雙楔形刀具侵入巖體過程仿真

鐘自成， 張幼振,*， 劉焱杰， 王瑞澤， 朱國棟

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 西安 710077； 2.煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013)

目前，在巖土工程領(lǐng)域獲取巖土參數(shù)的方法有很多，但是在很大程度上依賴室內(nèi)試驗(yàn)的方法，而在巖土試樣制備或者運(yùn)輸過程中，不可避免地受到擾動(dòng)影響，進(jìn)而導(dǎo)致試樣的物理參數(shù)發(fā)生變化，使得獲取到的巖土參數(shù)無法準(zhǔn)確地表征巖土的原狀態(tài)指標(biāo)[1]。為此，中外學(xué)者將原位測試應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，研究出靜力觸探、十字板剪切和旁壓試驗(yàn)等方法，不再需要鉆孔取樣，避免了鉆孔取樣過程對原位巖土的擾動(dòng)，可直接測量獲取原位巖土的工程參數(shù)。

在地質(zhì)勘探、油氣井鉆井、礦山開采、隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域普遍涉及機(jī)械破碎碎巖的過程，而碎巖過程多是由載荷作用下的各種刀具對巖體的壓入破碎，常用的刀具形狀主要有半球形、彈頭形、圓柱形和楔形等[2]。鑒于楔形刀具在侵入巖體時(shí)有著良好的力學(xué)響應(yīng)特性，且在滾刀刀刃破碎巖體的設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，為楔形刀具在原位測試的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

針對楔形刀具侵入巖體，中外學(xué)者開展了大量研究。文獻(xiàn)[2]對巖石在平底圓柱形壓頭靜壓入時(shí)的2D空間應(yīng)力狀態(tài)和破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了巖石的破碎過程；文獻(xiàn)[3]采用平行粘結(jié)細(xì)觀本構(gòu)模型，在巖石顆粒尺度上模擬了壓頭侵入巖石的破壞過程，揭示了巖石破碎漏斗的細(xì)觀形成機(jī)制；文獻(xiàn)[4]基于壓頭作用下巖石的破碎具有分形特性，以此來表征巖石的破碎過程。

現(xiàn)運(yùn)用彈塑性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系來描述巖石局部脆性漸進(jìn)式破壞過程，通過ABAQUS有限元仿真軟件分析計(jì)算，模擬出雙楔形刀具侵入巖體的過程，獲得楔形刀具間距與侵入巖體特性的關(guān)系，為雙楔形刀具在原位測試的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 雙楔形刀具原位測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 剪切儀結(jié)構(gòu)及組成

剪切儀主要由剪切裝置、加壓裝置、位移裝置、轉(zhuǎn)接頭等部分組成，如圖1所示。通過外接加壓泵為加壓裝置施加壓力，在位移裝置的作用下，實(shí)現(xiàn)剪切裝置上的楔形刀具作用在孔壁巖體上；變徑轉(zhuǎn)接頭可將剪切儀與鉆機(jī)連接，通過操作鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)剪切儀下放到預(yù)鉆孔內(nèi)，也可對剪切儀進(jìn)行起拔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對孔壁巖體的直接剪切破壞，進(jìn)而測得巖體的工程力學(xué)參數(shù)。

圖1 剪切儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of shear apparatus

1.2 侵入巖體刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由巖石破碎學(xué)理論中尖楔狀切削具[5]在受到侵入外加載荷P侵入時(shí)巖石破碎形態(tài)可知，尖楔狀切削具碎巖機(jī)理如圖2所示。

α為刃角圖2 楔形刀具碎巖機(jī)理Fig.2 Rock crushing mechanism with wedge cutter

剪切儀采用V形楔形刀具環(huán)向布局，其尺寸參數(shù)如表1所示。

楔狀壓頭的長度、寬度以及刃角都對侵入巖石有著很大影響。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院采用V形楔刃刀的滾刀刀盤進(jìn)行的大量線性切割試驗(yàn)[6]，V型楔刀刃角為60°～120°，刃角的不同決定滾刀與巖石的接觸寬度，同時(shí)影響巖石體內(nèi)的應(yīng)力分布和破碎巖屑的尺度，是滾刀破巖微觀機(jī)制的重要影響因素。

表1 楔形刀具尺寸參數(shù)

圖3 楔形刀具侵入巖體示意圖Fig.3 Schematic diagram of wedge cutter intruding into rock mass

2 雙楔形刀具侵入巖體仿真

2.1 基本假設(shè)

以剪切儀采用的楔形刀具為研究對象，以楔形刀具侵入巖體及剪切巖體的動(dòng)態(tài)載荷變化規(guī)律為目標(biāo)，并獲取侵入巖體的載荷位移關(guān)系。為了提高計(jì)算效率，縮短分析時(shí)間，對模型進(jìn)行如下假設(shè)[7]：①巖體為連續(xù)介質(zhì)，且?guī)r體被破碎后隨即被刪除；②楔形刀具設(shè)為剛體，只研究楔形刀具侵入巖體及剪切巖體時(shí)巖體的破碎規(guī)律。

在載荷外加載作用下，巖體首先發(fā)生較小的彈性變形，隨著載荷的增大到巖體發(fā)生屈服時(shí)，巖體由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，此時(shí)巖體發(fā)生損傷，繼續(xù)施加外部載荷時(shí)，巖體由于發(fā)生等效塑性應(yīng)變而破壞，產(chǎn)生的碎塊或碎屑從巖體剝離[8]，因此在外部載荷作用下，巖體發(fā)生的等效塑性應(yīng)變作為巖體失效時(shí)的位移，以此來作為巖體損傷失效的判定準(zhǔn)則。ABAQUS提供的Mohr-Coulomb(M-C)模型和Drucker-Prager(D-P)模型常被運(yùn)用于描述巖石塑性階段本構(gòu)關(guān)系，選用D-P模型，該模型可通過設(shè)定單元的剪切失效準(zhǔn)則來模擬巖屑的形成和剝離過程，能夠較好地模擬巖石的破壞。另外考慮摩擦力對數(shù)值模擬結(jié)果影響并不大，因此，假定楔形刀具與巖石接觸面的摩擦力為0。

2.2 模型建立

以兩個(gè)楔形刀具為研究對象，同時(shí)選取預(yù)鉆孔三維模型的1/2，通過NX繪制后導(dǎo)入ABAQUS軟件。由于巖體在外力作用下，不僅具有彈性變形，而且在塑性變形的同時(shí)有一定的損傷變形，因此采用綜合考慮巖體應(yīng)變率和損傷效應(yīng)的隨動(dòng)塑性硬化材料模型，以塑性應(yīng)變作為巖體破碎的判據(jù)，所選取的巖體為砂巖[9]，密度設(shè)置為2 540 kg/m3，彈性模量和泊松比分別設(shè)置為11.54 GPa和0.062(表2)，屈服應(yīng)力為45 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.02。

兩楔形刀具侵入巖體位移最大為5 mm，整個(gè)侵入巖體加載過程采用位移控制加載，步長為0.25 mm，固定巖體除外側(cè)表面其余四周邊界，選用Hex單元類型和C3D8R六面體單元[10]，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 978 788，單元數(shù)為1 927 400。圖4為兩楔形刀具軸向間距為30 mm時(shí)，與巖體網(wǎng)格劃分后結(jié)果。

表2 巖石與楔形刀具參數(shù)

圖4 楔形刀具與巖體網(wǎng)格劃分二維示意圖Fig.4 Two-dimensional schematic diagram of wedge cutters and rock mass meshing

圖5 楔形刀具軸向間距30 mm侵入巖體截面應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of intrusive rock mass section with 30 mm axial spacing of wedge cutters

3 仿真結(jié)果分析

3.1 侵入巖體過程仿真

由于楔形刀具設(shè)定為剛體，因此仿真時(shí)楔形刀具無變形，且無應(yīng)力和應(yīng)變，所以選取巖體的破碎過程作為研究對象進(jìn)行分析。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)分別為楔形刀具間距30 mm時(shí)的侵入巖體0.25、2、3.5、5 mm的巖體應(yīng)力云圖。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)分別為楔形刀具間距30 mm時(shí)的侵入巖體0.25、2、3.5、5 mm的巖體破碎坑環(huán)向應(yīng)力云圖。

隨著楔形刀具壓入巖體時(shí)，如圖5(a)所示，楔形刀具的尖端最先與巖體接觸，在其前方出現(xiàn)袋狀密實(shí)核，同時(shí)環(huán)向孔壁上有兩條環(huán)向應(yīng)力區(qū)域，如圖6(a)所示，隨著侵深的增加，密實(shí)核發(fā)生損傷變形，隨著楔形刀具其上的作用力越來越大，巖體所受應(yīng)變超過其等效失效塑性應(yīng)變時(shí)，即可觸發(fā)單元?jiǎng)h除命令將其破碎單元?jiǎng)h除，進(jìn)而在孔內(nèi)巖壁上形成兩個(gè)破碎坑，如圖5(b)和圖6(b)所示。隨著楔形刀具逐漸侵入到巖體中，楔形刀具兩側(cè)參與破碎巖體的面積增加，破碎坑的應(yīng)力區(qū)也隨之增加，并向兩側(cè)擴(kuò)散，密實(shí)核旁側(cè)初始孤立的網(wǎng)格逐漸受到侵入破碎的作用，破碎坑的面積和體積進(jìn)一步增大，如圖5(c)和圖6(c)所示，但其中心位置的巖體單元只有在侵深繼續(xù)增加并發(fā)生接觸時(shí)才會(huì)發(fā)生損傷變形，進(jìn)而破碎刪除。由于巖體網(wǎng)格劃分為六面體單元，破碎坑呈階梯狀，但崩碎形成的巖體破碎坑坑呈楔形狀，楔形刀具與巖體重復(fù)經(jīng)歷著彈性變形、壓皺壓裂和體積破碎3個(gè)階段[11]，如此循環(huán)重復(fù)，不斷產(chǎn)生新的破碎坑，如圖5(d)和圖6(d)為侵入5 mm時(shí)形成的破碎坑形態(tài)。

圖6 破碎坑環(huán)向應(yīng)力云圖Fig.6 Circumferential stress cloud diagram of broken pit

3.2 侵入巖體動(dòng)態(tài)載荷

圖7為楔形刀具間距l(xiāng)分別為10、20、30、40、50 mm時(shí)，徑向載荷隨侵入位移變化的關(guān)系曲線。可以看出，楔形刀具侵入巖體的動(dòng)態(tài)載荷呈跳躍變化的，這是由于楔形刀具侵入巖體時(shí)，先在其上形成密實(shí)核，此時(shí)楔形刀具載荷呈線性增加，當(dāng)密實(shí)核四周巖體發(fā)生剪崩時(shí)，載荷急劇下降，再隨著侵深的增加，進(jìn)而形成新的密實(shí)核。

圖7 雙楔形刀具侵入巖體徑向載荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7 Dynamic response curve of radial load of double wedge cutters intruding into rock mass

4 結(jié)論

(1)基于巖石破碎學(xué)理論中尖楔狀切削具侵入時(shí)巖石破碎形態(tài)，采用V形楔形刀具作為剪切儀侵入巖體的設(shè)計(jì)，能夠保證侵入巖體良好的特性。

(2)以楔形刀具不同間距侵入孔壁巖體進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，仿真結(jié)果表明：楔形刀具侵入巖體具有躍進(jìn)型，且重復(fù)經(jīng)歷著彈性變形、壓皺壓裂和體積破碎3個(gè)階段，如此循環(huán)重復(fù)，不斷產(chǎn)生新的破碎坑，環(huán)向破碎坑與楔形刀具結(jié)構(gòu)相符。

(3)以楔形刀具不同間距侵入孔壁巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線表明：當(dāng)間距在30～50 mm變化時(shí)，軸向間距越小，楔形刀具侵入巖體相互作用明顯，侵入巖體所需的侵入載荷越大；但當(dāng)間距在30～50 mm變化時(shí)，侵入載荷降低的趨勢在減弱，在砂巖的原位剪切試驗(yàn)中，楔形刀具間距選用30～40 mm為宜。