【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土力学，具体涉及利用rmt试验机的水平和垂向加载能力进行微型滚刀线性切削破岩的测试方法。
技术介绍
1、tbm作为一种现代化的隧道开挖工具，利用刀盘上的滚刀破碎前方的岩石，同时将碎岩传出隧道，实现隧道的开挖过程，tbm施工方法具备自动化，连续化施工的优势，相较于传统的人工开挖，其施工速度更快，效率更高，污染更小，能更好地控制隧道尺寸和形状。但tbm在穿越复杂地层时，将会面临滚刀异常断裂、围岩垮塌、不均匀变形等工程灾害的威胁，其根本原因在于tbm滚刀切削不同地质结构的岩石时，会导致不同的岩石破碎行为，因此，深入认识tbm滚刀与岩石的相互作用对优化tbm掘进施工参数和预防掘进灾害具有重要的工程意义。
2、目前，认识tbm滚刀与岩石的相互作用的实验方法主要可以分为滚刀线性切削实验和滚刀回旋切削实验：
3、(1)《隧道建设》，2017年第37卷第3期，题名“基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究”，作者龚秋明等，该研究利用机械破岩实验平台对尺寸为1000mm×1000mm×6000mm的花岗岩进行了17英寸全尺寸滚刀的线性切削实验，开展了岩碴片形状与tbm破岩效率的研究。
4、(2)《岩土力学》，第2019年第40卷第7期，题名“复合岩层中滚刀旋转切割破岩效率试验研究”，作者温森等，该研究采用滚刀岩机作用综合实验台对直径为2m的复合岩石试样进行了不同滚刀间距的回旋破岩实验，其研究成果能为工程现场提高掘进效率提供支撑。
5、上述的技术应用现状分析表明，目前使用不同的滚刀破
6、rmt试验机作为通用岩石力学设备，常用于岩石单轴、三轴和直剪实验，具备垂直方向和水平方向加载能力，由于功能广泛，性价比优良，自动化程度高，被广泛运用于岩石室内试验。
7、综合来看，开展基于传统设备的微型滚刀切削的破岩实验方法，实现滚刀破岩的微型化、低成本研究是亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，旨在克服现有的全尺寸滚刀切削破岩实验需要大尺寸岩样和专用设备的不足，实现对滚刀破岩机理的微型化、低成本研究。
2、本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
3、一种基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，包括以下步骤：
4、s1、以全尺寸滚刀模型为设计图，进行结构缩尺设计，选择合适的缩尺比例，使滚刀直径为岩样沿切削方向长度的1/10至1/3范围内，获得微型滚刀模型图，并进一步加工制造出若干微型滚刀实物。若滚刀直径占切削方向比例太大，会导致滚刀最终实际能够切削的长度太短，造成岩样浪费；若滚刀直径占切削方向比例太小，滚刀最终实际能够切削的长度太长，而试验过程并不需要这么长的切削长度。因此，通过结构缩尺设计得到的微型滚刀直径为岩样沿切削方向长度的1/10至1/3范围内，可保证滚刀切削长度与滚刀直径处于合理匹配范围，防止出现滚刀切削岩石不充分或过充分的不良实验结果。
5、s2、设计微型滚刀夹具，滚刀夹具整体外部尺寸匹配rmt试验机的剪切盒内部尺寸，保证滚刀夹具能够放置于上剪切盒内，滚刀夹具底面开设若干平行于切削方向的滚刀槽，用于对应安置若干所述微型滚刀。
6、s3、将待测的岩石试块加工为岩样，放入rmt试验机的下剪切盒中，将滚刀夹具放置于岩样上方，随后将上剪切盒盖住滚刀夹具，整体推入rmt试验机剪切区域，随后控制rmt试验机将岩样和滚刀夹具在垂直方向进行预夹紧。
7、s4、选择贯入速度vh，操作rmt试验机以设定的贯入速度vh施加垂向荷载，到达指定贯入深度lh后，维持当前贯入深度，并记录当前贯入荷载ph。
8、s5、选择切削速度vs，操作rmt试验机以设定的切削速度vs施加水平切削荷载，记录贯入荷载ph和水平切削荷载ps变化过程，当水平切削位移到达指定长度ls时，停止施加荷载，将上剪切盒及滚刀夹具拆卸后，收集微型滚刀切削的岩渣并进行称重，记录岩渣重量为m。
9、s6、数据分析，结合切削过程中的水平切削荷载和贯入荷载，计算微型滚刀线性切削破岩的比能，即破碎单位体积岩石所需要的能量，比能越小，表示破岩效率越高。
10、进一步优化，步骤s1中，结构缩尺设计包括：将全尺寸滚刀的刀圈和刀体融合为一体，去掉挡圈；结合室内试验破岩环境和耐久度的需求，去掉轴承隔环、左密封环、右密封环部件；保留刀圈、轴承、左端盖、右端盖及刀轴部件；将微型滚刀轴承调整为滚针轴承。
11、进一步优化，步骤s2中，所述滚刀夹具包括上面板、下面板及安装于所述上面板与下面板之间的支柱，所述下面板的下表面开设若干所述滚刀槽。
12、进一步优化，步骤s2中，所述滚刀槽沿切削方向设置至少一列，为保证滚刀切削破岩的有效性，滚刀槽阵列沿切削方向的长度不超过1/2岩样长度；每列滚刀槽沿垂直于切削方向设置至少一个滚刀槽；所有滚刀槽的中心与下面板平面中心重合，使得滚刀夹具能平稳放置于岩块上方，并保证垂向加载的稳定性。
13、进一步优化，当研究同一列滚刀内部间距对破岩机理的影响时，对于同一列滚刀槽设置不同的滚刀槽间距。
14、进一步优化，当研究两列滚刀共同切削部分滚刀重复破岩对破岩机理的影响时，设置至少两列滚刀槽，并控制切削长度大于滚刀槽阵列沿切削方向的长度。
15、进一步优化，步骤s3中，所述岩样为长方体，尺寸范围不超过150mm×150mm×150mm。
16、进一步优化，步骤s3中，在整体推入rmt试验机剪切区域之前，将一个垫块放置于上剪切盒顶部，随后放置减摩滚珠，再放置一个垫块，使得两个垫块和减摩滚珠的中心与上剪切盒中心在垂向重合，可以减少垂向荷载对岩石试样的端部摩擦效应，使荷载加载更加均匀。
17、进一步优化，步骤s6中，滚刀线性切削破岩的比能se为：
18、
19、其中：ρ为测试岩石的密度，m为切削岩渣重量，ph为贯入荷载，lh为贯入深度，ps为水平切削荷载，ls水平切削长度。
20、本专利技术的有益效果在于：
21、本专利技术突破了传统研究滚刀破岩需要专用设备的限制，实现了利用通用设备(rmt试验机)研究滚刀破岩机理的功能，通过对全尺寸滚刀进行结构缩尺设计，进一步的将岩石试样尺寸需求从米级尺寸降低至分米级尺寸，实现了滚刀破岩的微型化、低成本研究。
22、利用本专利技术测试方法不仅可以比较同一滚刀对于不同岩石种类的破岩效率，还可以比较不同种类滚刀对于同一岩石的破岩效率，为工程现场提高掘进效率提供支撑。
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1.一种基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S1中，结构缩尺设计包括：将全尺寸滚刀的刀圈和刀体融合为一体，去掉挡圈；结合室内试验破岩环境和耐久度的需求，去掉轴承隔环、左密封环、右密封环部件；保留刀圈、轴承、左端盖、右端盖及刀轴部件；将微型滚刀轴承调整为滚针轴承。
3.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S2中，所述滚刀夹具包括上面板、下面板及安装于所述上面板与下面板之间的支柱，所述下面板的下表面开设若干所述滚刀槽。
4.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S2中，所述滚刀槽沿切削方向设置至少一列，为保证滚刀切削破岩的有效性，滚刀槽阵列沿切削方向的长度不超过1/2岩样长度；每列滚刀槽沿垂直于切削方向设置至少一个滚刀槽；所有滚刀槽的中心与下面板平面中心重合。
5.根据权利要求4所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征
6.根据权利要求4所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，当研究两列滚刀共同切削部分滚刀重复破岩对破岩机理的影响时，设置至少两列滚刀槽，并控制切削长度大于滚刀槽阵列沿切削方向的长度。
7.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S3中，所述岩样为长方体，尺寸范围不超过150mm×150mm×150mm。
8.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S3中，在整体推入RMT试验机剪切区域之前，将一个垫块放置于上剪切盒顶部，随后放置减摩滚珠，再放置一个垫块，使得两个垫块和减摩滚珠的中心与上剪切盒中心在垂向重合。
9.根据权利要求1所述的基于RMT试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤S6中，滚刀线性切削破岩的比能SE为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤s1中，结构缩尺设计包括：将全尺寸滚刀的刀圈和刀体融合为一体，去掉挡圈；结合室内试验破岩环境和耐久度的需求，去掉轴承隔环、左密封环、右密封环部件；保留刀圈、轴承、左端盖、右端盖及刀轴部件；将微型滚刀轴承调整为滚针轴承。
3.根据权利要求1所述的基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤s2中，所述滚刀夹具包括上面板、下面板及安装于所述上面板与下面板之间的支柱，所述下面板的下表面开设若干所述滚刀槽。
4.根据权利要求1所述的基于rmt试验机的微型滚刀线性切削测试方法，其特征在于，步骤s2中，所述滚刀槽沿切削方向设置至少一列，为保证滚刀切削破岩的有效性，滚刀槽阵列沿切削方向的长度不超过1/2岩样长度；每列滚刀槽沿垂直于切削方向设置至少一个滚刀槽；所有滚刀槽的中心与下面板平面中心重合。
5.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，薛强，李小春，江权，谭贤君，阮航，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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