基于线性D-P准则的先行刀破碎桩基仿真研究.pdf

80 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION基于线性D-P准则的先行刀破碎桩基仿真研究何恩光1，2，田淞文1，高 猛1，3，齐 鹏1，4（1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.全断面掘进机国家重点试验室，辽宁 沈阳 110141；3.沈阳工学院，辽宁 沈阳 113122；4.沈阳盾构设备工程有限公司，辽宁 沈阳 110141）摘要为提升盾构破碎混凝土桩基础效率，开展先行刀破碎混凝土桩基础仿真研究。采用有限元分析软件ABAQUS构建双先行刀切削素混凝土板模型，通过改变刀具贯入度得到先行刀切削反力的变化趋势。通过设计L9（33）正交试验，分析刀间距、贯入度、线速度对先行刀破碎混凝土比能影响的主次关系。研究结果显示，先行刀切削素混凝土所受到的平均切削反力随贯入度的增加而增大；两把先行刀之间会形成混凝土脊，因此在盾构利用先行刀切削桩基过程中，如果先行刀不能全覆盖刀盘表面就需要切刀来破碎剩余的混凝土脊；在刀间距、贯入度、线速度这3种影响先行刀破碎混凝土比能的因素中，贯入度影响最大，线速度对比能的影响次之，刀间距对比能的影响最小。关键词盾构先行刀；Drucker-Prager准则；正交试验法；比能中图分类号U455.43 文献标识码A 文章编号1001-554X（2024）01-0080-04Simulation study of pile foundation crushed by advance knife based on linear D-P criterionHE En-guang，TIAN Song-wen，GAO Meng，QI Peng盾构在都市繁华区域修建地铁隧道过程中，遭遇建筑物地下桩基础的情况时有发生，通常的处理方式是在刀盘上增设先行刀，以“低推速，中转速”的掘进方式直接破除并穿越桩基1。在盾构能够顺利穿越桩基的条件下，从比能的角度选取先行刀最优刀间距、贯入度和线速度，可以降低工程成本并加快工期进度。因此，模拟先行刀切削混凝土的工作过程，确定3种因素对比能影响的主次关系具有一定意义。近年来，国内外广泛采用有限元法来分析在隧道掘进过程中刀具对岩石、土壤的破坏过程。Cho等使用AUTODYN 3D软件研究了在线性切削过程中滚齿力和破碎岩石体积受刀间距的影响，结果表明存在使破岩比能最小化的最优刀间距2。侯义辉等利用ABAQUS有限元分析软件建立双把滚刀直线切割岩石的动力学显式模型，得到影响滚刀破岩比能因素的主次顺序3。宋晓林等利用有限元方法对单把截齿截割破岩过程进行模拟，得到截齿破岩参数的最优配置4。耿麒等采取有限元分析和光滑粒子流体动力学相耦合的数值分析方法构建TBM双滚刀按序回转切削的三维仿真模型，得到了刀间距对切削效果、切削抗力、比能的影响规 律5。张珂等运用ABAQUS有限元仿真方法构建双滚刀直线切割大理岩的动力学模型，得到贯入度与滚刀所受平均滚动力之间的相应关系6。本文以王飞研发出的新型切桩专用先行刀和素混凝土板为研究对象，基于线性Drucker-Prager准则建立了仿真中混凝土的损伤本构模型，利用有限元分析工具ABAQUS建立了先行刀切削素混凝土板有限元仿真模型，探究在不同贯入度下先行刀平均切削抗力的变化趋势；基于正交试验法分析了不同因素对先行刀破碎素混凝土比能影响的主次关系，为提升先行刀破碎混凝土桩基础效率提供了参考方法。DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.010收稿日期2023-05-12通讯地址何恩光，辽宁省沈阳市浑南区浑南东路25号CONSTRUCTION MACHINERY 812024/01总第575期1 先行刀破碎混凝土过程有限元模拟1.1 先行刀及素混凝土板有限元模型建立先行刀型式采用破桩专用先行刀，其主要结构参数如图1所示。21060160图1 破桩先行刀结构主要参数混凝土板形状为长方体，长宽高为1000mm200mm50mm。图2为双先行刀破碎混凝土板三维模型。图2 双先行刀破碎混凝土板三维模型1.2 材料模型建立破桩先行刀材料采用碳化钨硬质合金，该材料密度为1570kg/m3，杨氏模量为652GPa，泊松比为0.22。素混凝土板强度等级为C30，依照混凝土结构设计规范，其材料参数如表1 所示7。表1 C30混凝土材料参数材料密度/（kg/m3）杨氏 模量/MPa泊松比混凝土轴心抗压强度设计值/MPa混凝土轴心抗拉强度设计值/MPaC30 混凝土2400300000.214.31.43根据混凝土弹塑性本构关系及先行刀切削混凝土的破碎准则，使用线性Drucker-Prager模型来表达混凝土的塑性行为，使用shear damage损伤模型来表达混凝土的破坏行为，并假定混凝土材料性质为各项均匀、同性，且具有连续、小变形特性。线性Drucker-Prager塑性模型主要的应用范围是颗粒状材料，如土壤、岩石和混凝土。在ABAQUS中使用此塑性模型需要定义3个参数及其材料硬化行为。3个参数包括内摩擦角、流动应力比K和膨胀角f。内摩擦角计算公式为3 3arcsin23=（1）3+ctct （2）式中 c单轴拉伸屈服应力，单位为MPa；t 单轴压缩屈服应力，单位为MPa；材料常数，无纲量；内摩擦角，单位为。通过代入混凝土单轴抗压强度设计值和单轴抗拉强度设计值，解得C30混凝土内摩擦角为60.46。流动应力比K的定义是三轴拉伸试验中的流动应力与三轴压缩试验中的流动应力之比，取值范围为0.778K1.0。根据相关仿真案例，取K值为0.8。膨胀角f控制材料将要发生的体积膨胀的数量。当膨胀角等于内摩擦角时，材料产生明显的体积膨胀；当膨胀角小于内摩擦角时，材料产生较小的体积膨胀；当膨胀角等于0时，材料不发生体积膨胀。根据相关仿真案例，取f值为35。1.3 仿真条件设置为降低仿真时间，将双切桩先行刀模型定义为刚体。先行刀的运动行为通过给定其速度的大小及方向来施加。在素混凝土板底面施加固定约束，限制其全部自由度。先行刀网格单元采用C3D10M，网格单元数量14140个。素混凝土板网格单元采用C4D8R，网格单元数量600000个。双先行刀破碎混凝土板有限元模型如图3所示。为缩短仿真时间且使计算精度不偏离准确值，在分析步模块将质量缩放因数设置为9。2 仿真结果分析与滚刀破岩机理并不相同，先行刀在切削素82 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION混凝土时，两把先行刀之间并不会产生连通的裂纹。先行刀对素混凝土的破坏是通过刀盘旋转带动先行刀产生冲击惯量，对先行刀旋转路径上的混凝土进行冲击破坏。双先行刀对混凝土板的破碎如图4所示。图3 双先行刀破碎混凝土板有限元模型图4 双先行刀对混凝土板的破碎2.1 不同贯入度对平均切削反力的影响双先行刀在刀间距s=80mm、贯入度p=5mm、线速度v=1000mm/min破岩时，先行刀1号、2号所受切削反力随时间变化的关系曲线如图5所示。a 1号先行刀所受切削反力时间/s00.060.120.180.240.30.360.420.480.540.60.660.720.780.840.90.96时间/s00.060.120.180.240.30.360.420.480.540.60.660.720.780.840.90.96b 2号先行刀所受切削反力0100200300400500力/N6007008009000100200300400500力/N6007008009001000图5 双先行刀所受切削反力由图5可知，1号先行刀所受最大切削反力为853N，2号先行刀所受最大切削反力为910N。两把刀所受平均切削反力通过将仿真结果数据导入excel中求平均值，计算得1号平均切削反力为62.5N，2号平均切削反力为64.0N。两把先行刀同时切削素混凝土板，其平均切削反力相近却不 相同。为探究在不同贯入度下先行刀所受平均切削反力的变化趋势，取刀间距s=80mm、线速度v=260mm/s，仅仅改变贯入度参数，分别按照贯入度2mm、3mm、4mm、5mm进行4组仿真。表2为4组不同贯入度下先行刀所受平均切削反力。表2 先行刀所受平均切削反力贯入度/mm1号先行刀平均切削反力/N2号先行刀平均切削反力/N平均切削反力/N234.930.832.8347.242.644.9453.252.452.8562.564.063.3由表2可知，在双先行刀破碎混凝土板仿真试验中，如果刀间距和线速度保持不变，则随着贯入度的增加，先行刀受到的平均切削反力升高。2.2 不同参数组合对比能的影响岩石破碎比能耗简称比能，是指破碎单位体积岩石所耗费的能量。比能可以作为先行刀切削素混凝土效率的一个重要指标，比能越小，其破碎单位体积混凝土所耗费的能量也就越少，盾构破碎桩基的效率也就越高。比能的计算公式为rEFLSV （3）式中 SE比能，单位为J/m3；Fr先行刀切削反力，单位为N；L先行刀切削距离，单位为m；V先行刀破碎混凝土体积，单位为m3。决定滚刀破岩效率的因素主要有3个，分别为刀间距、贯入度、线速度。其中刀具贯入度的定义是盾构刀盘旋转一圈刀具贯入土层的深度。为研CONSTRUCTION MACHINERY 832024/01总第575期究这3种因素对先行刀破碎混凝土比能有无直接影响，并且探究这3种因素对比能影响的主次关系，建立三因素三水平参数表，如表3所示。其中A为刀间距，单位为mm；B为贯入度，单位为mm；C为线速度，单位为mm/s。设计L9（33）正交试验表，并进行9组仿真试验，如表4所示。表3 三因素三水平参数表水平试验因素ABC170120028032603905320表4 正交试验表试验编号ABC111121223133421352226231731383219332通过仿真结果可以得到，在这9组仿真试验中先行刀的平均切削反力和破碎素混凝土网格单元的数量。破碎网格单元的数量乘以单位网格单元的体积可以求出先行刀破碎混凝土的体积。利用比能计算公式可以求出每组正交试验的比能，正交试验结果如表5所示。刀间距为70mm时，其对应的1、2、3号仿真实验破碎素混凝土板体积之和为3.10110-4m3。刀间距为80mm时，其对应的4、5、6号仿真试验破碎素混凝土板体积之和为2.95710-4m3。刀间距为90mm时，其对应的7、8、9号仿真试验破碎素混凝土板体积之和为3.12510-4m3。在3种不同刀间距下破碎素混凝土板体积大致相同，结合图4双先行刀对素混凝土板的破碎效果可知，两把先行刀之间会形成混凝土脊，先行刀刀间距对破碎素混凝土比能无明显影响。表5 正交试验结果试验 编号破碎混凝土体积/（10-5m3）先行刀平均切削反力/N比能/（105J/m3）13.10722.87.339210.00849.04.896317.89268.23.81243.18617.75.55659.59033.73.514616.79850.32.99472.96643.714.732810.02222.32.225918.25981.04.436为研究贯入度、线速度对先行刀破碎素混凝土板比能影响的主次关系，对表5中的比能进行极差分析，得出的分析结果如表6所示。其中Kij表示在第j列元素、水平i所对应比能之和的平均值（j=1、2、3）。均值极差Rj反映了第j列元素的水平变化时比能的变化幅度，Rj越大，表明该元素对比能的影响也就越大。表6 正交试验极差表因素A（列1）B（列2）C（列3）K1j5.3499.2094.186K2j4.0214.2824.282K3j7.1313.7478.033Rj3.1105.4623.847由表6可知，均值极差R1R3R2，即表明贯入度对双先行刀破碎素混凝土比能影响最大，线速度对比能的影响次之，刀间距对比能的影响最小。其中k21、k32、k13为所在因素列中的最小值，所以本次正交试验中的最优组合是刀间距80mm、贯入度5mm、线速度200mm/min。（下转第88页）88 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION3 结论通过对双把先行刀切削素混凝土板的仿真研究，主要得到了以下结论：（1）先行刀切削素混凝土所受到的平均切削反力随贯入度的增加而增大。（2）先行刀破碎混凝土与滚刀破碎岩石的机理并不相同，先行刀利用刀盘旋转提供的动能来冲击破碎混凝土。两把先行刀之间会形成混凝土脊，因此在盾构利用先行刀切削桩基过程中，如果先行刀不能全覆盖刀盘表面，就需要切刀来破碎剩余的混凝土脊。（3）在刀间距、贯入度、线速度这3种影响先行刀破碎混凝土比能的因素中，贯入度影响最大，线速度对比能的影响次之，刀间距对比能的影响最小。本次正交试验破碎混凝土比能最小的组合是刀间距80mm、贯入度5mm、线速度200mm/min。参考文献1 王飞，袁大军，董朝文，等.盾构直接切削大直径钢筋混凝土桩基试验研究J.岩石力学与工程学报，2013，32（12）：2566-2574.2Cho N，Martin C，Sego D.A clumped particle model for rockJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44（07）.3侯义辉，王薇，张心源.球型镶齿滚刀参数对破岩比能影响性研究J.铁道科学与工程学报，2020，17（05）：1286-1294.4宋晓林，周长宽.竖井掘进机SBR镐型截齿破岩载荷及比能研究J.煤炭工程，2022，54（11）：138-143.5耿麒，张俊杰，汪珂，等.基于FEM-SPH耦合的TBM滚刀切削仿真与试验研究J.山东大学学报（工学版），2022，52（01）：93-102.6张珂，李亮，王贺，等.基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响J.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2017，33（05）：914-922.7GB 50010-2010.混凝土结构设计规范S.文研究了软土地层工况下隧道盾构施工技术，通过对该施工技术的试验研究，验证了该项施工技术在应用于软土地层隧道施工后的软土层沉降数值更小，实际施工效果相比常规施工效果更佳。参考文献1周静增，王建华，闫自海，等.软土地层小净距重叠隧道盾构施工相互扰动影响分析及控制措施J.隧道与地下工程灾害防治，2021，3（02）：61-68.2张贺，温永凯.上软下硬地层浅埋盾构施工引起地表沉降及施工风险研究J.重庆建筑，2022，21（07）：67-69.3邓碧，张俊伟，诸葛绪松，等.软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响J.建筑科学与工程学报，2021，38（06）：170-176.4陈桥，孙振川，张兵，等.超大直径盾构在海域软土地层掘进推进系统参数控制方法研究以汕头海湾隧道工程为例J.隧道建设（中英文），2020，40（01）：126-133.5曹洋，林向荣，李子路.软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟J.工程科学与技术，2022，54（03）：149-158.6刘树佳，白廷辉，廖少明.上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析J.地下空间与工程学报，2021，17（01）：229-236.7丁智，洪哲浩，冯丛烈，等.软土区双线盾构施工引起的土体变形及孔压研究J.岩土工程学报，2020，42（08）：1465-1473.8杨龙，徐海清，李长冬，等.武汉软土地区盾构施工地面沉降与注浆加固研究J.人民长江，2021，52（03）：131-136.9成孝玉.基于螺杆桩的高铁梁场软土地基加固技术研究J.铁道建筑技术，2022（01）：139-142.10 宋棋龙，祁文睿，李文静，等.滨海软土地层浅埋超大直径盾构隧道开挖面破坏机理及加固范围研究J.建筑科学与工程学报，2021，38（06）：155-162.（上接第83页）