截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0033

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (1): 229-240.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0033

截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究

张将令¹(), 李小二²(), 陈新明³, 焦华喆³, 李振华³

^1.河南理工大学土木工程学院, 河南焦作 454150
^2.焦作煤业集团, 河南焦作 454002
^3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心, 河南焦作 454150

收稿日期:2021-06-04 修回日期:2021-12-15 出版日期:2022-02-28 发布日期:2022-03-28
通讯作者: 李小二 E-mail:649036365@qq.com;2215065915@qq.com
作者简介:张将令，硕士研究生，主要从事岩土工程研究. E-mail： 649036365@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(42107200);中国博士后科学基金项目(2020M672226);河南省科技攻关计划项目(212102310107);山东省重大科技创新工程项目(2019SDZY05)

Study on numerical simulation of influencing factors for frozen soil excavation process by cutting pick rolling

Jiangling ZHANG¹(), Xiao’er LI²(), Xinming CHEN³, Huazhe JIAO³, Zhenhua LI³

^1.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454150，Henan，China
^2.Jiaozuo Coal Group，Jiaozuo 454002，Henan，China
^3.Cooperative Innovation Center for Safe Production and Clean and Efficient Utilization of Coal，Jiaozuo 454150，Henan，China

Received:2021-06-04 Revised:2021-12-15 Online:2022-02-28 Published:2022-03-28
Contact: Xiao’er LI E-mail:649036365@qq.com;2215065915@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

为了解决竖井冻土开挖难度大、人工挖掘效率低的问题，研究发明了一种新型重力式竖井掘进机，该掘进机利用截齿连续滚动向下、行走式掘进冻土，在竖井冻土掘进中具有较好的适应性，而截齿侵入深度是影响掘进冻土效率的重要因素。先采用三维软件建模，通过霍普金森压杆冲击试验，结合HJC压缩损伤模型原始参数，优化得到冻土本构模型参数；再利用有限元分析软件耦合，模拟截齿在不同侵入深度下滚动掘进冻土，得到冻土在不同凹陷破坏深度下的截齿三向力、冻土应力和应变的变化规律，便于直观研究截齿掘进冻土过程，寻求最优截齿侵入深度。仿真结果表明：随着截齿侵入深度增加，截齿三向力变大，冻土凹陷面积扩大，冻土应力向下无边界扩展递减；冻土与截齿接触区域应力、应变最大，远离截齿作用时冻土区域的应力、应变逐渐递减，其变化规律与截齿连续滚动掘进冻土特征相关；当冻土单轴抗压强度为9 MPa时，截齿滚动掘进冻土过程存在最优截齿侵入深度，为4 cm，此时冻土破坏特征明显，截齿滚动掘进冻土效率最高且能耗低。

关键词: 截齿三向力, 侵入深度, 应力, 应变, 冻土, 数值模拟

Abstract:

To solve the problems of difficult excavation of shaft frozen soil and low efficiency of manual excavation， a new type of gravity shaft tunnelling machine was invented. The machine has well adaptability in the excavation of shaft frozen soil. The invasion depth of cutting pick is an important factor affecting the efficiency of excavation of frozen soil. The cutting pick is used to continuously roll downward and walk to excavate frozen soil. In this study， three-dimensional software is used to establish the model， and the parameters of frozen soil constitutive model are optimized through the Hopkinson pressure bar impact test and the original parameters of HJC compression damage model. Then， the finite element analysis software is used to simulate the rolling excavation of frozen soil under different invasion depths of cutting picks， and the variation laws of three-dimensional force of cutting picks， stress and strain of frozen soil under different destruction depths of depressions are obtained. And it is convenient to visually study the process of cutting pick excavation of frozen soil and seek the optimal invasion depth of cutting picks. The simulation results show that with the increase of the invasion depth of the cutting pick， the three-dimensional force of cutting pick increases， the area of the frozen soil depression expands， and the stress and strain of the frozen soil decreases downward without boundary. The stress and strain in the contact area between the frozen soil and the cutting pick is the largest， and the stress and strain in the frozen soil area away from the cutting pick decreases gradually. The stress and strain variation laws are related to the characteristics of the frozen soil in the continuous rolling excavation of the cutting pick. When the uniaxial compressive strength of frozen soil is 9 MPa， there is an optimal intrusion depth of 4 cm in the frozen soil excavation process by cutting pick rolling. The destruction characteristics of frozen soil are obvious， and the efficiency of frozen soil excavation by cutting pick rolling is the highest and the energy consumption is low.

Key words: three-dimensional force of cutting pick, invasion depth, stress, strain, frozen soil, numerical simulation

中图分类号:

TD421

张将令, 李小二, 陈新明, 焦华喆, 李振华. 截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 229-240.

Jiangling ZHANG, Xiao’er LI, Xinming CHEN, Huazhe JIAO, Zhenhua LI. Study on numerical simulation of influencing factors for frozen soil excavation process by cutting pick rolling[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(1): 229-240.

图/表 13

图1

图2

图3

图4

表1

冻土本构模型参数"

ρ/（kg·m^-3）	G/GPa	A	B	C	N	f ΄_c/MPa	T/MPa	$ε ˙ 0$ /s^-1	$ε ˙ f m i n$	S_max
2100	2	1.2	0.5	0.012	1.0	9	0.3	1.0	0.01	7.0
P_c/MPa	u_c	u_l	P_l/MPa	D₁	D₂	K₁/GPa	K₂/GPa	K₃/GPa	f_s
16.0	0.001	0.1	80	0.04	1.0	85	-171	208	0.004

表1

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

参考文献 40

1	Jiao Huazhe， Sun Guandong， Chen Xinming， et al. Development of temperature field of multi circle freezing wall in deep alluvium［J］. Journal of China Coal Society， 2018， 43（）： 443-449.
	焦华喆，孙冠东，陈新明，等. 深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场发展研究［J］. 煤炭学报， 2018， 43（）： 443-449.
2	Wang Dayan， Ma Wei， Chang Xiaoxiao， et al. Study on the strength characteristics of frozen soil in artificial freezing sinking［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2002， 24（2）： 168-172.
	王大雁，马巍，常小晓，等. 模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究［J］. 冰川冻土， 2002， 24（2）： 168-172.
3	Yin Xiaowen， Fu Qiang， Ma Kunlin. Study of the nonlinear mathematical model for triaxial creep of frozen soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2013， 35（1）： 171-176.
	尹晓文，傅强，马昆林. 冻土三轴蠕变非线性数学模型研究［J］. 冰川冻土， 2013， 35（1）： 171-176.
4	Li Xiaolin， Wang Hongjian， Zou Shaojun， et al. Research state of deformation characteristics of frozen soil under cyclic loading and problems in frozen soil excavation［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2017， 39（1）： 92-101.
	栗晓林，王红坚，邹少军，等. 循环荷载下冻土变形特性研究现状及冻土开挖问题［J］. 冰川冻土， 2017， 39（1）： 92-101.
5	Li Qingze， Lai Yuanming， Xu Xiangtian， et al. Triaxial strength distribution of warm frozen soil and its damage statistical constitutive model［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2010， 32（6）： 1234-1241.
	李清泽，赖远明，徐湘田，等. 高温冻土三轴强度分布及损伤统计本构模型［J］. 冰川冻土， 2010， 32（6）： 1234-1241.
6	Li Long， Zhou Qin， Zhang Kai， et al. Research progress on mechanical cutting fracture mechanism of frozen soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2021， 43（2）： 638-649.
	李龙，周琴，张凯，等. 冻土机械切削破碎机理的研究进展［J］. 冰川冻土， 2021， 43（2）： 638-649.
7	Zhao Shuping， Zhu Yuanlin， He Ping， et al. Recent progress and suggestion in the research on dynamic response of frozen soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2002， 24（5）： 681-686.
	赵淑萍，朱元林，何平，等. 冻土动力学研究的现状与进展［J］. 冰川冻土， 2002， 24（5）： 681-686.
8	Wang Dan， Liu Enlong， Zhang De， et al. An elasto-plastic constitutive model for frozen soil subjected to cyclic loading［J］. Cold Regions Science and Technology， 2021， 189（5）： 103341.
9	Wu Tao， Zhou Xiaomin， Zhang Ligang， et al. Theory and technology of real-time temperature field monitoring of vertical shaft frozen wall under high-velocity groundwater conditions［J］. Cold Regions Science and Technology， 2021， 189（2）： 103337.
10	Yu Jianxin， Guo Min， Liu Huanchun， et al. Vibration mechanical response of freezing pipe induced by frozen soil blasting in vertical shaft［J］. Journal of Applied Mechanics， 2021， 38（1）： 367-374.
	于建新，郭敏，刘焕春，等. 立井冻土爆破冻结管振动力学响应研究［J］. 应用力学学报， 2021， 38（1）： 367-374.
11	Kang Ting， Bai Yingsheng， Sun Huixiang， et al. Analysis of dynamic responses of arch structures with elastic supports under explosive impact［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics， 2017， 34（4）： 679-684.
	康婷，白应生，孙惠香，等. 爆炸冲击荷载作用下弹性支撑拱结构的动力响应分析［J］. 应用力学学报， 2017， 34（4）： 679-684.
12	Zhang Yongmou， Xie Feihong. Theoretical and test study on dynamic characteristics of thin-layered sandy frozen soil in blasting［J］. Journal of Computers， 2011， 6（6）： 1131-1138.
13	Huang Min， Wu Miao， Wei Renzhi， et al. Research on vibration characteristics of horizontal axis tunneller［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2002， 38（8）： 89-93.
	黄民，吴淼，魏任之，等. 横切割头掘进机械振动特性研究［J］. 机械工程学报， 2002， 38（8）： 89-93.
14	Liu Jianqin， Liu Mengmeng， Guo Wei. Research on the simulation of cutting rock rotary by hard rock tunnel boring machine disc cutters［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（9）： 199-205.
	刘建琴，刘蒙蒙，郭伟. 硬岩掘进机盘型滚刀回转破岩仿真研究［J］. 机械工程学报， 2015， 51（9）： 199-205.
15	Lin Laikuang， Xia Yimin， Jia Lianhui， et al. Rock-breaking characteristics of TBM gage disc cutters and sensitivity analysis of their influencing factors［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（1）： 18-26.
	林赉贶，夏毅敏，贾连辉，等. TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价［J］. 机械工程学报， 2018， 54（1）： 18-26.
16	Xiao Donghui， Ma Wei， Zhao Shuping， et al. Study on the dynamic parameters of frozen soil： achievements and prospects［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2015， 37（6）： 1611-1626.
	肖东辉，马巍，赵淑萍，等. 冻土动力学参数研究的成果综述与展望［J］. 冰川冻土， 2015， 37（6）： 1611-1626.
17	Wang Qijia， Sun Wei， Liu Zhonghai. Force analysis and structure optimization of shearer pick-shaped cutter［J］. Coal Mine Machinery， 2012， 33（4）： 91-93.
	王启佳，孙维，刘中海. 采煤机镐形截齿受力分析及结构优化［J］. 煤矿机械， 2012， 33（4）： 91-93.
18	Qi Jilin， Ma Wei. State-of-art of research on mechanical properties of frozen soils［J］. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31（1）： 133-143.
	齐吉琳，马巍. 冻土的力学性质及研究现状［J］. 岩土力学， 2010， 31（1）： 133-143.
19	Sun Kai， Tang Liang， Zhou Annan， et al. An elastoplastic damage constitutive model for frozen soil based on the super/sub loading yield surfaces［J］. Computers and Geotechnics， 2020， 128： 103842.
20	Liu Zengli， Li Hongsheng， Zhu Yuanlin， et al. A timely experimental study of uniaxial compression for frozen soil［J］. Rock and Soil Mechanics， 2002， 23（1）： 12-16.
	刘增利，李洪升，朱元林，等. 冻土单轴压缩动态试验研究［J］. 岩土力学， 2002， 23（1）： 12-16.
21	Chen Wenfeng. Study on dynamic compressive mechanical performance for artificial frozen soil in uniaxial shock compression by SHPB experiment［J］. Journal of Henan Institute of Engineering （Natural Science Edition）， 2012， 24（4）： 50-53.
	陈文峰. 人工冻土单轴冲击压缩力学性能实验研究［J］. 河南工程学院学报（自然科学版）， 2012， 24（4）： 50-53.
22	Zhu Zhiwu， Fu Tiantian， Zhou Zhiwei， et al. Research on Ottosen constitutive model of frozen soil under impact load［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2021， 137： 104544.
23	Mikhailova N V， Volkov G A， Petrov Y V， et al. Relations between parameters of fracture processes on different scale levels［J］. Doklady Physics， 2018， 63（11）： 459-461.
24	Ning Zhongliang， Zhu Huashuang. Research of stress distribution for conical bits［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology， 2003， 23（3）： 325-327.
	宁仲良，朱华双. 镐形截齿应力分布规律研究［J］. 西安科技学院学报， 2003， 23（3）： 325-327.
25	Jiang Nan， Zhou Chuanbo， Luo Gang， et al. Blasting vibration safety criterion of railway tunnel concrete lining［J］. Journal of Central South University， 2012， 43（7）： 2746-2750.
	蒋楠，周传波，罗钢，等. 铁路隧道混凝土衬砌爆破振动安全判据［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2012， 43（7）： 2746-2750.
26	Wang Zhenhua， Tang Bin， Huang Zhihong， et al. Discrete element numerical test of rock breaking performance of TBM cutter in composite strata［J］. Anhui Architecture， 2021， 28（3）： 157-159.
	汪振华，唐彬，黄志鸿，等. 复合地层TBM滚刀破岩性能离散元数值试验［J］. 安徽建筑， 2021， 28（3）： 157-159.
27	Huo Junzhou， Sun Wei， Ouyang Xiangyu， et al. Coupling layout design of disc cutters group and cutterhead supporting structure［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（21）： 23-30.
	霍军周，孙伟，欧阳湘宇，等. 隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计［J］. 机械工程学报， 2014， 50（21）： 23-30.
28	Fan Pengxian， Wang Mingyang， Fang Xiang. The boundary conditions of model test of deep engineering and its simulation methods［J］. Journal of Mining and Safety Engineering， 2016， 33（1）： 146-151.
	范鹏贤，王明洋，方向. 深部工程模型试验的边界条件及其模拟方法探讨［J］. 采矿与安全工程学报， 2016， 33（1）： 146-151.
29	Huang Xing， Li Dongqing， Ming Feng， et al. Experimental study of the compressive and tensile strengths of artificial frozen soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（5）： 1346-1352.
	黄星，李东庆，明锋，等. 冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究［J］. 冰川冻土， 2016， 38（5）： 1346-1352.
30	Liu Zhiqiang， Liu Jiakai， Wang Bo， et al. Dynamic characteristics of frozen clay by using SPHB tests［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2014， 36（3）： 409-416.
	刘志强，柳家凯，王博，等. 冻结黏土动态力学特性的SHPB试验研究［J］. 岩土工程学报， 2014， 36（3）： 409-416.
31	Zhang Haidong， Zhu Zhiwu， Kang Guozheng， et al. Dynamic constitutive relation of frozen soil based on Johnson-Cook model［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2012， 44（）： 19-22.
	张海东，朱志武，康国政，等. 基于Johnson-Cook模型的冻土动态本构关系［J］. 四川大学学报（工程科学版）， 2012， 44（）： 19-22.
32	Song Li， Hu Shisheng. Two-wave and three-wave method in SHPB data processing［J］. Explosion and Shock Waves， 2005， 25（4）： 368-373.
	宋力，胡时胜. SHPB数据处理中的二波法与三波法［J］. 爆炸与冲击， 2005， 25（4）： 368-373.
33	Wang Shiming， Xiong Xianrui， Liu Yunsi， et al. Stress-strain relationship of sandstone under confining pressure with repetitive impact［J］. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources， 2021， 7（2）： 39.
34	Yan Zelin， Dai Feng， Liu Yi， et al. Numerical assessment of the rate-dependent cracking behaviours of single-flawed rocks in split Hopkinson pressure bar tests［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2021， 247： 107656.
35	Zhang Haidong， Zhu Zhiwu， Ning Jianguo， et al. Mechanical behavior of frozen soil under uniaxial dynamic loading［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2014， 35（1）： 39-48.
	张海东，朱志武，宁建国，等. 冻土单轴动态加载下的力学性能［J］. 固体力学学报， 2014， 35（1）： 39-48.
36	Tan Qing， Yi Nian’en， Xia Yimin， et al. Research on rock dynamic fragmentation characteristics by TBM cutters and cutter spacing optimization［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 31（12）： 2453-2464.
	谭青，易念恩，夏毅敏，等. TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2012， 31（12）： 2453-2464.
37	Tan Qing， Yang Yang， Xia Yimin， et al. Numerical and experimental study on rock breaking by cutter in rolling mode［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2018， 45（8）： 69-78.
	谭青，杨秧，夏毅敏，等. 滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2018， 45（8）： 69-78.
38	Jia Sen. Research on rock-breaking rolling force and rock breaking specific energy characteristics of disc cutter［D］. Shenyang： Shenyang Jianzhu University， 2020.
	贾森. 盘形滚刀破岩滚动力与岩石破碎比能特性研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学， 2020.
39	Li Mengmeng， Niu Yonghong， Jiang Cong， et al. Recent progress of excavation and breaking methods for frozen soil［J］. Mechanics in Engineering， 2016， 38（2）： 126-133.
	李蒙蒙，牛永红，江聪，等. 冻土开挖破碎方法研究现状与展望［J］. 力学与实践， 2016， 38（2）： 126-133.
40	Ren Huilong， Zhuang Xiaoying， Rabczuk T， et al. Dual-support smoothed particle hydrodynamics in solid： variational principle and implicit formulation［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2019， 108： 15-29.

[1]	李艳, 金会军, 温智, 赵子龙, 金晓颖. 多年冻土区斜坡稳定性研究综述[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 203-216.
[2]	王飞, 李国玉, 马巍. 多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 217-228.
[3]	李智斌, 赵林, 刘广岳, 邹德富, 汪凌霄, 杨斌, 杜二计, 胡国杰, 周华云, 王翀, 幸赞品, 赵建婷, 殷秀峰, 迟鸿飞, 谭昌海, 陈文. 冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 56-68.
[4]	周华云, 刘广岳, 杨斌, 邹德富, 赵林, 杜二计, 谭昌海, 陈文, 杨朝磊, 文浪, 旺扎多吉, 张浔浔, 肖瑶, 胡国杰, 李智斌, 谢昌卫, 汪凌霄, 刘世博. 长江上游沱沱河源区多年冻土发育特征[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 69-82.
[5]	刘广岳, 邹德富, 杨斌, 杜二计, 周华云, 肖瑶, 赵林, 谭昌海, 胡国杰, 庞强强, 王武, 孙哲, 朱小凡, 殷秀峰, 汪凌霄, 李智斌, 谢昌卫. 青藏高原腹地各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 83-95.
[6]	罗京, 牛富俊, 林战举, 刘明浩, 尹国安, 高泽永. 青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 96-105.
[7]	李飞,郭佳锴,张世强. VIC-CAS导热率和未冻水算法改进及其对多年冻土水热过程模拟的实验研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1888-1903.
[8]	王一博,吕明侠,赵海鹏,高泽永. 青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1301-1311.
[9]	范星文,林战举,罗京,刘明浩,尹国安,高泽永. 高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1323-1333.
[10]	王蓝翔,董慧科,龚平,王传飞,吴晓东. 多年冻土退化下碳、氮和污染物循环研究进展[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1365-1382.
[11]	冯晓琳,张艳林,常晓丽. 大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1468-1479.
[12]	赵容舟,梁二雷,姚晓亮,余帆. 冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1480-1488.
[13]	温理想,郭蒙,黄书博,于方冰,钟超,周粉粉. 大兴安岭北部多年冻土区植被对活动层厚度变化的响应[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1531-1541.
[14]	周晓宇, 赵春雨, 李娜, 刘鸣彦, 崔妍, 敖雪. 东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1027-1039.
[15]	金豆豆, 张泽, 冯文杰, 王金国, 岳攀, 杨曙光. 电势梯度对冻结黄土电渗效果影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1083-1091.

截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究

Study on numerical simulation of influencing factors for frozen soil excavation process by cutting pick rolling

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 40

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0