岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 2732-2743.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1593

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利用近场动力学方法模拟隧道掘进机滚刀三维贯入破岩

周建1, 2，尚肖楠1, 2，刘福深1, 2, 3，沈君逸1, 2，廖星川1, 2   

  1. 1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058；2. 浙江大学 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江 杭州 310058；3. 浙江大学 岩土工程计算中心，浙江 杭州 310058
  • 收稿日期:2022-10-13 接受日期:2023-01-31 出版日期:2023-09-11 发布日期:2023-09-02
  • 通讯作者: 刘福深，男，1980年生，博士，研究员，博士生导师，主要从事多场耦合断裂问题的研究工作。E-mail: fushenliu@zju.edu.cn E-mail:zjelim@zju.edu.cn
  • 作者简介:周建，女，1970年生，博士，教授，主要从事软黏土力学、软土地基处理、非饱和土本构模型等方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目（No.52179112，No.51338009）

Numerical simulation of three-dimensional rock fragmentation by disc cutters of tunnel boring mechine using peridynamics

ZHOU Jian1, 2, SHANG Xiao-nan1, 2, LIU Fu-shen1, 2, 3, SHEN Jun-yi1, 2, LIAO Xing-chuan1, 2   

  1. 1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 3. Computing Center for Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
  • Received:2022-10-13 Accepted:2023-01-31 Online:2023-09-11 Published:2023-09-02
  • Supported by:
    This work was supported by National Natural Science Foundation of China (52179112, 51338009).

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摘要： 近场动力学方法是一种非局部无网格数值方法，在模拟固体的动力损伤断裂方面具有优势，首次提出采用近场动力学方法模拟隧道掘进机（tunnel boring mechine，简称TBM）滚刀三维贯入破岩，并模拟了7组试验来验证。通过模拟压头贯入试验，展示了近场动力学方法模拟刀具贯入破岩的可行性。同时，提出了非线性短程力接触模型，证明了该接触模型可以较好地反映TBM滚刀法向力随贯入深度的变化趋势，还能够反映滚刀在贯入过程中与岩石接触面积的变化情况。利用所提非线性短程力接触模型模拟了5组不同围压作用下的TBM滚刀三维贯入试验，并与试验结果比对。模拟结果表明，提出的接触模型能够计算滚刀峰值力随不同围压的变化，并且可以得到合理的岩石表面破坏形式。近场动力学方法使用简便，仅需要两个标定参数便可以模拟TBM滚刀三维贯入破岩，具有实际工程应用前景。

关键词: 近场动力学, 三维TBM滚刀破岩, 贯入试验, 围压

Abstract: Peridynamics is a non-local mesh-free numerical method which has great advantages in simulating dynamic damage and fracture. This work proposes to use the peridynamics to simulate rock fragmentation by TBM disc cutters and seven tests are simulated to verify this idea. The feasibility of peridynamics in simulating rock fragmentation by TBM disc cutters is demonstrated by comparisons with the punch penetration tests. A nonlinear short-range force contact model is proposed to better reflect the variation of the disc cutter normal force with respect to penetration depth, and can also calculate the changing contact area between the disc cutter and the rock during the penetration. In addition, the proposed non-linear short-range force contact model is used to simulate five 3D TBM disc cutter penetration tests with different bi-directional confining stress conditions, and the numerical results are compared with the experimental results. The simulation results show that the proposed contact model is able to calculate the variation of the cutter peak force with different confining stress and to obtain a reasonable form of rock surface damage. Peridynamics approach is easy to operate and requires only two calibration parameters to simulate the 3D rock fragmentation by disc cutters, which is promising for practical engineering applications.

Key words: peridynamics, three-dimensional rock fragmentation by TBM disc cutters, penetration tests, confining stress

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