随着国家基础设施的大力发展,工程基础的设计理论及方法、施工新技术日新月异。桩基础作为深基础的一种重要形式,其在沉降控制、承载能力等方面的突出优势而受到广泛关注,合理可行的桩基成孔方式和技术是关键。而旋挖机相对于传统成桩方式,能以更低的成本、更高的质量及更快速度完成桩孔施工,目前已开始应用于各类地层。但由于赋存环境的复杂性,旋挖钻进过程中,钻头对其接触的岩体进行冲击侵入和旋转切削,不同的岩性及施工参数均对钻机破岩成孔的动态过程产生重要的影响。目前,旋挖机破岩机理的研究成果相对较少,且大多限于静态、单因素的研究。为了更全面地反映旋挖钻进过程中的破岩特性及成孔形态,采用理论分析、数值模拟及工程实践相结合的方法研究旋挖钻进破岩的动态过程及破岩机理。其主要研究内容如下:① 结合旋挖钻机工作原理,分析旋挖钻进工作参数,基于机械原理得到截齿切削过程对岩石的作用力类型。利用弹性力学中半空间体理论,对岩石在截齿切削状态下进行受力分析,得到岩石的三向受力状态,理论推导截齿与岩石接触力的计算公式,进而得出法向荷载与位移之间的关系。② 建立截齿破岩的三维数值模型,通过对接触力、接触面积、裂纹、岩石塑性变形、损伤演化等因素的分析,得到截齿竖向侵入段(截齿无旋转,仅受竖向侵入力压入岩石)破岩过程分为五个阶段。在旋转切削段(截齿旋转钻进,受到竖向侵入力和水平面扭矩共同作用)齿前岩石受到挤压作用,齿尖处岩石受到拉伸和剪切作用,说明旋挖机破岩是一个挤压、拉伸、剪切耦合作用的过程。③ 分析不同岩石强度下,截齿布置形式对破岩过程的影响,得到截齿倾角、截齿偏斜角和齿间距随岩石强度的变化趋势,并对截齿布置形式进行优化。④ 建立旋挖钻进过程的三维模型,分析不同形式钻头在不同钻进参数下的破岩特性,对比研究捞沙钻头和取芯钻头的破岩过程,表明钻头转速和钻进速度对破岩力的影响较大。并结合实际旋挖机成孔钻进参数的现场监测,提出多因素协同控制的持力层判定模型——岩体荷载强度模型,验证其合理性及可靠性,并进一步研究实际旋挖钻进中的破岩动态过程。