不同节理间距下粗糙节理岩体中镶齿筒子的中观破岩机理

《Engineering Fracture Mechanics》：Mesoscale rock-breaking mechanism of inserted teeth hob in rough-jointed rock masses with varying joint spacings

　　

• 研究了节理面粗糙度（JRC）和节理间距对破岩效果的影响。
• 研究了插齿盘轮在复杂粗糙节理岩体中的破岩过程。
• 阐明了层状粗糙节理岩体中插齿盘轮的破岩机理。

## 引言

随着科技的进步，机械破岩已成为岩石开挖的主要方法。常见的开挖设备包括隧道掘进机（TBM）、铣削机和竖井钻机。其中，竖井钻机广泛用于岩体中的井筒开挖。理解插齿盘轮的破岩机理为相关工程问题的解决提供了重要的理论基础。

插齿盘轮的破岩过程本质上可以简化为盘轮齿与岩石之间的相互作用[6]。一旦施加的载荷超过岩石强度，岩体断裂便会产生，如图1所示。早期的研究主要集中在盘轮在完整岩石中的碎岩作用。Liu等人[16]基于全尺寸旋转切削试验，对传统的CSM模型进行了修正。盘轮几何参数对岩石碎裂的影响也已被考察。例如，Yang等人[44]发现单刃盘轮和双刃盘轮之间的滚动阻力差异显著。此外，Huang等人[9]发现球形和锥形盘轮的单位能量随贯入率和贯入深度的增加而增加。Huang等人[10]进行了PFC模拟，发现岩石强度与最佳盘轮间距成反比关系。Li等人[17]还通过正交实验设计评估了盘轮间距、转速和单位能量的敏感性。Hu等人[11]基于线性切削试验研究了切削顺序对破岩性能的影响，为TBM刀盘设计提供了实用指导。Zhang等人[48]发现，在自由面条件下，碟形切割头的破岩效率显著高于传统条件下。Jiang等人[14]发现，在自由面条件下，碟形切割头的峰值切削力与破岩深度呈线性关系。Cheng等人[3]发现单个前装碟形切割头的滚动阻力矩随其安装半径的增加而增大。Yang等人[45]研究了微波损伤岩石中TBM的破岩过程，发现峰值切削载荷显著降低。Li等人[23]报告称中硬岩的最佳切割头间距范围为70至80 mm，并揭示了岩石强度与切割头间距之间的相关性。Zhang等人[50]研究了预切沟槽对碟形切割头岩石碎裂的影响，确定了产生最佳破岩性能的关键沟槽深度和切割间距。Sun等人[32]发现微波照射岩石可降低碟形切割头的切削力。Zhang等人[51]揭示了激光照射引起的裂纹有助于碟形切割头破岩过程中侧向裂纹的扩展。这些研究阐明了盘轮几何形状和运行参数如何影响完整岩石中的碎裂效率。然而，天然岩体中通常含有节理面。因此，从完整岩石试样中得出的结论在现场条件下的适用性可能有限。

为研究盘轮在节理岩体中的破岩机理，已进行了大量数值模拟和实验室试验研究。Liu等人[19]发现存在一个最佳的节理剪切强度范围，在该范围内岩石损伤显著增加。Navid等人[25]发现当节理倾角为60°时，TBM破岩效率达到最大值，而节理间距与破岩效率呈负相关关系。Liu等人[20]发现节理方向也强烈影响盘轮压入过程中的裂纹扩展和破坏模式。基于单位裂纹长度的能量消耗，Song等人[31]提出了一种优化节理岩体中切割头间距的方法。Lin等人[21]发现节理倾角在低围压下显著影响破坏模式，为节理倾角和围压耦合条件下的盘轮性能提供了见解。Yin等人[46]研究了不同节理间距下TBM的切削行为，表明节理可能促进或抑制裂纹扩展。Yang等人[47]发现当节理倾角为30°时盘轮推力最小，且节理间距对盘轮扭矩有显著影响。Gong等人[7]发现当节理倾角为60°时TBM贯入率最高。Gong等人[8]表明随着节理间距的增加，岩石破坏模式从拉伸破坏转变为压剪破坏。Choi等人[4]发现切削力随节理间距和倾角的减小而增加，而Xue等人[43]和Hadi等人[13]表明破岩效率随节理间距的增加而降低。Fu等人[5]发现在小节理间距下裂纹起始应力相对较低，且随着节理数量的增加，试样的总体损伤与节理倾角呈反比关系。Liu等人[22]表明在固定节理倾角下，盘轮接触力随节理间距的增加而增加。Zhang等人[49]发现沿节理面的裂纹扩展也很显著，这为节理与围压耦合条件下的盘轮行为提供了进一步的见解。Xie等人[42]研究了节理砂岩中TBM的性能，发现扭矩随节理数量的增加而增大。此外，Jing等人[15]和Wang等人[38]考察了岩石碎裂过程中裂纹扩展与节理粗糙度之间的关系。总体而言，现有研究主要集中在节理方向、间距和强度上。然而，节理粗糙度对插齿盘轮引起的岩石碎裂的影响仍未得到充分认识。

粗糙节理岩体的真实模型对于研究节理条件下插齿盘轮的破岩机理至关重要。节理面粗糙度的表征源于Barton于1977年提出的节理粗糙度系数（JRC），该系数在岩土工程中被广泛使用[2]。后续研究采用了分形理论[26]、[24]、摄影测量法[1]、三维激光扫描[12]和粗糙离散裂隙网络（RDFN）模型[33]、[34]来表征节理形态和空间分布。Wu等人[35]基于现场裂隙数据开发了随机的三维裂隙网络模型。Wang等人[39]、[40]、[41]基于CT成像重建了岩体中的复杂内部节理网络。Liu等人[18]发现粗糙、弱充填节理的节理粗糙度系数（JRC）与单轴压缩下的裂纹数量呈正相关关系。Wang等人[36]进一步进行了数值模拟，表明节理粗糙度显著影响岩体的力学行为，支持了RDFN模型在分析节理岩体中的适用性。这些研究为构建粗糙节理岩体模型以及在这样的条件下分析插齿盘轮破岩提供了有用的基础。

目前关于盘轮岩石碎裂的研究主要集中在完整岩石试样上。对节理岩体中盘轮破岩机理的现有研究主要集中于节理间距和节理倾角等参数。很少有研究定量分析节理面的形态特征（如节理粗糙度系数JRC）及其空间分布特征。因此，本研究利用MATLAB构建了具有多种形态的粗糙节理面模型。使用AutoCAD生成了三维插齿盘轮模型。通过将上述几何体整合到PFC软件中建立了力学分析模型。在数值模拟之前，对岩石试样进行了单轴压缩试验以校准本研究采用的细观力学参数。利用力学分析模型研究了节理粗糙度和间距对盘轮破岩的影响。此外，还分析了含I组和II组节理组的试样中节理粗糙度和节理夹角对裂纹扩展和破坏特征的影响。

## 破岩模型

本研究考察了节理间距和节理面粗糙度对破岩过程的影响。基于W-M分形函数在MATLAB中生成了粗糙节理面模型（图2a）。节理面的粗糙度由W-M分形函数中的分形维度D和高度振幅G控制，该函数在节理面上产生波浪状形态。在AutoCAD中建立了三维插齿盘轮模型。同时，建立了PFC3D模型……

## 破碎区演化

图4表明，在所有工作条件下，盘轮与岩石表面的接触处均形成破碎区，其形状近似圆形。该区域内的表面颗粒呈离散堆积状态，这是由于滚动过程中颗粒变形和破碎所致，随后逐渐压实为致密核心。这一过程减少了岩石颗粒之间的失效孔隙。此外，随着节理JRC值的增加，破碎区倾向于扩展……

## 破碎区演化

图9表明，破碎区面积随节理粗糙度的增加而减小，而其几何形状逐渐变得更加复杂。当节理面JRC值为0、2–4、6–8和10–12时，岩体上表面的宏观失效裂纹呈现Y形图案。当JRC值为18–20时，宏观失效裂纹呈现十字形图案。相比之下，当JRC值为14–16时，宏观失效裂纹近似为线性。这种行为是……

## 讨论

天然节理面具有不规则的形态和复杂的空间分布特征（图13a），这显著影响岩体的力学行为。因此，理解复杂粗糙节理岩体的破岩机理对于涉及插齿盘轮的实际工程应用具有重要意义。基于前述分析，本节进一步研究了节理夹角α和JRC值对破岩过程的影响……

## 结论

（1）随着节理间距的增加，在所有JRC条件下，次生裂纹的发展变得更加随机。在盘轮与岩石接触界面处始终形成破碎区，且裂纹尖端优先沿粗糙节理面扩展。在岩体侧面形成片状碎块，并伴随上部粗糙节理面上的明显颗粒弥散。

（2）在破岩过程中，微裂纹主要为剪切裂纹。随着节理间距的增加，节理面JRC抑制了……

## CRediT作者贡献声明

Hao Huang：撰写——初稿、数据管理。Peitao Wang：撰写——审阅与编辑、资金获取。Guoye Jing：方法论、概念化。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的财务利益冲突或可能影响本文所述工作的个人关系。

## 致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：52574101）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2907400）和海南省科技专项基金（项目编号：ZDYF2024GXJS307）的资助。

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