譚青 楊秧 夏毅敏 易念恩 張旭輝

摘 要：為了研究滾刀滾動(dòng)切削巖石的性能，合理簡(jiǎn)化盤(pán)形滾刀滾壓破巖過(guò)程，采用顆粒離散元法分別建立了考慮摩擦力的滾刀滾動(dòng)切削有、無(wú)節(jié)理巖體模型，分析了滾動(dòng)切削模擬過(guò)程中切削力、裂紋發(fā)育、巖石破碎形態(tài)的變化規(guī)律.利用滾刀回轉(zhuǎn)切削試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了破巖試驗(yàn)，得到切削力隨工況變化的規(guī)律，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性.研究結(jié)果表明：對(duì)無(wú)節(jié)理巖體，提高貫入度會(huì)增加主干裂紋深度和破碎面積，提高切削速度會(huì)增加法向力，而對(duì)滾動(dòng)力影響不大；對(duì)含節(jié)理巖體，巖體節(jié)理強(qiáng)度越強(qiáng)則主干裂紋越深，比能耗越高；巖體的節(jié)理傾向會(huì)對(duì)破巖比能耗產(chǎn)生一定的影響，正向傾角切削效率高于逆向傾角約12%；節(jié)理傾角越小，正、逆向節(jié)理傾角破巖比能耗差值越大；合理安排刀盤(pán)正反轉(zhuǎn)可提高破巖效率.

關(guān)鍵詞：盤(pán)形滾刀；巖石力學(xué)；裂紋；節(jié)理；比能耗

中圖分類號(hào)：TP391.9；U455.39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To study the cutting performance of disc cutter during breaking rock， the practical process of breaking rock by disc cutter was simplified. The particle discrete element method was employed to build twodimensional numerical models considering friction when disc cutter broke the jointed rock and intact rock. The variation of cutting force， crack growth and rock breaking format in the simulation were analyzed. Rotation cutting test bench was adopted to conduct rock breaking experiments， the changing and the recorded cutting force of cutter was compared with the simulation force to verify the numerical model. The study can be concluded as follow： For intact rock， the increase of the cutter penetration can increase the main crack depth and rock breaking area， and the increase of the cutting speed can increase the cutter normal force but have little influence on the rolling force. For jointed rock， higher joint strength leads to higher crack depth and cutting efficiency. The joint direction of rock has a certain impact on the specific energy of rock breaking， and the rock breaking efficiency for forward direction jointed rock is about 12% higher than that for the reverse direction jointed rock. Lower joint angle leads to bigger specific energy difference between forward and reverse direction. Reasonable selection of the cutter head rotating direction can improve rock breaking efficiency.

Key words：disc cutter； rock mechanics； crack； joint； specific energy

隨著我國(guó)隧道工程建設(shè)的展開(kāi)，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（Full face rock tunnel boring machine，TBM）以其施工效率高、掘進(jìn)安全、噪聲小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工中使用日益廣泛.巖石的破壞和剝落通過(guò)刀盤(pán)上的盤(pán)形滾刀滾動(dòng)切削來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而在實(shí)際切削過(guò)程中，地質(zhì)情況是復(fù)雜多變的，如巖石種類、節(jié)理等[1-2].國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)TBM不同工況下破巖效率進(jìn)行了相應(yīng)的滾刀切削試驗(yàn).劉紅巖等人[3]通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)研究了節(jié)理對(duì)巖石的破壞模式、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量的影響.Howarth[4]通過(guò)線性切割試驗(yàn)研究了刀間距對(duì)破巖效果的影響.龔秋明等人[5]研究了巖石節(jié)理間距對(duì)破巖效果的作用，發(fā)現(xiàn)節(jié)理面對(duì)破巖過(guò)程中滾刀的力有很大影響.以上研究探討了不同地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀滾動(dòng)破巖效果的作用.

近年來(lái)也有學(xué)者通過(guò)數(shù)值仿真研究滾刀切削巖石的工況并取得了一些成果.Bejari等人[6-7]采用UDEC研究了節(jié)理對(duì)刀具破巖的影響，研究表明節(jié)理間距增大會(huì)減小刀具的切入率.Sun等人[8]采用有限元法對(duì)盤(pán)形滾刀的最優(yōu)刀間距進(jìn)行分析，并解決了平面刀盤(pán)的布置問(wèn)題.Labra等人[9]采用混合離散元/有限元法建立滾刀切削巖石模型并分析掘進(jìn)參數(shù)下滾刀破巖過(guò)程.馬洪素等人[10]通過(guò)兩組試驗(yàn)對(duì)不同節(jié)理傾向下裂紋走向進(jìn)行研究，并通過(guò)FLAC分析了裂紋走向與應(yīng)力場(chǎng)分布的關(guān)系.孔曉璇等人[11]及孫金山等人[12]通過(guò)PFC2D研究雙滾刀侵入不同節(jié)理間距及節(jié)理傾角的巖體時(shí)裂紋的走向，得到了節(jié)理特征對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響.張桂菊等人[13]采用二維顆粒離散元研究巖石溫度對(duì)破巖的影響.Liu等人[14-16]采用PFC2D研究單、多滾刀垂直侵入巖石的效率與巖石裂紋擴(kuò)展形態(tài).Choi等[17]采用PFC2D研究節(jié)理間距與節(jié)理傾角對(duì)滾刀受力的影響.譚青等[18]采用PFC2D研究滾刀侵入不同圍壓與節(jié)理?xiàng)l件巖石時(shí)破碎模式與破巖比能耗的規(guī)律.

上述模擬研究多將滾刀滾動(dòng)切削過(guò)程簡(jiǎn)化為滾刀垂直貫入巖體的過(guò)程，忽略滾刀水平滾動(dòng)以及巖石摩擦因素.易于觀察到滾刀垂直貫入巖石過(guò)程中裂紋發(fā)育規(guī)律，難以得到滾刀滾動(dòng)破巖過(guò)程中巖石裂紋發(fā)育規(guī)律.此外，以上建立的巖石節(jié)理模型僅關(guān)注節(jié)理傾角或者節(jié)理間距，尚未考慮含節(jié)理巖體強(qiáng)度和節(jié)理傾向?qū)ζ茙r的影響.本文采用離散元數(shù)值方法建立了無(wú)節(jié)理滾動(dòng)切削與含節(jié)理滾動(dòng)切削模型，通過(guò)改變滾刀工作參數(shù)及巖石參數(shù)，對(duì)貫入度、切削速度、節(jié)理傾向、含節(jié)理巖體強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行模擬.通過(guò)觀察仿真結(jié)果，得到破巖時(shí)滾刀受力、巖石裂紋數(shù)量變化、巖石裂紋生長(zhǎng)過(guò)程，最后以回轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)仿真得到的切削力進(jìn)行驗(yàn)證.

本文的創(chuàng)新之處在于：建立了考慮摩擦力的滾刀滾動(dòng)切削數(shù)值模型，該模型與實(shí)際工程應(yīng)用中滾刀破巖過(guò)程擬合度更高；分析不同工況下滾刀受力與巖石破碎模式的關(guān)聯(lián)規(guī)律；建立了不同節(jié)理傾向、傾角與節(jié)理面強(qiáng)度的巖石模型，其結(jié)論適用地質(zhì)范圍更廣.

1 數(shù)值模型的建立

1.1 簡(jiǎn)化滾刀模型

TBM在掘進(jìn)時(shí)，滾刀布置在刀盤(pán)上并伴隨刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)而做垂直貫入和水平滾動(dòng)（視掌子面為水平面），滾刀與巖石相互作用時(shí)產(chǎn)生指向掌子面的法向力FN、與掌子面平行而指向滾刀平移方向的滾動(dòng)力FR和受到回轉(zhuǎn)切削影響生成的側(cè)向力FL三種滾刀切削力，如圖1所示.法向力主要由刀盤(pán)推力提供，滾動(dòng)力主要由刀盤(pán)扭矩提供，側(cè)向力主要由回轉(zhuǎn)運(yùn)行中滾刀對(duì)巖石的擠壓力產(chǎn)生.考慮本文主要研究滾刀水平滾動(dòng)破巖，忽視側(cè)向力影響，因此將三維的滾刀運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維滾動(dòng)過(guò)程.文獻(xiàn)[14-18]研究證明，將滾刀三維破巖簡(jiǎn)化為二維破巖是可行的.本文以工程實(shí)踐中的常用滾刀進(jìn)行1∶2縮尺所得的小滾刀作為研究對(duì)象，其參數(shù)見(jiàn)表1.基于表1中參數(shù)，簡(jiǎn)化滾刀模型為二維模型.

1.2 模型宏、細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定

由于試驗(yàn)條件限制，假定切削對(duì)象為泥巖、砂巖等軟巖，由于天然巖石內(nèi)部初始損傷缺陷難以統(tǒng)計(jì)，為了增加試驗(yàn)的可重復(fù)性，降低試樣物理力學(xué)性能分布的隨機(jī)性，本文采用混凝土代替巖石進(jìn)行研究.混凝土的制作和養(yǎng)護(hù)參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19].在力學(xué)測(cè)試中心測(cè)得混凝土試樣的物理力學(xué)性能參數(shù)如表2所示，由表2可知，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，其抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)特性近似自然界的泥巖、砂巖等軟巖[20].為建立顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)與材料宏觀物理力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系，需要確定顆粒的基本尺寸等參數(shù)（表3）.以單軸壓縮、巴西劈裂和直剪試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定（圖2）：?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)見(jiàn)圖2（a）；巴西劈裂試驗(yàn)見(jiàn)圖2（b）；剪切試驗(yàn)見(jiàn)圖2（c）.通常采用試湊法按照一定規(guī)律反復(fù)調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，直到仿真輸出曲線接近物理標(biāo)定的曲線即可.標(biāo)定得到的顆粒流模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4.

1.3 建立滾刀滾動(dòng)切削數(shù)值模型

為了研究滾動(dòng)切削對(duì)破巖的影響，根據(jù)標(biāo)定得到的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)分別建立無(wú)節(jié)理、含節(jié)理兩種滾刀侵入巖體的切削模型.試樣被安置在一個(gè)三面墻皆被固定的方槽中，模型尺寸為400 mm×200 mm.節(jié)理模型中節(jié)理特征通過(guò)JSET命令設(shè)置，由于滾刀的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟巖的剛度，所以將滾刀簡(jiǎn)化為剛體并賦予屬性wall類型.滾刀在破巖過(guò)程中因摩擦力而被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾刀與巖石的接觸摩擦因數(shù)取0.3.通過(guò)FISH語(yǔ)句可以提取滾刀受力等信息.仿真中材料的破壞過(guò)程可視為顆粒間連接鍵在載荷作用下斷裂的過(guò)程.鍵連接有兩種形式：接觸鍵和平行鍵.通過(guò)設(shè)定鍵與顆粒的大小、強(qiáng)度，對(duì)不同的本構(gòu)進(jìn)行表述，當(dāng)載荷超過(guò)預(yù)設(shè)鍵的強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)使顆粒脫離接觸而產(chǎn)生破壞，通過(guò)觀察、統(tǒng)計(jì)仿真所得的微觀裂紋可以了解巖體內(nèi)部破碎情況.

2 滾刀切削無(wú)節(jié)理巖石模型分析

2.1 滾刀切削過(guò)程分析

圖3為滾刀滾動(dòng)切削破巖過(guò)程，根據(jù)工程實(shí)踐應(yīng)用，設(shè)定滾刀貫入度為8 mm，切削速度為0.6 m/s.隨著滾刀向前推進(jìn)，巖體上層的巖石不斷被破碎，滾刀前方產(chǎn)生較大的破碎塊（圖3（a）），同時(shí)巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋，部分微裂紋匯聚成主干裂紋并向巖體深處擴(kuò)展.

圖4為滾刀切削力及滾刀角速度動(dòng)態(tài)變化圖.由圖4可知，滾刀破巖過(guò)程中滾刀力曲線波動(dòng)較大，且法向力的波動(dòng)遠(yuǎn)大于滾動(dòng)力.這說(shuō)明巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展主要由法向力主導(dǎo)，滾刀與巖石接觸而轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度均值約為5 rad/s，這說(shuō)明滾刀的旋轉(zhuǎn)瞬心在刀刃下方附近.圖5為FISH函數(shù)記錄的裂紋數(shù)目變化.隨著切削行程的增加裂紋數(shù)目線性增加，張拉裂紋數(shù)目始終大于剪切裂紋數(shù)目，說(shuō)明滾刀破巖過(guò)程中巖石的破碎以張拉破壞為主.

2.2 貫入度對(duì)滾刀切削的影響

貫入度及切削速度的變化會(huì)改變滾刀與巖石的接觸情況，同時(shí)受力、巖石破碎形態(tài)以及裂紋發(fā)育都會(huì)受到影響.圖6反映了滾刀切削行程為300 mm，切削速度為0.6 m/s時(shí)不同貫入度下的切削狀態(tài).從圖6可知，巖石破碎面積與主干裂紋深度均隨貫入度的增加而增大.

如圖7所示，貫入度的增加使得主干裂紋平均深度大幅度增長(zhǎng).然而，隨著貫入度的增加，主干裂紋平均長(zhǎng)度與貫入度的比值在下降，說(shuō)明隨著貫入度增加，主干裂紋平均長(zhǎng)度增速下降，單純?cè)黾迂炄攵炔⒉荒苡行г黾又鞲闪鸭y長(zhǎng)度.主干裂紋的擴(kuò)張雖然消耗了大量能量，但并未直接將巖體剝落下來(lái).較深的主干裂紋說(shuō)明滾刀做功主要引起裂紋縱深發(fā)展，而用于表面破巖的做功較少，所以主干裂紋越長(zhǎng)則破巖效率越低.此外，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果可知，隨著貫入度的增加，微裂紋數(shù)量線性增長(zhǎng).當(dāng)貫入度較小時(shí)，剪切微裂紋占多數(shù)，在較大貫入度下，張拉微裂紋則占多數(shù).這說(shuō)明增加貫入度有利于張拉微裂紋的發(fā)育.

隨著貫入度的增加，滾刀滾動(dòng)力和法向力都呈遞增趨勢(shì)（表5）.其中，滾刀滾動(dòng)力增長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于法向力的增長(zhǎng)率，這說(shuō)明滾動(dòng)力對(duì)貫入度更加敏感.在工程中，一般控制滾刀的貫入度不超過(guò)10 mm以避免貫入度過(guò)大而增加滾刀的受力負(fù)荷，造成滾刀過(guò)早失效.由表5可知，隨著滾刀貫入度的增加，破碎面積的增長(zhǎng)速率下降，而比能耗迅速上升，最大增加量約為96%.說(shuō)明增大貫入度雖然提高破巖速度，但是切削效率下降，且加劇了滾刀磨損，縮短了軸承壽命，導(dǎo)致提早換刀.因此，在施工中，不可盲目增加貫入度以提高掘進(jìn)效率.

2.3 速度對(duì)滾刀切削的影響

圖8為滾刀切削行程為300 mm，貫入度為6 mm時(shí)的破巖狀態(tài)圖.

由圖8可知，在不同切削速度下，巖體破壞狀況相近，裂紋擴(kuò)展情況及破碎塊的形成亦相似.這說(shuō)明切削速度對(duì)巖石破壞以及裂紋擴(kuò)展的影響不大.此外，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果可知，裂紋總數(shù)隨切削速度變化波動(dòng)較小，這說(shuō)明切削速度不是影響微裂紋數(shù)目的主要參數(shù).剪裂紋數(shù)目所占總裂紋數(shù)目的比例隨切削速度的增加而上升.

表6為不同切削速度下滾刀破巖的參數(shù)統(tǒng)計(jì)表.可知加大切削速度對(duì)滾動(dòng)力、破碎面積和比能耗的影響并不大.滾刀法向力對(duì)切削速度較為敏感，隨著切削速度的提升，法向力顯著增加，當(dāng)切削速度從0.4 m/s提高到1 m/s時(shí)，滾刀法向力增加約50%.因此，施工中在確保滾刀承受的法向沖擊力不超過(guò)刀圈承載額的前提下，可提高切削速度增加破巖速度.

3 滾刀切削含節(jié)理巖石模型分析

3.1 滾刀切削過(guò)程分析

已有研究表明[6，7，11]，節(jié)理特性對(duì)滾刀切削巖石有較大的影響.自然界中巖石的節(jié)理分布一般都比較復(fù)雜，同時(shí)滾刀與節(jié)理的相對(duì)位置也不斷變化，因此，本文對(duì)此進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化.假定數(shù)值模型中只存在一組等間距節(jié)理（設(shè)節(jié)理間距恒為10 mm），綜合考慮節(jié)理傾向、傾角和含節(jié)理巖體強(qiáng)度對(duì)滾刀破巖的影響，規(guī)定節(jié)理傾向與滾刀掘進(jìn)方向一致為正向，相反為逆向.圖9和圖10分別為水平0°和垂直90°，正、逆向傾角分別為20°、40°、60°和80°的節(jié)理巖體.含節(jié)理的巖體強(qiáng)度由節(jié)理面的顆粒細(xì)觀參數(shù)（摩擦因數(shù)、法向強(qiáng)度、切向強(qiáng)度）間接決定.通過(guò)改變節(jié)理面的顆粒細(xì)觀參數(shù)，可以得到不同強(qiáng)度的節(jié)理巖體（也有文獻(xiàn)簡(jiǎn)稱為節(jié)理強(qiáng)度），即節(jié)理巖體具有不同的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角.不同強(qiáng)度節(jié)理巖體的物理數(shù)值可通過(guò)直剪試驗(yàn)得到（圖2（c））.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦因數(shù)一定時(shí)（本文設(shè)置摩擦因數(shù)為0.3），法向強(qiáng)度與切向強(qiáng)度越大，得到含節(jié)理的巖體強(qiáng)度也會(huì)較大.本文用2種節(jié)理面顆粒連接強(qiáng)度（法向與切向強(qiáng)度分別取8 kPa和200 kPa）來(lái)描述低強(qiáng)度和高強(qiáng)度含節(jié)理巖體.

圖9和圖10是切削距離為250 mm，貫入度為8 mm，削速度為0.6 m/s時(shí)的破巖狀態(tài)圖.其中，圖9對(duì)應(yīng)的節(jié)理面粘接強(qiáng)度為8 kPa，摩擦因數(shù)為0.3，節(jié)理強(qiáng)度較低.從圖9可知，主干裂紋很少向縱深擴(kuò)展，這是由于低強(qiáng)度節(jié)理面很容易起裂和斷裂，阻礙了滾刀力向巖體深處傳遞，所以巖體深處很少有主干裂紋.此外，還可以觀察到有大量碎塊從巖體表面崩落，起裂方向大多垂直于節(jié)理面.圖10對(duì)應(yīng)的節(jié)理面粘接強(qiáng)度為200 kPa，摩擦因數(shù)為0.3，節(jié)理強(qiáng)度高.當(dāng)節(jié)理傾向?yàn)檎?，傾角分別為60°與80°時(shí)可以觀察到主干裂紋擴(kuò)展方向有垂直于節(jié)理面的傾向，有的主干裂紋可以跨越幾組節(jié)理面到達(dá)巖體深處.這說(shuō)明較高的節(jié)理強(qiáng)度對(duì)于裂紋擴(kuò)張的阻礙效應(yīng)小于低節(jié)理強(qiáng)度.當(dāng)節(jié)理傾向?yàn)槟嫦驎r(shí)，傾角分別為60°和80°時(shí)，主干裂紋擴(kuò)展方向有平行于節(jié)理面的傾向，與無(wú)節(jié)理破巖比較（圖6（c）），二者裂紋擴(kuò)展形態(tài)非常近似，節(jié)理的存在對(duì)于主干裂紋擴(kuò)展深度影響很小.

3.2 節(jié)理特征對(duì)微裂紋數(shù)量的影響

微裂紋與節(jié)理關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖11所示.由圖11可知，高強(qiáng)度節(jié)理巖體含張拉裂紋數(shù)量多于低強(qiáng)度巖體，低強(qiáng)度節(jié)理巖體含剪切裂紋數(shù)量多于高強(qiáng)度巖體.考慮到巖石抗壓不抗拉的特性，滾刀入侵高強(qiáng)度節(jié)理巖體時(shí)主要發(fā)生了張拉破壞.對(duì)低強(qiáng)度節(jié)理巖體而言，節(jié)理間連接強(qiáng)度較低，節(jié)理層容易斷裂，因而剪切裂紋較高強(qiáng)度節(jié)理巖體多.巖體節(jié)理強(qiáng)度高時(shí)，正向節(jié)理傾角下含有更多的微裂紋數(shù)量.此外，節(jié)理傾角分別為20°、60°時(shí)，裂紋發(fā)育受到阻礙.

3.3 節(jié)理特征對(duì)裂紋深度的影響

節(jié)理傾角與節(jié)理強(qiáng)度對(duì)主干裂紋的擴(kuò)展深度有著明顯的控制作用：應(yīng)力場(chǎng)不均分布導(dǎo)致低強(qiáng)度節(jié)理面容易產(chǎn)生張拉微裂紋起裂[10]，節(jié)理面對(duì)主干裂紋擴(kuò)展起阻隔作用[5]，而且節(jié)理傾角能影響主干裂紋擴(kuò)展方向.因此，在相同的主干裂紋長(zhǎng)度下，裂紋深度會(huì)由于擴(kuò)展方向的改變而改變.主干裂紋深度整體趨勢(shì)規(guī)律如圖12所示.

相較低強(qiáng)度節(jié)理面，高強(qiáng)度節(jié)理面中主干裂紋更容易擴(kuò)展到巖體深處，這是由于低強(qiáng)度節(jié)理面對(duì)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展起到阻隔作用.基于上文討論，主干裂紋深度過(guò)大對(duì)于提高破巖效率并無(wú)直接益處，所以低節(jié)理強(qiáng)度更有利于提高破巖效率.由圖12可看出，水平和垂直節(jié)理傾角下主干裂紋相對(duì)較長(zhǎng).在高強(qiáng)度節(jié)理面中，傾角分別為20°、60°時(shí)，主干裂紋較淺，且逆向節(jié)理傾角產(chǎn)生的裂紋較正向傾角更深，這反映了正向節(jié)理傾角下破巖更加高效.在低強(qiáng)度節(jié)理面中，正、逆向傾角則對(duì)裂紋深度無(wú)明顯影響.

3.4 節(jié)理特征對(duì)破巖面積的影響

在相同貫入度下，更大的破碎面積意味著更快的掘進(jìn)速度.通過(guò)測(cè)量，可以得到破巖面積受節(jié)理特征影響的規(guī)律，如圖13所示.正向傾角破巖面積更大，高強(qiáng)度節(jié)理面下該現(xiàn)象更顯著.高強(qiáng)度節(jié)理傾角分別為80°與0°時(shí)，破碎面積相比其他傾角更大，該結(jié)論與譚青等[18]的結(jié)論一致.低強(qiáng)度節(jié)理傾角分別為20°、60°和90°時(shí)，破碎面積相對(duì)較小.

3.5 節(jié)理特征對(duì)比能耗的影響

通過(guò)仿真計(jì)算，得出滾刀力、破碎面積及比能耗等參數(shù)如表7所示.

由于仿真條件限制，破碎塊無(wú)法排出（圖9（d）），導(dǎo)致在后續(xù)滾刀切削中已經(jīng)崩落的巖石會(huì)進(jìn)一步被滾刀破碎，造成滾動(dòng)力增加.為了貼近實(shí)際施工狀態(tài)，對(duì)仿真所得滾動(dòng)力乘以系數(shù)φ（φ取值為0～1）.根據(jù)表7中數(shù)據(jù)可以得到比能耗趨勢(shì)如圖14所示.

由圖14可知，在相同掘進(jìn)參數(shù)下，正向節(jié)理傾角比能耗均低于逆向傾角比能耗.這是由于在逆向傾角下，滾刀運(yùn)動(dòng)方向與節(jié)理夾角大多呈鈍角，主干裂紋將沿節(jié)理面向深處擴(kuò)展.在正向傾角下，夾角多為銳角，滾刀擠壓節(jié)理面產(chǎn)生破碎塊，因而阻斷主干裂紋的擴(kuò)展.該結(jié)論與文獻(xiàn)[17]中結(jié)論一致.在垂直90°傾角時(shí)，滾刀力一部分與節(jié)理面相互作用使巖石破碎，一部分沿節(jié)理面向巖石內(nèi)部傳遞.90°節(jié)理傾角比能耗介于正向和逆向傾角比能耗之間.由表7中切削比能耗計(jì)算可知，正向傾角下節(jié)理巖體切削效率高于逆向傾角約12%.對(duì)低強(qiáng)度節(jié)理巖體，當(dāng)節(jié)理傾角分別為20°、40°、60°和80°時(shí)，比能耗減少比例分別為18%、11%、9%和5%；對(duì)高強(qiáng)度節(jié)理巖體，減少比例分別為16%、14%、11%和9%，這是由巖體的連接強(qiáng)度所決定的.在低節(jié)理強(qiáng)度下，巖體連接強(qiáng)度小，使巖體容易破碎，所以低強(qiáng)度節(jié)理巖體受節(jié)理傾角影響較大；反之，高強(qiáng)度節(jié)理巖體強(qiáng)度受傾角影響較小.

低節(jié)理強(qiáng)度巖體比能耗普遍低于高節(jié)理強(qiáng)度巖體，這說(shuō)明低強(qiáng)度節(jié)理面阻隔了主干裂紋向巖體深處擴(kuò)展，減少了滾刀做功的無(wú)效耗散，提高了破巖效率.相反，高強(qiáng)度節(jié)理面不易阻隔主干裂紋向巖體深處擴(kuò)展，破巖效率不如低強(qiáng)度節(jié)理巖體高.整體上，正向傾角為20°對(duì)提高滾動(dòng)切削高強(qiáng)度節(jié)理巖體的效率有利，正向傾角為40°時(shí)對(duì)提高滾動(dòng)切削低強(qiáng)度節(jié)理巖體效率有利.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)在盤(pán)形滾刀回轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.如圖15（a）和圖15（b）所示，試驗(yàn)臺(tái)由回轉(zhuǎn)機(jī)械主機(jī)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成.測(cè)試系統(tǒng)由三向力傳感器、低通濾波器、USB采集卡、工控機(jī)、高速攝像系統(tǒng)、LabVIEW系統(tǒng)組成.高速攝像系統(tǒng)可以捕捉到巖體表面起撬直到崩落的全過(guò)程（圖15（c）和圖15（d））.切削對(duì)象為混凝土（仿軟巖），混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2，滾刀參數(shù)見(jiàn)表1.

4.2 滾刀受力分析試驗(yàn)

試驗(yàn)通過(guò)改變切削速度及貫入度來(lái)觀察滾刀的受力狀況，進(jìn)行2組試驗(yàn)分別記錄滾刀滾壓過(guò)程中所受的三向力和滾刀行程.第1組試驗(yàn)為恒定速度：貫入度分別采用4 mm和10 mm，切削速度為0.6 m/s.第2組試驗(yàn)為恒定貫入度：切削速度分別采用0.4 m/s和1.0 m/s，貫入度為6 mm.不同貫入度與切削速度下切削力變化情況如圖16所示.

4.3 切削力誤差分析

PFC2D基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)三維的圓柱體（圓柱體有厚度，但是不能在Z軸上移動(dòng)，只能在X和Y軸移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)），厚度定義為滾刀刀刃寬，仿真得到的滾刀力與物理試驗(yàn)測(cè)試的滾刀力之差別在于是否考慮滾刀兩側(cè)摩擦力.本文研究滾刀在較小貫入度下的切削，此時(shí)摩擦力影響較小.根據(jù)仿真與試驗(yàn)滾刀力的數(shù)據(jù)做出誤差分析，如表8所示.可見(jiàn)貫入度較大時(shí)，因摩擦力引入的誤差會(huì)增大，平均誤差為16.44%.這說(shuō)明仿真得到的滾動(dòng)力較為貼近工程實(shí)際情況.同時(shí)證明數(shù)值模型與試驗(yàn)試樣的宏觀物理參數(shù)一致性較高.

5 結(jié) 論

1）無(wú)節(jié)理切削組中，貫入度從4 mm 提高到10 mm會(huì)增加主干裂紋深度和破碎面積，但裂紋深度和破碎面積的增長(zhǎng)速率會(huì)逐漸降低，且比能耗相應(yīng)增加96%.相對(duì)法向力，滾刀的滾動(dòng)力對(duì)貫入度更加敏感.施工中不能盲目增加貫入度，以免損壞刀架.

2）無(wú)節(jié)理切削組中，當(dāng)切削速度從0.4 m/s 提高到1.0 m/s時(shí)，滾刀法向力增加約50%，而對(duì)滾動(dòng)力的影響較小.在保證滾刀使用壽命的前提下，提高切削速度可增加破巖效率.

3）低節(jié)理強(qiáng)度巖體比能耗值低于高強(qiáng)度巖體，其主干裂紋深度較高強(qiáng)度巖體淺，說(shuō)明低強(qiáng)度節(jié)理面阻隔了主干裂紋向巖體深處擴(kuò)展，減少了滾刀做功的無(wú)效耗散.

4）相同掘進(jìn)參數(shù)下，滾刀侵入正向傾角節(jié)理巖體的比能耗較逆向節(jié)理巖體低.根據(jù)節(jié)理傾角調(diào)整刀盤(pán)正反轉(zhuǎn)可以獲得更好的切削效果.

5）由于節(jié)理強(qiáng)度不同，低節(jié)理強(qiáng)度巖體容易斷裂，受節(jié)理傾角影響更大.當(dāng)節(jié)理傾角從80°減至20°時(shí)，比能耗減少比例從5%升高至18%.而對(duì)高強(qiáng)度節(jié)理巖體，比能耗減少比例從9%升高至16%.

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