高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究_刘佳亮(1).pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 24 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．24 2019 基金项目国家自然科学基金 51608082 ; 重庆市教委科学技术研究项目 KJ1500509 ; 重庆市科委基础与前沿研究项目 cstc2016jcyjA0374 收稿日期2018 －07 －06修改稿收到日期2018 －09 －11 第一作者 刘佳亮 男， 博士， 副教授， 1985 年生 高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究 刘佳亮1， 2， 3，李坤元1，张娣1 1． 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074; 2． 重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室， 重庆400074; 3． 重庆交通大学山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心， 重庆400074 摘要高压水射流冲击下混凝土内部裂纹扩展规律是洞察水力破碎机制的重要基础。借助相似材料、 模型试验 及高速摄像技术， 构建了高压水射流冲击透明类混凝土冲蚀孔洞及裂纹扩展检测系统， 研究了射流冲击混凝土冲蚀破碎 区演化历程及裂纹扩展模式。结果表明， 在射流冲击下混凝土破碎区演进过程分为三个典型阶段 水锤压缩区扩展、 非压 缩区扩展及侵彻贯通后扩展。在水锤压缩区冲蚀孔洞以近似 “花瓣” 状形态向自由面扩展， 在冲蚀孔洞阵前面存在显著 的塑性屈服区及交错裂纹网， 并从理论上提出了冲蚀孔洞演进的临界判据; 在非压缩区冲蚀孔洞近域塑性屈服区明显减 少， 材料去除演变为完全脆性破碎模式， 冲蚀孔洞轴向演进速度呈现阶段性停滞; 侵彻贯通后冲蚀孔洞径向维度将继续增 大， 并在孔壁近域出现不连续、 半球状微裂纹区域， 当扩展至初始贯通孔径 2 倍左右时， 主冲蚀孔洞将趋于稳定。 关键词高压水射流; 混凝土; 模型试验; 裂纹 中图分类号U418文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 24． 018 Broken area evolution characteristics and crack propagation rules of concrete under high pressure water jet crushing LIU Jialiang1， 2， 3，LI Kunyuan1，ZHANG Di1 1． School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China; 2． National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China; 3． Engineering Research Center of Bridge Structure and Materials in Mountain Area，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China Abstract The internal crack propagation rules in concrete under high pressure water jet impingement are the fundamental issue of hydraulic breaking concrete mechanism． Through the similar material and model and the high speed photography technology，an erosion hole and crack propagation detection system of the high pressure water jet impacting transparent similar- concrete material was built． A detailed study on the evolution process of the erosion zone and the crack propagation mode was pered． The results show that the high pressure water jet erosion can be divided into three typical evolution processesthe expansion in the water hammer compression zone，the expansion in the non compression zone， and the extension after penetration． In the water hammer compression zone， the erosion hole expands to the free surface in the of a “petal“ shape，and there is a significant plastic yield zone and staggered crack network in front of the erosion hole． The critical criterion for the evolution of the erosion hole was proposed theoretically． In the non compression zone，the plastic yield zone near the erosion hole has a sharp decrease and the material removal has evolved into the completely brittle fracture mode，and the axial evolution velocity of the erosion hole presents periodical stagnations． After penetrating，the radial dimension of the erosion hole continues to increase，and the discontinuous and micro hemispherical crack region appears near the hole wall． When the erosion hole diameter extends to about two times of the initial hole，the main erosion hole will tend to be stable． Key wordshigh pressure water jet;concrete;model test;crack 高压水射流破碎混凝土技术突破传统机械方式， 利用高压水束冲击作用使已损坏或性能较差的混凝土 界面崩裂、 剥离及冲运， 具有高效率、 无污染、 无磨损及 选择性破除等众多优势， 已经广泛应用于土木、 建筑、 矿业、 交通及国防军工等众多领域［1 －2 ］。近年来， 随着 ChaoXing 工程建设要求日益提高， 对射流破碎安全、 质量提出了 更高要求， 尤其是针对复杂受力区或敏感结构， 或在进 行混凝土结构应急破拆时， 必须精确控制破碎区影响 范围， 避免裂纹无序扩展， 导致新的安全隐患。因此， 为了进一步提高高压水射流破碎技术应用水平， 需要 对高压水射流作用下混凝土破碎区演进及裂纹扩展演 化特征进行深入探究。 高压水射流冲击混凝土涉及大变形、 高应变率及 高压效应， 是一个高度非线性的液固耦合物理力学过 程 ［3 －5 ］， 理论分析和数值模拟难度极大， 建模过程需要 进行大量简化， 得到的结果与射流破碎实际过程往往 相差较大。由于混凝土不透明性， 以及实验条件和场 地受限等， 很难实现对射流冲击下混凝土内部破碎过 程及裂纹信息的捕捉， 如通过计算机断层成像技术 Computed Tomography， CT 可以直观展示射流破碎混 凝土后内部裂纹扩展和损伤演化终态， 但无法对破碎 动态过程进行检测; 光弹性法与焦散线法可以记录高 压水射流冲击混凝土破碎裂纹瞬时、 动态发展历程， 但 仅限于材料表面破坏状态。另外， 高压水射流破碎混 凝土为流体与固体非线性碰撞动力耦合问题， 射流破 碎混凝土物理力学过程复杂多变， 理论研究和数值建 模难度较大， 必须进行简化和假设， 研究结果与实际破 碎过程有一定差距。 目前， 基于人工合成透明类工程材料， 实现复杂物 理模型可视化试验的方法， 逐渐得到相关研究人员的 重视和应用， 在材料的冲击、 压缩破坏及裂纹演化等研 究中均得到成功应用 ［6 －8 ］。曹兆虎等［9 ］利用正十二 烷、 十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土， 设计了沉 桩模型试验系统， 研究了切面变形前后的变形位移场。 孙学谨等 ［10 ］基于室内土工试验， 针对常用的两种透明 土材料 熔融石英砂和烘烤石英砂 与混凝土材料之间 接触面的摩擦力学特性开展研究， 指出两种透明土材 料可以较好地模拟天然砂土 － 混凝土材料接触面特 性。李文涛 ［11 ］将透明土作为盾构壁后注浆模型试验的 模型土材料， 借助 PIV 技术用激光器照射透明土层成 像技术等， 开展了盾构隧道壁后注浆模型试验。林恒 星等 ［12 ］研制了一种各项性质与真实岩体接近的透明类 岩石材料， 详细观察研究了类岩石试件内部的裂纹起 裂扩展各阶段的形状及扩展规律。贾超等 ［13 ］提出了一 种高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定 位方法。朱珍德等 ［14 ］通过研制了透明岩石相似材料， 研究了单轴压缩下岩石内部三维裂纹的扩展贯通机 制。以上研究成果促进了透明类相似材料和模型试验 进一步发展， 同时也为高压水射流破碎、 致裂混凝土问 题的研究提供了有效途径。 鉴于此， 本文尝试配制力学性质相近于透明类混 凝土材料， 并借助高速摄像技术对高压水射流冲击混 凝土的瞬态进行全程捕捉和记录， 进而开展不同时空 下破碎混凝土发展历程， 弹、 塑性影响区分布状态， 以 及径向、 轴向裂纹萌生及扩展特征等相关研究， 以揭示 高压水射流作用下混凝土破碎区演进特征及裂纹时空 演化规律。研究结果对提升高压水射流破除混凝土的 精确破碎和可控致裂能力， 提高其在混凝土结构修复 和事故应急破拆中的应用水平， 具有重要的理论意义 和工程应用价值。 1试验方法 1． 1透明类混凝土材料制备 透明类混凝土材料首先应满足混凝土力学性质的 相似性及足够的透明性， 同时为了试验可操作性， 所选 材料还需兼备良好的稳定性和易制取性等。环氧树脂 与固化剂反应生成三维交联网络结构， 透明度高、 固化 后韧性小、 耐冲击性较差， 裂纹扩展属于典型的脆性扩 展， 与混凝土、 岩石等脆性材料十分相似。因此， 基于 以上材料选取原则， 采用环氧树脂作为主剂， 并配合固 化剂 主要成分包苯甲醇、 聚醚胺、 助剂 ， 作为制备透 明类混凝土材料的基础成分。混凝土中骨料的存在使 材料均匀性下降， 力学性质变得不稳定， 破碎过程随机 性增强， 在水力冲击下难以形成规律性的破碎区演进 及裂纹扩展特征， 因此本文在透明类混凝土材料制备 过程中未考虑骨料， 只模拟砂浆基体以反映混凝土的 基本力学性能。考虑到冲击过程拍摄便利性及清晰 度， 试件尺寸定为 50 mm 50 mm 30 mm 长 L 宽 W 高 H 。通过多轮次配比及养护试验， 最终 确定环氧树脂与固化剂的体积配比为 V环氧树脂∶ V固化剂 0．64 ∶ 0．36， 其中固化剂各主成分体积配比为 V苯甲醇∶ V聚醚胺∶ V助剂 0． 09 ∶ 0． 24 ∶ 0． 03， 试件的养护周期为 48 h。 1． 2试验设备 高压水射流冲击透明类混凝土裂纹扩展捕捉试验 系统的主要设备包括， 高压水射流设备、 高速摄像机、 补光灯、 抽水泵。高压水射流设备为上海金箭水射流 设备制造公司生产的 JJ- I42* 1313 型悬臂式切割机， 如 图 1 a 所示， 该设备采用 PC 控制器/交流伺服系统， 线性直线导轨保证切割精度， 具体技术参数见表 1。试 验所用高压水压力 320 MPa、 冲击时间 15． 0 s、 靶距 10． 0 mm、 砂管直径 0． 76 mm、 宝石喷嘴直径 0． 26 mm。 高速摄像机选用千眼狼 5F04 高速摄像机， 如图 1 b 所示， 其全画幅拍摄速度为 500 帧/s， 小画幅高达 52 000 帧/s， 并可以实现精确到 1/100 μs 的采集时间 控制， 最高分辨率 2 320 1 720， 像元尺寸 7 μm 7 μm， 动态范围 60 dB 或 90 dB 高动态模式 。同时， 231振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 表 1高压水力设备技术参数 Tab． 1The technical parameters of the high pressure hydraulic equipment 项目工艺参数 切割尺寸 X Y /mm1 300 1 300 Z 轴最大移动距离/mm150 切割精度/mm 0． 10 重复定位精度/mm0． 05 最大压强/MPa 420 主电机功率/kW37 最大水流量/ Lmin －1 3． 6 进水压力/MPa ≥0． 2 电源电压380 V/50 Hz 为保障高速摄像所需要的拍摄亮度和光线的一致性， 通过 Godox SL- 200W LED 补光灯实现试验所需光照环 境， 如图 1 c 所示， 主要参数如下 100 光照 LUX 12 000 1 m ， 100 光通量 LM 20 000， 显色指数 90 ～92， R9 70 以上， 调光范围 10 ～100。 图 1主要试验设备 Fig． 1The main equipments 1． 3试验方案 首先， 将墨汁与纯水混合配制足量的染色剂 墨汁 遇水完全溶解， 且无杂质不会堵塞高压设备 ， 并放入 蓄水容器中， 作为高压水射流设备的进口水源。为达 到高压水射流设备进水口所需工作压力， 通过扬程大 于 20 m 的抽水泵进行加压后再与高压水射流设备进 水口连接。在射流冲击透明类混凝土材料试验中， 染色水在高压驱动下会沿着裂纹扩展之处流动， 完 成对裂缝的着色渲染， 可方便高速摄像机对破碎区 扩展过程的拍摄记录， 以及后期通过图像处理技术 识别、 提取裂纹， 为研究分析高压水射流冲击混凝土 裂纹动态演化真实过程提供试验基础影像、 数据及 信息， 如图 2 所示。 图 2高压水射流冲击透明类混凝土试验系统示意图 Fig． 2The system diagram of the high pressure water jet impacting the transparent similar- concrete concrete test 2破碎区演进特征 2． 1水锤压缩区扩展 图 3 是高速摄像机捕捉的高压水射流冲击透明类 混凝土材料典型时刻的图像。图3 a 为射流与透明混 凝土未接触时， 透明混凝土材料内部状态， 可以看到除 存在局部缺陷 如气孔等 外， 整体上具有较好的均匀 性， 可作为后续时刻射流冲击下透明类混凝土材料发 生动态剧变的参考对比图。从图 3 b 可以看出， 透明 类混凝土材料内部出现到明显的压缩区 Se， 该区域以 液固冲击中心 O 为原点， 呈近似标准的半球形态 径 向扩展距离 μ 略大于轴向扩展距离 δ 。在射流中 心下方， 距离试件表面 λ 的范围内出现明显染色区 域， 即高速射流接触静止固体表面瞬间， 已有高压水 进入试件内部， 表明已在液固接触核心区形成破 碎态。 透明类混凝土材料的初始破碎是由高速流体水流 状态 流速 突然变化会产生的瞬时压力， 即水锤压力 导致的， 根据惠更斯原理得到冲击包络线形状， 射流中 心轴上的水锤压力由式 1 给出 Pwh νρwcwρscs ρwcw ρ scs 1 式中Pwh为水锤压力;ν 为射流的冲击速度;ρw， cw 分 别为水的密度与冲击波在水介质中的传播速度;ρs， cs 分别为混凝土的密度与冲击波在混凝土中的传播 速度 ［15 ］。 根据 Obara 等的研究， 水锤压力 Pwh可视为瞬时冲 击波， 会导致接触面出现受压密集压缩固体区域， 而后 以应力波的形式在固体内部传播， 如图 4 所示。与燃 爆致裂岩石初期过程极为相似。因此， 本文借鉴文献 ［ 16］ 分析混凝土在高速射流作用下破碎区和初始裂隙 区的形成机理， 将其看成平面应变问题， 混凝土中任一 点的应力强度为 331第 24 期刘佳亮等高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究 ChaoXing 图 3 水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展 第Ⅰ阶段 Fig． 3 Evolution of the broken hole and crack propagation in water the hammer compression zone stage Ⅰ σi 1 槡 2 ［ σr－ σθ 2 σθ－ σz 2 σz－ σr 2］ 1 2 2 σr p r r b －α 3 σθ － bσr 4 σz μ d σ r σ θ 5 式中σr ， σ θ分别为径向应力和周向应力;p 为初始水 锤压力;r 为计算点到冲蚀孔洞的距离;rb为冲蚀孔洞 半径;α 为载荷衰减指数， α 2 μd 1 － μd， 正、 负分别表 示为水锤作用区域和应力波作用区域， 其中 μd为混凝 土的动态泊松比， 取 μd0． 8μ，μ 为静态泊松比;b 为 侧向应力系数， b μd 1 － μd。 图 4水锤压力致裂机理示意图 Fig． 4Schematic diagram of the water hammer pressure fracture mechanism 当 σi≥σcd ，σ cd为混凝土的动态抗压强度， 表明水 锤压力作用下混凝土形成了初始冲蚀破裂区， 当 σi≥ σtd ，σ td为混凝土的动态抗拉强度， 表明水锤压力激发 的应力波效应在混凝土内部形成了初始裂隙。式 4 即为水锤压力作用下混凝土裂纹启裂的临界判据。 如图 3 c 和图 3 d 所示， 在射流对材料持续冲蚀 作用下， 可以看到冲蚀孔洞维度呈现全方位增加， 并呈 近似 “花瓣” 状形态向自由面扩展， 同时在冲蚀孔洞阵 前面出现了显著的致密条带区 Sp。根据准静态压痕断 裂力学， 高速液滴接触材料时， 会在表面/亚表面形成 塑性压痕， 形成压痕近域的塑性屈服区［17 ］。在射流持 续撞击的交变载荷作用下， 塑性屈服区会不断扩展， 当 塑性区拉应力超过材料的抗拉强度， 便在应力集中部 位， 即在 “花瓣” 间的联结处 见图 3 d 首先产生形成 径向裂纹。水流在动压力作用下浸入裂纹， 对裂纹空 间产生张拉作用， 形成宏观径向拉伸裂纹。 从图 5 a 和图 5 b 随着射流冲击载荷进一步作 用， 在塑性屈服区 Sp近域形成了典型的径向裂纹① ～ ④， 且径向裂纹随时间不断拓宽、 延伸。同时， 由于水 力冲击是一个高频动态过程， 混凝土受到的压应力存 在急剧的加、 卸载， 混凝土的卸载恢复会在压应力作用 区形成强大的环向拉伸应力， 在塑性屈服区 Sp近域产 生了近似与材料表面平行的环向裂纹。由于材料局部 缺陷以及内部结构松散度、 屈服强度的非均匀性， 在塑 性边界区域的环向裂纹呈随机分布， 如图 5 c 所示。 径向、 环向裂纹的相互交织、 贯连， 在塑性屈服区邻近 范围内形成网状裂纹区 Sc。由于射流冲击载荷方向 性， 冲蚀孔洞的轴向扩展速率明显大于径向扩展， 冲蚀 孔洞逐渐演化为“V” 型形状， 如图 5 d 。试件在射流 冲击作用下的去除过程是塑性流动、 破坏， 以及脆性破 碎协调作用结果 ［18 ］。 除外， 从图 5 d 中还可以看到一个明显的特征， 即裂纹仅在压缩区 Se内衍生传播， 并在压缩区 Se边界 处终止， 说明在射流初始水锤效应形成的压缩区 Se内， 材料屈服强度、 韧性出现大幅下降， 导致裂纹尖端无法 发生钝化， 高度应力集中促使裂纹快速扩展， 因此水锤 压缩区对裂纹极为敏感， 最终在该区域形成纵横交织 的网状裂纹区。并且， 由于在压缩区 Se存在明显的材 料塑性流动或切削去除， 冲蚀孔洞近域存在渐变过渡 区， 冲蚀区边界线极为不规则。 在此阶段， 水锤效应首先在透明类混凝土材料内 部产生明显的半球形压缩区， 然后在应力波效应以及 431振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 水楔作用协同作用下， 产生了宏观的径向、 环向裂纹， 并相互交织、 贯连形成网状裂纹区。冲蚀孔洞的轴向 扩展速率明显大于径向扩展， 冲蚀孔洞逐渐演化为 “V” 型形状。 图 5水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展 第Ⅱ阶段 Fig． 5Evolution of the broken hole and crack propagation in the water hammer compression zone stage Ⅱ 2． 2非压缩区扩展 从图 6 a 中可以看到在射流后续撞击作用下， 冲 蚀孔洞沿轴向不断演进， 最终突破压缩区 Se边界， 向试 件纵深处继续拓展。通过与图 5 对比可以发现， 冲蚀 孔洞在压缩区 Se外扩展时， 孔洞近域 Sh已不存在明显 的塑性屈服区以及其周围衍生的裂纹网， 可以判断在 非压缩区材料去除已演变为完全脆性破碎模式。 同时， 从图 6 a 可以看到， 在压缩区 Se内冲蚀孔 洞直径 d 呈现逐步减小变化趋势 d1＞ d2＞ d3 ， 但变化 幅度较小， 而从压缩区进入到非压缩区后， 冲蚀孔洞出 现明显 “颈缩” 现象 d1≈7． 5d4 ， 主要是由于射流作用 初期， 能量密度较高， 应力波效应明显， 在压缩区 Se内 部产生大量微损伤、 微裂纹， 使材料的切削去除较为容 易， 材料的去除量较大; 而随着轴向距离增加， 射流所 受的壁面摩擦及沿程损耗会急剧增加， 射流能量密度 会逐渐降低， 射流破除区域仅限于液固接触及邻近范 围内， 高压水射流的材料去除效率大幅降低， 因此在非 压缩区冲蚀孔洞径向维度会明显减小。 从图 6 b 可以看出， 在试件周围出现了黑色团状 水雾， 可以推断此时在高压水射流冲击下透明类混凝 土出现了贯通至材料表面的宏观裂纹， 造成高压水的 沿缝泄漏与迸射， 形成雾气漂浮状态， 且在主冲蚀孔洞 左侧和右侧均出现了新的冲蚀路径， 而主冲蚀孔洞深 度在一定时间内未有显著增加。随着冲蚀深度增加， 孔洞壁面不均匀性和复杂性更加明显， 高压水射流在 孔洞内高速流动时， 会寻找存在缺陷或相对软弱的孔 洞壁面释放能量， 另辟新的材料去除路径， 形成侧向传 播裂纹， 同时， 该过程也会使高压水射流在冲蚀孔洞底 部的能量密度进一步降低， 造成主要冲蚀孔洞的轴向 演进速度出现阶段性的停滞。 在此阶段， 冲蚀孔洞从压缩区扩展到非压缩区， 高 压水射流的材料去除效率大幅降低， 非压缩区冲蚀孔 洞径向维度明显减小; 在高压水射流持续冲击下透明 类混凝土出现了贯通至试件表面的宏观裂纹; 随着冲 蚀深度增加， 冲蚀孔洞另辟出侧向传播路径。 图6 d 是CD- 200BX 工业 CT 机扫描下得到的射流 冲击岩石冲蚀孔洞的铅垂面图 ［ 19 ］， 通过对比可以发现真 实射流冲蚀孔洞形态， 如孔周轮廓及孔底结构等与以上 冲击试验得到的破碎孔洞扩展形态较为接近， 在一定程 度上对本文的相似材料和模型试验进行了验证。 图 6非压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展 Fig． 6Evolution of the broken hole and crack propagation in non compression zone 531第 24 期刘佳亮等高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究 ChaoXing 2． 3侵彻贯通后扩展 从图 7 可以看到两冲蚀孔洞融合后， 形成一条大 孔径的主冲蚀孔洞， 在高压水射流持续冲击下， 该孔洞 直径将继续增大， 且在其孔壁近域出现不连续、 半球状 微裂纹区域。最后， 当扩展至初始贯通孔径 2 倍左右 时， 主冲蚀孔洞将趋于稳定。 在此阶段， 主、 副冲蚀孔洞融合后， 射流持续冲击 使孔洞直径不断扩大， 而冲蚀孔洞已经贯通， 孔深将不 再发生变化。 为了对上述射流冲击混凝土破碎区及裂纹扩展一 般性规律进行验证， 在相同工况参数， 即高压水压力 320 MPa、 冲击时间 15． 0 s、 靶距 10． 0 mm、 砂管直径 0． 76 mm、 宝石喷嘴直径 0． 26 mm 条件下进行了重复 试验， 结果如图 8 a 和图 8 c 所示。可以看到混凝土 在射流冲击作用下， 同样首先形成了类似的球形压缩 区 Se; 在后续射流持续冲击下， 压缩区 S e内也出现了 相似的径向、 环向裂纹相互交织、 贯连的网状裂纹区 Sc， 冲蚀孔洞沿轴向在不断演进， 最终突破压缩区 Se边 界， 向非压缩区继续拓展， 冲蚀孔洞从压缩区过渡到非 压缩区的演化与上次试验基本一致; 在高压水射流持 续冲击下， 冲蚀孔洞在非压缩区不断拓深， 直至射流贯 通试件， 同时在其孔壁近域也出现了类似的不连续微 裂纹区域。虽然两次试验现象中压缩区大小、 裂纹形 态、 裂纹分布、 冲蚀孔洞形状等均存在一定的差异， 但 混凝土在射流冲击下破碎区及裂纹扩展的阶段性过程 和一般性的演化规律， 基本保持一致。 图 7侵彻贯通后破碎区拓展 Fig． 7Development of the broken hole after perforation 图 8水射流冲击混凝土过程 Fig． 8The process of the water jet impacting concret 3孔深孔径分析 通过以上分析可知， 在射流冲击下混凝土破碎区 演进过程分为三个典型阶段 水锤压缩区扩展、 非压缩 区扩展及侵彻贯通后扩展， 不同阶段的孔深、 孔径扩展 速率相差较大， 对孔深孔径进行全阶段量化统计， 如图 9 所示。 第Ⅰ阶段 为孔深的快速增长期， 水锤瞬时冲击作 用在表面产生裂纹簇， 水流进入破碎区域， 并在水楔作 用下产生的张拉应力加速裂纹扩展， 促使冲蚀孔深快 速增长至 1． 5 cm。第Ⅱ阶段 首先为孔深缓慢发展期， 孔深由水锤压缩区过渡至非压缩区， 射流去除模式的 改变， 以及射流能量密度降低， 使冲蚀孔深经历一段约 2 s 的缓速增长期， 而后为加速破坏融合阶段， 当孔深 缓慢发展至 1． 8 cm 时， 由于孔洞壁面缺陷或相对软弱 面的存在等原因， 冲蚀孔洞出现了分岔现象， 主孔深快 速扩展至 3． 5 cm 后出现停滞， 副孔深以较慢速率线性 增加至同样纵深时， 能量再次积聚， 主、 副孔洞融合在 一起， 射流强烈的压剪作用会快速破坏冲蚀面下部基 体， 瞬间贯通试件， 孔深骤升至最大值。第Ⅲ阶段 射 流贯通试件底部后， 冲蚀孔深不再变化。 由于回溯射流与后续射流会在孔洞内形成强烈剪 切与扰动作用， 以及水力冲击诱发的应力波在混凝土 内传播， 经过边界反射后可形成 PP、 PS、 SP、 SS 叠加波， 使混凝土内部应力状态十分复杂， 伴随着能量的不断 积累和释放， 除了在压缩区进入到非压缩区时， 出现明 显 “颈缩” 现象， 冲蚀孔径出现了明显降低， 其总体上呈 现出典型的振荡性扩展特征。 图 9冲蚀孔深与孔径变化图 Fig． 9Relation between the depth，the diameter of the broken hole and the time 4结论 1高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进过程， 主 要包括水锤压缩区扩展、 非压缩区扩展及侵彻贯通后 扩展三个典型阶段。 2在水锤压缩区冲蚀孔洞以近似“花瓣” 状形态 631振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 向自由面扩展， 且在冲蚀孔洞近域出现塑性屈服条形 带， 孔洞周围衍生出径向裂纹、 环向裂纹相互交织、 贯 连的网状裂纹区。 3非压缩区材料去除演变为完全脆性破碎模 式， 冲蚀孔洞近域已不存在明显的塑性屈服区及裂纹 网， 轴向演进速度出现阶段性的停滞; 4侵彻贯通后冲蚀孔洞直径在一定时间范围内 会持续扩展， 孔壁近域出现不连续、 半球状微裂纹区 域， 当扩展至初始贯通孔径 2 倍左右时， 主冲蚀孔洞趋 于稳定。 本文主要研究混凝土在水射流冲击下破碎区演化 及裂纹扩展的一般性、 阶段性规律， 所得结论具有一定 的局限性。在后续研究中将继续探讨射流参数及试件 尺寸等对破碎区及裂纹扩展的影响规律。 参 考 文 献 ［1］ MOMBER A W，KOVACEVIC R．Principles of abrasive water jet machining［ M］ ． LondonSpringer， 1998． ［2］ LIU S，JI H，HAN D，et al． Experimental investigation and application on the cutting perance of cutting head for rock cutting assisted with multi- water jets ［J］ ．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017 8 1 －14． ［3］ WANG F，WANG R，ZHOU W，et al． Numerical simulation and experimental verification of the rock damage field under particle water jet impacting［J］ ．International Journal of Impact Engineering， 2017， 102 169 －179． ［4］ VENUGOPAL S，SATHISH S，PRAKASH V M J，et al． Computational fluid dynamic simulation of flow in abrasive water jet machining［J］ ． IOP Conference SeriesMaterials Science and Engineering， 2017， 183 1 12 －18． ［5］ 林晓东， 卢义玉， 汤积仁， 等． 基于 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