基于離散元的超聲波振動(dòng)輔助TBM 滾刀碎巖分析

韓君鵬，趙大軍，張書(shū)磊，周 宇

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450003）

0 引言

在隧道工程施工領(lǐng)域，高強(qiáng)度堅(jiān)硬巖層是導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢的一個(gè)重要因素，如何高效快速地對(duì)堅(jiān)硬巖石進(jìn)行有效破碎，是一個(gè)普遍關(guān)注的研究問(wèn)題［1-2］。全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）是長(zhǎng)隧道掘進(jìn)施工中優(yōu)先采用的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，依靠刀盤(pán)安裝的滾動(dòng)刀具滾壓破碎巖體，具有施工速度快、成洞質(zhì)量高、作業(yè)連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。滾刀在液壓油缸壓力作用下壓入巖石，裂紋隨之產(chǎn)生，并隨壓力的增加而擴(kuò)展，相鄰兩滾刀產(chǎn)生的裂紋貫通時(shí)，其間的巖石脫落，達(dá)到破碎巖體的效果［3］。硬巖地層通常具有較高的強(qiáng)度，此時(shí)破壞其所需要的壓力降急劇增大，而當(dāng)?shù)貙又惺⒑枯^高時(shí)，巖石的研磨性較強(qiáng)［4］，刀具在強(qiáng)擠壓、高研磨的條件下工作，其損壞失效的速度將大幅度加快，因此在硬巖條件下隧道掘進(jìn)的進(jìn)尺速度較慢、刀具磨損較快，大大增加了施工成本［5］。

為了提高TBM 開(kāi)挖效率，降低施工成本，眾多學(xué)者相繼開(kāi)展研究提高滾刀的工作效率與使用壽命。部分學(xué)者針對(duì)刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，分析影響刀具功效的誘導(dǎo)因素，試圖延長(zhǎng)單位進(jìn)尺長(zhǎng)度下刀具壽命［6］。Liu 等［7］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)相同條件下滾刀順序破巖比雙滾刀同時(shí)破巖能夠形成更大的破巖槽，數(shù)值分析顯示順序破巖條件下裂紋貫通效果更好。譚青等［8］、蔡晨晨［9］對(duì)比了沖擊動(dòng)載與靜載條件下滾刀破巖，發(fā)現(xiàn)循環(huán)沖擊載荷可以促進(jìn)巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生及其在水平方向上的延伸貫通。趙伏軍等［10］以花崗巖為對(duì)象，研究了壓頭侵入巖石過(guò)程，得出動(dòng)靜耦合加載能大幅提升碎巖效果。

超聲波振動(dòng)是一種超高頻率的循環(huán)載荷作用方式，能夠產(chǎn)生與硬巖固有頻率相同或相似的頻率［11］，在該頻率循環(huán)載荷作用下，巖石將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，發(fā)生疲勞破壞［12］。Zhao 等［13］利用熱紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)超聲波振動(dòng)載荷下巖石損傷特性進(jìn)行了探究，認(rèn)為破壞過(guò)程分為彈性變形、微裂縫與屈服、宏觀(guān)裂紋與破壞3 個(gè)階段。Yin 等［14］通過(guò)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲波振動(dòng)有效降低了花崗巖的強(qiáng)度。Fernando 等［15］選用3 種巖石進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超聲加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可以降低巖石切削力，且切削速度提高了3 倍。數(shù)值模擬方法可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件展示巖體模型在運(yùn)行過(guò)程中的微觀(guān)損傷及宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)變化，相對(duì)于物理測(cè)試更加直觀(guān)且便于分析，因而在巖石方面的理論研究中得到廣泛應(yīng)用。離散元模擬手段因其在模擬巖石裂紋演化方面的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注［16-17］。Moon 等［18］基于離散元數(shù)值模擬方法分析了滾刀間距與貫入度對(duì)應(yīng)的巖石受力狀態(tài)，獲得了最佳破巖條件。Jiang 等［19］模擬了雙滾刀切割巖體，將巖體破碎分為加載階段、卸載階段和殘余躍變破碎3 個(gè)階段。Li 等［20］建立了楔形滾刀碎巖模型，描繪了細(xì)觀(guān)裂紋擴(kuò)展與損傷演化過(guò)程，分析了不同參數(shù)下的碎巖效率。

現(xiàn)有針對(duì)提升破巖效率而對(duì)滾刀施加的沖擊動(dòng)載頻率較低，單次沖擊伴隨較大的載荷變化，不利于滾刀壽命的保持，對(duì)于超高周循環(huán)載荷輔助加載尚欠缺研究，離散元模擬技術(shù)可從微觀(guān)角度深入探查巖石內(nèi)部損傷演化過(guò)程，對(duì)于揭示超聲波振動(dòng)輔助破巖機(jī)理有重要意義。本文采取顆粒流離散元模擬軟件構(gòu)建了花崗巖模型，通過(guò)模擬滾刀侵入花崗巖巖體過(guò)程，分析滾刀在常規(guī)滾動(dòng)模式下與施加超聲波振動(dòng)輔助碎巖模式下巖石裂紋擴(kuò)展發(fā)育情況，對(duì)比滾刀在超聲波振動(dòng)輔助下的破巖效果，為提高滾刀碎巖效率提供新的思路，為超聲波輔助滾刀碎巖研究提供理論依據(jù)。

1 離散元模型與參數(shù)標(biāo)定

1.1 離散元基本理論

1.1.1 基本原理

Particle Flow Code 是一款基于離散單元模型（DEM）的細(xì)觀(guān)分析軟件，在模擬非均質(zhì)巖石材料動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程方面有著較為廣泛的應(yīng)用。模型中的每個(gè)顆粒是一個(gè)具有質(zhì)量和表面的剛性體，獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并可以產(chǎn)生位移和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)內(nèi)力和力矩成對(duì)產(chǎn)生的接觸定義了顆粒間的相互作用方式，并隨計(jì)算的進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，識(shí)別并產(chǎn)生新的接觸。顆粒間的接觸是以軟接觸的方式實(shí)現(xiàn)的，剛性顆粒可以在接觸點(diǎn)處相互重疊，重疊區(qū)域較小，通常視為一點(diǎn)，重疊量的大小通過(guò)力-位移定律與接觸力相關(guān)。顆粒的運(yùn)動(dòng)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律，墻體的運(yùn)動(dòng)由用戶(hù)指定并不受接觸力影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的加載或約束。

運(yùn)算過(guò)程采取迭代循環(huán)的計(jì)算方式，如圖1 所示，在確定時(shí)間步長(zhǎng)的基礎(chǔ)上依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律更新位置與速度，而后更新模型時(shí)間，并根據(jù)顆粒位置創(chuàng)建或刪除接觸，最后根據(jù)力-位移定律更新接觸處的力和力矩，開(kāi)啟下個(gè)計(jì)算循環(huán)。

1.1.2 接觸模型

所定義的顆粒間相互作用定律即為一個(gè)接觸模型。接觸的力學(xué)行為決定著離散元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，單個(gè)的顆粒、墻體間通過(guò)接觸產(chǎn)生微觀(guān)力學(xué)行為，相互組織串聯(lián)，進(jìn)而由局部影響整體。研究小組采用不同的接觸模型設(shè)置模型內(nèi)顆粒、墻體間的接觸屬性，采用的接觸模型類(lèi)型包括線(xiàn)性模型、線(xiàn)性平行粘結(jié)模型、光滑節(jié)理模型。

圖1 迭代循環(huán)計(jì)算過(guò)程Fig.1 Iterative cycle calculation process

線(xiàn)性（Linear）模型提供了一個(gè)無(wú)窮小界面的力傳遞行為，接觸力矩為零。接觸包括線(xiàn)性和阻尼組件，線(xiàn)性組件控制線(xiàn)彈性摩擦，而阻尼組件控制粘結(jié)，線(xiàn)性組件不能承受拉力。

線(xiàn)性平行粘結(jié)（Linear Parallel Bond）模型可用于粘結(jié)材料的力學(xué)行為。該粘結(jié)可視為一組具有恒定法向剛度和剪切剛度的彈簧，均勻分布在兩顆粒接觸一定范圍內(nèi)的矩形平面內(nèi)。模型產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)合組分，一個(gè)線(xiàn)性組分，等效于線(xiàn)性模型，另一個(gè)稱(chēng)之為平行粘結(jié)，與第一個(gè)平行作用。線(xiàn)性組分不抵抗相對(duì)旋轉(zhuǎn)，粘結(jié)組分抵抗相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因此平行粘結(jié)會(huì)產(chǎn)生力和力矩，導(dǎo)致產(chǎn)生粘結(jié)材料內(nèi)的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力。

光滑節(jié)理（Smooth-Joint）模型可以模擬平面界面的剪脹力學(xué)行為，無(wú)需考慮沿界面分布的局部粒子的接觸方向。模型中包含了線(xiàn)彈性、粘結(jié)、摩擦膨脹界面的宏觀(guān)表現(xiàn)。在粘結(jié)超出強(qiáng)度極限或斷開(kāi)前，粘合部位具有線(xiàn)彈性的特性，未粘結(jié)部位是線(xiàn)彈性和膨脹摩擦，通過(guò)在剪切力上施加庫(kù)侖極限來(lái)適應(yīng)滑移。通過(guò)將相互接觸的兩組粒子設(shè)置為該模型，可以模擬摩擦或粘結(jié)連接。

不同接觸類(lèi)型的理論表面如圖2 所示。

圖2 接觸理論表面Fig.2 Theoretical contact surface

1.2 巖石模型微觀(guān)參數(shù)標(biāo)定

為了達(dá)到可靠仿真效果，研究小組對(duì)花崗巖進(jìn)行了室內(nèi)單軸壓縮測(cè)試，獲得了宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)，并基于此結(jié)果采用試錯(cuò)法對(duì)模型細(xì)觀(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

選用的花崗巖試樣是中?；◢弾r，開(kāi)采自中國(guó)吉林省某礦山，試樣的主要礦物組成包括長(zhǎng)石（0.6～3.0 mm，60%～70%）、石 英（0.5～2.5 mm，20%～30%）、黑云母（0.5～2.0 mm，5%～7%），其他礦物＜1%，花崗巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，主要造巖礦物成分力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表1 花崗巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of granite

如圖3 所示，所構(gòu)建的單軸壓縮花崗巖模型共8818 個(gè)顆粒，模型構(gòu)建中運(yùn)用了顆粒簇（Cluster）命令，Cluster 是將一些顆粒體通過(guò)一定強(qiáng)度粘結(jié)在一起，形成一個(gè)顆粒組，一個(gè)Cluster 內(nèi)的顆粒粘結(jié)可在外力足夠大時(shí)失效破壞，因此可用Cluster 模擬巖石內(nèi)礦物晶體。模型總計(jì)生成2203 個(gè)顆粒簇，每個(gè)顆粒簇中顆粒數(shù)目不超過(guò)7 個(gè)，運(yùn)用高斯函數(shù)隨機(jī)將模型中的顆粒簇指定為石英、云母、斜長(zhǎng)石、堿性長(zhǎng)石，模型中各造巖礦物組分的比例如圖4 所示。

表2 花崗巖造巖礦物力學(xué)參數(shù)[21-22]Table 2 Mechanical parameters of the mineral components of granite

圖3 花崗巖試樣及模型Fig.3 Granite sample and model

圖4 花崗巖模型造巖礦物比例Fig.4 Percentage of the mineral components of the granite model

模型的接觸模型采用混合設(shè)置方式，墻體與顆粒間設(shè)定為L(zhǎng)inear 模型，顆粒簇內(nèi)部顆粒間采用Linear Parallel Bond 模型粘結(jié)，顆粒簇間選用Flat?Joint 模型構(gòu)建粘結(jié)關(guān)系。礦物晶粒簇間的粘結(jié)強(qiáng)度，設(shè)定為該交界面相鄰兩礦物中最小粘結(jié)強(qiáng)度的60%［23-24］。模型采用的力學(xué)參數(shù)如表3～5 所示。

單軸壓縮室內(nèi)試驗(yàn)以及離散元模擬均以?35 mm×70 mm 花崗巖模型為研究對(duì)象。宏觀(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好，巖石試樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖5。圖6 展示了數(shù)值模擬離散裂隙網(wǎng)絡(luò)（DFN）隨時(shí)間變化分布情況。獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

表3 線(xiàn)性模型力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the linear model

表4 線(xiàn)性平行粘結(jié)模型細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)Table 4 Micro mechanical parameters of the linear parallel bond model

表5 光滑節(jié)理模型細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)Table 5 Micro mechanical parameters of the smooth joint model

圖5 室內(nèi)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)試樣Fig.5 Uniaxial compression test specimen

圖6 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)（DFN）分布Fig.6 Distribution of discrete fracture network (DFN)

2 滾刀模型建立

為了對(duì)滾刀破巖過(guò)程分析，建立了尺寸為300 mm×150 mm 的非均質(zhì)花崗巖顆粒流模型，模型共包含13768 個(gè)顆粒，3584 個(gè)顆粒簇，其中顆粒最小半徑0.9 mm，最大粒徑與最小粒徑比為1.22，粒徑值由高斯函數(shù)隨機(jī)指定?？紤]實(shí)際運(yùn)用中滾刀刀圈強(qiáng)度-剛度相對(duì)于巖石材料均處于較高水平，故采用剛性圓形墻體表征滾刀，墻體直徑432 mm，滾刀模型如圖8 所示。學(xué)者研究表明，法向推力在滾刀破巖過(guò)程中起主要作用，整個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)化成滾刀侵入巖體過(guò)程［25-26］。模型設(shè)定滾刀滾動(dòng)速度5 mm/s，貫入度3 mm，豎直方向施加的超聲波振動(dòng)載荷頻率為20 kHz，振幅為20 μm。

圖7 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Stress vs strain curve

圖8 滾刀滾動(dòng)碎巖模型Fig.8 Rock breaking model of the rolling disc cutter

3 裂紋萌生與損傷演化

離散元模擬結(jié)果中可通過(guò)接觸力鏈、離散裂隙網(wǎng)格等的分布特性表征模擬過(guò)程中細(xì)觀(guān)力學(xué)特性及破壞發(fā)展情況。

3.1 接觸力鏈分布特征

顆粒流模型中介質(zhì)應(yīng)力是以一種特殊的方式進(jìn)行表達(dá)的。迭代運(yùn)算中，在牛頓運(yùn)動(dòng)定律獲得顆粒位移的基礎(chǔ)上，顆粒與顆粒、顆粒與墻體間接觸點(diǎn)的力和力矩通過(guò)力-位移定律計(jì)算得知，此刻模型中每個(gè)接觸點(diǎn)力的性質(zhì)與大小都是可獲得的，所有接觸點(diǎn)的力勾連組合形成模型整體的力鏈分布，做到通過(guò)微觀(guān)接觸力實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)應(yīng)力傳遞的表征。

圖9 展示的是在模型穩(wěn)定運(yùn)行后，一個(gè)周期的超聲波振動(dòng)下，滾刀滾動(dòng)加載過(guò)程中花崗巖模型內(nèi)部接觸力鏈的變化情況，其中綠色區(qū)域表示拉應(yīng)力鏈，藍(lán)色區(qū)域表示壓應(yīng)力鏈。圖9（a）～（e）分別展示的是模型在加載一個(gè)周期內(nèi)，0、T/4、T/2、3T/4、T時(shí)刻的接觸力鏈分布特征，其中T表示超聲波振動(dòng)周期。T/4、3T/4 時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)該振動(dòng)周期內(nèi)，滾刀所處位置的最低點(diǎn)與最高點(diǎn)。

可明顯看出，巖石模型顆粒的接觸力類(lèi)型在一個(gè)振動(dòng)周期呈現(xiàn)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的交替變換，呈現(xiàn)綠色的拉應(yīng)力由巖石模型上表面中心受力點(diǎn)處向巖石內(nèi)部傳播，拉應(yīng)力分布呈現(xiàn)圓環(huán)狀，具有明顯的波的傳播特征。T/4 時(shí)刻，滾刀在超聲波加載的最低點(diǎn)處，力的作用點(diǎn)處呈現(xiàn)壓應(yīng)力，以該點(diǎn)為中心的一定大小的扇形區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)拉應(yīng)力，其中以上表面附近的兩個(gè)30°角區(qū)域拉應(yīng)力分布最為密集（圖9b）。隨后壓應(yīng)力區(qū)面積增大，伴隨拉應(yīng)力區(qū)向兩側(cè)及深部擴(kuò)散（圖9c）。3T/4 時(shí)刻，巖石內(nèi)部一定深度處形成一個(gè)環(huán)形拉應(yīng)力帶（圖9d）。

圖9 巖石內(nèi)接觸力鏈位置分布Fig.9 Distribution of the contact force chain in rock

圖10（a）～（e）分別展示了加載一個(gè)周期內(nèi)，0、T/4、T/2、3T/4、T 時(shí)刻巖石內(nèi)應(yīng)力鏈強(qiáng)弱分布特征。應(yīng)力的擴(kuò)展傳播呈現(xiàn)較為明顯的扇形，壓應(yīng)力扇形區(qū)角度約為120°，中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)兩側(cè)30°角范圍內(nèi)，拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用（圖10b）。由圖10（c）可看出，壓應(yīng)力區(qū)中，同半徑位置點(diǎn)，平行于加載方向處的應(yīng)力值最大，應(yīng)力值隨與加載方向的夾角增大而逐漸減小。由圖10（d）、（e）可看出，在一次新的向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一個(gè)新的扇形壓應(yīng)力區(qū)生成，上一個(gè)壓應(yīng)力波呈環(huán)形帶狀位于一定深度處，兩壓力波中間夾雜著一條環(huán)形拉應(yīng)力波。

圖10 巖石內(nèi)部應(yīng)力鏈強(qiáng)弱分布Fig.10 Strength distribution of the stress chain in rock

3.2 模型內(nèi)部裂紋時(shí)空演化特征

圖11 展示的是相同加載周期下，超聲波振動(dòng)輔助作用與原生無(wú)輔助作用下，巖石內(nèi)部裂紋隨加載時(shí)間變化曲線(xiàn)。超聲輔助加載模式下，各類(lèi)裂紋的產(chǎn)生規(guī)模均大于傳統(tǒng)純滾動(dòng)加載模式，其中裂紋總數(shù)目提升30.3%，且超聲波振動(dòng)加載提前了巖石內(nèi)部裂紋生成的時(shí)間，提升效果達(dá)到56.3%。傳統(tǒng)模式加載過(guò)程中，巖石內(nèi)部出現(xiàn)了多次裂紋激增現(xiàn)象，即躍進(jìn)式破巖現(xiàn)象，而超聲波振動(dòng)加載輔助作用模式下，裂紋的生成較為平緩，僅出現(xiàn)一次激增現(xiàn)象。拉伸裂紋決定了材料脆性破壞特征，剪切裂紋決定材料延-塑性特征，兩種加載模式下，拉伸破壞裂紋的數(shù)目占比達(dá)到66.8%，均多于剪切破壞裂紋，拉伸破壞是滾刀碎巖過(guò)程中巖石內(nèi)部的主要開(kāi)裂形式［27］。

離散裂隙網(wǎng)絡(luò)是巖體數(shù)值模擬中常用的裂隙構(gòu)建及測(cè)量的途徑［27-28］。圖12（a）、（b）分別展示了純滾動(dòng)狀態(tài)下與超聲波振動(dòng)輔助加載狀態(tài)下離散裂隙網(wǎng)絡(luò)隨加載時(shí)間演化分布情況。兩種加載狀態(tài)下，裂隙均隨加載時(shí)間的增加呈現(xiàn)由淺至深、從中間到四周擴(kuò)散的生成趨勢(shì)。可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)加載模式下裂隙生成起始區(qū)域位于距上表面一定深度處，超聲波振動(dòng)輔助加載在巖石表層會(huì)生成更多的裂隙，且在加載初期，裂隙的生成量顯著多于常規(guī)模式。兩種模式下均在相同缺陷位置處生成了裂隙帶，超聲波振動(dòng)輔助加載生成的裂隙帶寬度更大，生成時(shí)間相對(duì)提前。

圖11 裂紋數(shù)目隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Curve of crack number vs time

圖12 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間變化分布Fig.12 Distribution of discrete fracture network vs time

3.3 模型內(nèi)部裂紋方位角演化特征

對(duì)計(jì)算過(guò)程等間距選取10 個(gè)采樣點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)了純滾動(dòng)與超聲波振動(dòng)輔助兩種加載狀態(tài)下，花崗巖內(nèi)部裂紋方位角的動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)，如圖13、圖14 所示，（a）～（j）分別展示了10 個(gè)采樣點(diǎn)的各方位角下裂紋的統(tǒng)計(jì)情況。外圍圓周坐標(biāo)數(shù)值0～360 表示裂紋的方位角，內(nèi)部圓形等值線(xiàn)代表裂紋的強(qiáng)度，玫瑰圖的花瓣長(zhǎng)度表征了特定方位下裂紋出現(xiàn)的頻率。

圖中90°方向?yàn)槌暡虞d方向，135°為滾刀滾動(dòng)方向。由圖13 可知，純滾動(dòng)加載模式下，第1 個(gè)采樣點(diǎn)無(wú)裂紋生成，自第2 采樣點(diǎn)開(kāi)始，在滾刀滾動(dòng)方向前側(cè)產(chǎn)生裂紋，第5 采樣點(diǎn)時(shí)是裂紋的大范圍萌生期，在70°、90°、100°、140°方向上均有較多裂紋生成，第6 采樣點(diǎn)起，裂紋主要沿100°方向萌生擴(kuò)展。由圖14 可發(fā)現(xiàn)，第1 采樣點(diǎn)即檢測(cè)到裂紋的萌生，可知超聲波輔助加載加速了裂紋的生成，隨后在2、3 采樣點(diǎn)，裂紋的大范圍萌生期出現(xiàn)，20°～140°均有較多裂紋生成，相對(duì)于純滾動(dòng)加載模式裂紋生成方位角范圍更寬，1～5 檢測(cè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，90°是裂紋的主要生成方位角，該方向也是超聲波振動(dòng)加載方向，從第6 采樣點(diǎn)起，100°方向裂紋生成數(shù)量逐步成為裂紋生成主導(dǎo)方向。對(duì)比可知，在整個(gè)加載周期過(guò)程中，超聲波振動(dòng)在前期主導(dǎo)了裂紋的生成，隨著加載的進(jìn)行，滾動(dòng)載荷作用回歸主導(dǎo)地位。相比于純滾動(dòng)加載模式，超聲波振動(dòng)加載模式輔助促進(jìn)了裂紋的生成。

圖13 滾刀純滾動(dòng)下巖石裂紋方位角演化特征Fig.13 Evolution characteristics of the rock crack azimuth with pure rolling of the disc cutter

圖14 超聲波振動(dòng)滾刀巖石裂紋方位角演化特征Fig.14 Evolution characteristics of the rock crack azimuth with the ultrasonic vibration-assisted disc cutter

4 結(jié)論

本文提出了一種新的滾刀碎巖方式，將超聲波振動(dòng)加載與滾刀滾動(dòng)加載耦合作用，優(yōu)化滾刀破巖性能，增益破巖效果。通過(guò)離散單元法對(duì)純滾動(dòng)與超聲波振動(dòng)輔助加載模式下滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行了模擬對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）滾刀在超聲波振動(dòng)加載輔助下能夠以巖-機(jī)作用點(diǎn)為中心周期性地產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力波，并向巖石內(nèi)部傳播。在巖石的近表面滾刀作用點(diǎn)周邊區(qū)域周期性地產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的拉應(yīng)力，對(duì)巖石淺層近表面部位的張拉破壞有較為明顯的促進(jìn)作用。

（2）超聲波振動(dòng)提升了滾刀滾動(dòng)作用下裂紋生成的規(guī)模，且加快了裂紋的生成速度，大幅提前了裂紋初次萌生時(shí)間，使?jié)L刀在加載初期即在巖石淺層部位作用生成微裂紋。

（3）超聲波振動(dòng)輔助加載模式下巖石內(nèi)部裂紋生成更加平穩(wěn)，躍進(jìn)式破碎現(xiàn)象較少，能夠有效避免因劇烈振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)滾刀刀圈產(chǎn)生異常磨損和非常規(guī)結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)延長(zhǎng)滾刀壽命具有促進(jìn)作用。