弱可以忽略不計(jì)，從而說明分析單壓痕下的應(yīng)力分布即可有效分析相應(yīng)破巖機(jī)理問題。以此為基礎(chǔ)結(jié)合橫向開裂的卸載所致機(jī)理，本文分別利用有限元

3、和半解析方法得到了壓痕下圓幣形裂紋即橫向裂紋能量釋放率與裂紋長度之間的關(guān)系，分析了比能，發(fā)現(xiàn)比能隨裂紋長度變化存在最小值以及控制該最小值的主導(dǎo)因素，從而揭示了最優(yōu)刀間距主要由巖石的剛度、硬度以及刀具形狀決定的性質(zhì)。利用多種常見巖石的相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)值，所得的定量結(jié)果與線性切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。其次注意到實(shí)際巖石可能會(huì)含有各種不連續(xù)面如節(jié)理，本文引入面力與相對(duì)位移線性關(guān)系的節(jié)理本構(gòu)模型，從而可利用COHESIVE模型對(duì)其進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步數(shù)值

4、地分析了含節(jié)理巖石在壓痕下的應(yīng)力分布情況。對(duì)水平節(jié)理問題本文還基于積分變換技術(shù)進(jìn)行了半解析求解。結(jié)果表明，對(duì)水平節(jié)理問題，由有限元數(shù)值計(jì)算得到的應(yīng)力分布與半解析方法所得結(jié)果吻合較好，而且在一定埋深范圍內(nèi)，節(jié)理對(duì)應(yīng)力分布影響顯著，主要在于在節(jié)理附近形成較大拉應(yīng)力或剪應(yīng)力區(qū)。此外節(jié)理傾向?qū)汉蹜?yīng)力分布也具有重要影響。這些結(jié)果說明與完好巖石相比，由于節(jié)理的存在，壓痕下巖石的破壞模式可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：壓痕，橫向開裂，最優(yōu)刀間距與貫入深