黏土与盾构刀盘之间黏附特性研究

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在我国隧道建设中闭胸式盾构得到了广泛运用。在盾构机工作中,刀盘作为其切削土体的机械部件,保证其正常运转是盾构高效开挖的前提。刀盘在工作期间,经常会发生切削下来的细小颗粒、碎屑重新黏附在刀盘中心或开口区域,甚至形成固态、半固态的块状体,从而将刀盘堵塞无法正常工作的情况,因此研究黏土与刀盘之间的黏附力特性十分重要。本论文通过室内试验及数值模拟方法,探究了多种因素对黏土与盾构刀盘之间黏附力的影响规律,主要内容和成果如下:(1)自主设计了黏土-接触面黏附力测试仪,选取蒙脱土与伊利土两种典型黏土,考虑多种影响因素(稠度指数、温度、围压、剪切速度、排水环境),分析了黏土-接触面黏附力与温度等其他影响因素之间的关系,结果表明:排水环境下黏土温度高低与黏土-接触面黏附力大小呈正相关,不排水环境下黏土温度高低与黏土-接触面黏附力大小呈负相关;温度改变对土样稠度指数(0.5-0.8)时的黏土-接触面黏附力影响较大;温度改变对不同压力条件下的黏土-接触面黏附力影响效果相同。(2)分析了离散元微观参数与土样内聚力、内摩擦角以及黏土-接触面黏附力之间的关系,利用响应面法得到了二者之间的回归方程,可利用这三个回归方程计算内聚力在4.19-69.89 k Pa,内摩擦角在14.27-36.61°,黏附力在14.30-72.21 k Pa范围之内的相应离散元微观力学参数。(3)通过数值模拟,分析了地层土体颗粒温度和刀盘转速对盾构机掘进刀盘扭矩、刀盘正面阻力、刀盘附近土体颗粒运动、盾构机掘进前方颗粒运动规律的影响,结果表明:不排水条件下,刀盘峰值扭矩、刀盘稳定扭矩以及刀盘正面阻力均随开挖地层土体颗粒温度的升高而非线性减小;一定范围内,刀盘峰值扭矩随着刀盘转速的增加而非线性增加,刀盘正面阻力随着刀盘转速的增加而非线性降低;刀盘转动对前方开挖土体运动的影响范围不超过1/10盾构刀盘直径的宽度;最后结合工程实例,论证了计算结果的合理性。
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