高壓水射流沖蝕混凝土破碎區(qū)演進(jìn)特征及裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

劉佳亮， 李坤元， 張 娣

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 3. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074)

高壓水射流破碎混凝土技術(shù)突破傳統(tǒng)機(jī)械方式，利用高壓水束沖擊作用使已損壞或性能較差的混凝土界面崩裂、剝離及沖運(yùn)，具有高效率、無污染、無磨損及選擇性破除等眾多優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木、建筑、礦業(yè)、交通及國防軍工等眾多領(lǐng)域[1-2]。近年來，隨著工程建設(shè)要求日益提高，對射流破碎安全、質(zhì)量提出了更高要求，尤其是針對復(fù)雜受力區(qū)或敏感結(jié)構(gòu)，或在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)急破拆時(shí)，必須精確控制破碎區(qū)影響范圍，避免裂紋無序擴(kuò)展，導(dǎo)致新的安全隱患。因此，為了進(jìn)一步提高高壓水射流破碎技術(shù)應(yīng)用水平，需要對高壓水射流作用下混凝土破碎區(qū)演進(jìn)及裂紋擴(kuò)展演化特征進(jìn)行深入探究。

高壓水射流沖擊混凝土涉及大變形、高應(yīng)變率及高壓效應(yīng)，是一個(gè)高度非線性的液固耦合物理力學(xué)過程[3-5]，理論分析和數(shù)值模擬難度極大，建模過程需要進(jìn)行大量簡化，得到的結(jié)果與射流破碎實(shí)際過程往往相差較大。由于混凝土不透明性，以及實(shí)驗(yàn)條件和場地受限等，很難實(shí)現(xiàn)對射流沖擊下混凝土內(nèi)部破碎過程及裂紋信息的捕捉，如通過計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(Computed Tomography，CT)可以直觀展示射流破碎混凝土后內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和損傷演化終態(tài)，但無法對破碎動態(tài)過程進(jìn)行檢測；光彈性法與焦散線法可以記錄高壓水射流沖擊混凝土破碎裂紋瞬時(shí)、動態(tài)發(fā)展歷程，但僅限于材料表面破壞狀態(tài)。另外，高壓水射流破碎混凝土為流體與固體非線性碰撞動力耦合問題，射流破碎混凝土物理力學(xué)過程復(fù)雜多變，理論研究和數(shù)值建模難度較大，必須進(jìn)行簡化和假設(shè)，研究結(jié)果與實(shí)際破碎過程有一定差距。

目前，基于人工合成透明類工程材料，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理模型可視化試驗(yàn)的方法，逐漸得到相關(guān)研究人員的重視和應(yīng)用，在材料的沖擊、壓縮破壞及裂紋演化等研究中均得到成功應(yīng)用[6-8]。曹兆虎等[9]利用正十二烷、十五號白油混合液和玻璃砂合成透明土，設(shè)計(jì)了沉樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了切面變形前后的變形位移場。孫學(xué)謹(jǐn)?shù)萚10]基于室內(nèi)土工試驗(yàn)，針對常用的兩種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土材料之間接觸面的摩擦力學(xué)特性開展研究，指出兩種透明土材料可以較好地模擬天然砂土-混凝土材料接觸面特性。李文濤[11]將透明土作為盾構(gòu)壁后注漿模型試驗(yàn)的模型土材料，借助PIV技術(shù)用激光器照射透明土層成像技術(shù)等，開展了盾構(gòu)隧道壁后注漿模型試驗(yàn)。林恒星等[12]研制了一種各項(xiàng)性質(zhì)與真實(shí)巖體接近的透明類巖石材料，詳細(xì)觀察研究了類巖石試件內(nèi)部的裂紋起裂擴(kuò)展各階段的形狀及擴(kuò)展規(guī)律。賈超等[13]提出了一種高脆性透明類巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法。朱珍德等[14]通過研制了透明巖石相似材料，研究了單軸壓縮下巖石內(nèi)部三維裂紋的擴(kuò)展貫通機(jī)制。以上研究成果促進(jìn)了透明類相似材料和模型試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也為高壓水射流破碎、致裂混凝土問題的研究提供了有效途徑。

鑒于此，本文嘗試配制力學(xué)性質(zhì)相近于透明類混凝土材料，并借助高速攝像技術(shù)對高壓水射流沖擊混凝土的瞬態(tài)進(jìn)行全程捕捉和記錄，進(jìn)而開展不同時(shí)空下破碎混凝土發(fā)展歷程，彈、塑性影響區(qū)分布狀態(tài)，以及徑向、軸向裂紋萌生及擴(kuò)展特征等相關(guān)研究，以揭示高壓水射流作用下混凝土破碎區(qū)演進(jìn)特征及裂紋時(shí)空演化規(guī)律。研究結(jié)果對提升高壓水射流破除混凝土的精確破碎和可控致裂能力，提高其在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和事故應(yīng)急破拆中的應(yīng)用水平，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 透明類混凝土材料制備

透明類混凝土材料首先應(yīng)滿足混凝土力學(xué)性質(zhì)的相似性及足夠的透明性，同時(shí)為了試驗(yàn)可操作性，所選材料還需兼?zhèn)淞己玫姆€(wěn)定性和易制取性等。環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)生成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，透明度高、固化后韌性小、耐沖擊性較差，裂紋擴(kuò)展屬于典型的脆性擴(kuò)展，與混凝土、巖石等脆性材料十分相似。因此，基于以上材料選取原則，采用環(huán)氧樹脂作為主劑，并配合固化劑(主要成分包苯甲醇、聚醚胺、助劑)，作為制備透明類混凝土材料的基礎(chǔ)成分。混凝土中骨料的存在使材料均勻性下降，力學(xué)性質(zhì)變得不穩(wěn)定，破碎過程隨機(jī)性增強(qiáng)，在水力沖擊下難以形成規(guī)律性的破碎區(qū)演進(jìn)及裂紋擴(kuò)展特征，因此本文在透明類混凝土材料制備過程中未考慮骨料，只模擬砂漿基體以反映混凝土的基本力學(xué)性能?？紤]到?jīng)_擊過程拍攝便利性及清晰度，試件尺寸定為：50 mm×50 mm×30 mm(長(L)×寬(W)×高(H))。通過多輪次配比及養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)，最終確定環(huán)氧樹脂與固化劑的體積配比為V環(huán)氧樹脂∶V固化劑=0.64 ∶ 0.36，其中固化劑各主成分體積配比為V苯甲醇∶V聚醚胺∶V助劑=0.09 ∶ 0.24 ∶ 0.03，試件的養(yǎng)護(hù)周期為48 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高壓水射流沖擊透明類混凝土裂紋擴(kuò)展捕捉試驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括，高壓水射流設(shè)備、高速攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、抽水泵。高壓水射流設(shè)備為上海金箭水射流設(shè)備制造公司生產(chǎn)的JJ-I42*1313型懸臂式切割機(jī)，如圖1(a)所示，該設(shè)備采用PC控制器/交流伺服系統(tǒng)，線性直線導(dǎo)軌保證切割精度，具體技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用高壓水壓力320 MPa、沖擊時(shí)間15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直徑0.76 mm、寶石噴嘴直徑0.26 mm。

高速攝像機(jī)選用千眼狼5F04高速攝像機(jī)，如圖1(b)所示，其全畫幅拍攝速度為500幀/s，小畫幅高達(dá)52 000幀/s，并可以實(shí)現(xiàn)精確到1/100 μs的采集時(shí)間控制，最高分辨率：2 320×1 720，像元尺寸：7 μm×7 μm，動態(tài)范圍：60 dB或90 dB(高動態(tài)模式)。同時(shí)，為保障高速攝像所需要的拍攝亮度和光線的一致性，通過Godox SL-200W LED補(bǔ)光燈實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需光照環(huán)境，如圖1(c)所示，主要參數(shù)如下：100%光照(LUX)：12 000 (1 m)，100%光通量(LM)：20 000，顯色指數(shù)：90～92，R9：70以上，調(diào)光范圍：10%～100%。

表1 高壓水力設(shè)備技術(shù)參數(shù)

圖1 主要試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 The main equipments

1.3 試驗(yàn)方案

首先，將墨汁與純水混合配制足量的染色劑(墨汁遇水完全溶解，且無雜質(zhì)不會堵塞高壓設(shè)備)，并放入蓄水容器中，作為高壓水射流設(shè)備的進(jìn)口水源。為達(dá)到高壓水射流設(shè)備進(jìn)水口所需工作壓力，通過揚(yáng)程大于20 m的抽水泵進(jìn)行加壓后再與高壓水射流設(shè)備進(jìn)水口連接。在射流沖擊透明類混凝土材料試驗(yàn)中，染色水在高壓驅(qū)動下會沿著裂紋擴(kuò)展之處流動，完成對裂縫的著色渲染，可方便高速攝像機(jī)對破碎區(qū)擴(kuò)展過程的拍攝記錄，以及后期通過圖像處理技術(shù)識別、提取裂紋，為研究分析高壓水射流沖擊混凝土裂紋動態(tài)演化真實(shí)過程提供試驗(yàn)基礎(chǔ)影像、數(shù)據(jù)及信息，如圖2所示。

圖2 高壓水射流沖擊透明類混凝土試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The system diagram of the high pressure water jet impacting the transparent similar-concrete concrete test

2 破碎區(qū)演進(jìn)特征

2.1 水錘壓縮區(qū)擴(kuò)展

圖3是高速攝像機(jī)捕捉的高壓水射流沖擊透明類混凝土材料典型時(shí)刻的圖像。圖3(a)為射流與透明混凝土未接觸時(shí)，透明混凝土材料內(nèi)部狀態(tài)，可以看到除存在局部缺陷(如氣孔等)外，整體上具有較好的均勻性，可作為后續(xù)時(shí)刻射流沖擊下透明類混凝土材料發(fā)生動態(tài)劇變的參考對比圖。從圖3(b)可以看出，透明類混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)到明顯的壓縮區(qū)Se，該區(qū)域以液固沖擊中心O為原點(diǎn)，呈近似標(biāo)準(zhǔn)的半球形態(tài)(徑向擴(kuò)展距離μ略大于軸向擴(kuò)展距離δ)。在射流中心下方，距離試件表面λ的范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯染色區(qū)域，即高速射流接觸靜止固體表面瞬間，已有高壓水進(jìn)入試件內(nèi)部，表明已在液固接觸核心區(qū)形成破碎態(tài)。

透明類混凝土材料的初始破碎是由高速流體水流狀態(tài)(流速)突然變化會產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力，即水錘壓力導(dǎo)致的，根據(jù)惠更斯原理得到?jīng)_擊包絡(luò)線形狀，射流中心軸上的水錘壓力由式(1)給出

(1)

式中：Pwh為水錘壓力；ν為射流的沖擊速度；ρw，cw分別為水的密度與沖擊波在水介質(zhì)中的傳播速度；ρs，cs分別為混凝土的密度與沖擊波在混凝土中的傳播速度[15]。

根據(jù)Obara等的研究，水錘壓力Pwh可視為瞬時(shí)沖擊波，會導(dǎo)致接觸面出現(xiàn)受壓密集壓縮固體區(qū)域，而后以應(yīng)力波的形式在固體內(nèi)部傳播，如圖4所示。與燃爆致裂巖石初期過程極為相似。因此，本文借鑒文獻(xiàn)[16]分析混凝土在高速射流作用下破碎區(qū)和初始裂隙區(qū)的形成機(jī)理，將其看成平面應(yīng)變問題，混凝土中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度為

圖3 水錘壓縮區(qū)破碎孔洞演進(jìn)及裂紋擴(kuò)展(第Ⅰ階段)Fig.3 Evolution of the broken hole and crack propagation in water the hammer compression zone (stage Ⅰ)

(2)

(3)

σθ=-bσr

(4)

σz=μd(σr+σθ)

(5)

圖4 水錘壓力致裂機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the water hammer pressure fracture mechanism

當(dāng)σi≥σcd，σcd為混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，表明水錘壓力作用下混凝土形成了初始沖蝕破裂區(qū)，當(dāng)σi≥σtd，σtd為混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，表明水錘壓力激發(fā)的應(yīng)力波效應(yīng)在混凝土內(nèi)部形成了初始裂隙。式(4)即為水錘壓力作用下混凝土裂紋啟裂的臨界判據(jù)。

如圖3(c)和圖3(d)所示，在射流對材料持續(xù)沖蝕作用下，可以看到?jīng)_蝕孔洞維度呈現(xiàn)全方位增加，并呈近似“花瓣”狀形態(tài)向自由面擴(kuò)展，同時(shí)在沖蝕孔洞陣前面出現(xiàn)了顯著的致密條帶區(qū)Sp。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕斷裂力學(xué)，高速液滴接觸材料時(shí)，會在表面/亞表面形成塑性壓痕，形成壓痕近域的塑性屈服區(qū)[17]。在射流持續(xù)撞擊的交變載荷作用下，塑性屈服區(qū)會不斷擴(kuò)展，當(dāng)塑性區(qū)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，便在應(yīng)力集中部位，即在“花瓣”間的聯(lián)結(jié)處(見圖3(d))首先產(chǎn)生形成徑向裂紋。水流在動壓力作用下浸入裂紋，對裂紋空間產(chǎn)生張拉作用，形成宏觀徑向拉伸裂紋。

從圖5(a)和圖5(b)隨著射流沖擊載荷進(jìn)一步作用，在塑性屈服區(qū)Sp近域形成了典型的徑向裂紋①～④，且徑向裂紋隨時(shí)間不斷拓寬、延伸。同時(shí)，由于水力沖擊是一個(gè)高頻動態(tài)過程，混凝土受到的壓應(yīng)力存在急劇的加、卸載，混凝土的卸載恢復(fù)會在壓應(yīng)力作用區(qū)形成強(qiáng)大的環(huán)向拉伸應(yīng)力，在塑性屈服區(qū)Sp近域產(chǎn)生了近似與材料表面平行的環(huán)向裂紋。由于材料局部缺陷以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散度、屈服強(qiáng)度的非均勻性，在塑性邊界區(qū)域的環(huán)向裂紋呈隨機(jī)分布，如圖5(c)所示。徑向、環(huán)向裂紋的相互交織、貫連，在塑性屈服區(qū)鄰近范圍內(nèi)形成網(wǎng)狀裂紋區(qū)Sc。由于射流沖擊載荷方向性，沖蝕孔洞的軸向擴(kuò)展速率明顯大于徑向擴(kuò)展，沖蝕孔洞逐漸演化為 “V”型形狀，如圖5(d)。試件在射流沖擊作用下的去除過程是塑性流動、破壞，以及脆性破碎協(xié)調(diào)作用結(jié)果[18]。

除外，從圖5(d)中還可以看到一個(gè)明顯的特征，即裂紋僅在壓縮區(qū)Se內(nèi)衍生傳播，并在壓縮區(qū)Se邊界處終止，說明在射流初始水錘效應(yīng)形成的壓縮區(qū)Se內(nèi)，材料屈服強(qiáng)度、韌性出現(xiàn)大幅下降，導(dǎo)致裂紋尖端無法發(fā)生鈍化，高度應(yīng)力集中促使裂紋快速擴(kuò)展，因此水錘壓縮區(qū)對裂紋極為敏感，最終在該區(qū)域形成縱橫交織的網(wǎng)狀裂紋區(qū)。并且，由于在壓縮區(qū)Se存在明顯的材料塑性流動或切削去除，沖蝕孔洞近域存在漸變過渡區(qū)，沖蝕區(qū)邊界線極為不規(guī)則。

在此階段，水錘效應(yīng)首先在透明類混凝土材料內(nèi)部產(chǎn)生明顯的半球形壓縮區(qū)，然后在應(yīng)力波效應(yīng)以及水楔作用協(xié)同作用下，產(chǎn)生了宏觀的徑向、環(huán)向裂紋，并相互交織、貫連形成網(wǎng)狀裂紋區(qū)。沖蝕孔洞的軸向擴(kuò)展速率明顯大于徑向擴(kuò)展，沖蝕孔洞逐漸演化為 “V”型形狀。

圖5 水錘壓縮區(qū)破碎孔洞演進(jìn)及裂紋擴(kuò)展(第Ⅱ階段)Fig.5 Evolution of the broken hole and crack propagation in the water hammer compression zone (stage Ⅱ)

2.2 非壓縮區(qū)擴(kuò)展

從圖6(a)中可以看到在射流后續(xù)撞擊作用下，沖蝕孔洞沿軸向不斷演進(jìn)，最終突破壓縮區(qū)Se邊界，向試件縱深處繼續(xù)拓展。通過與圖5對比可以發(fā)現(xiàn)，沖蝕孔洞在壓縮區(qū)Se外擴(kuò)展時(shí)，孔洞近域Sh已不存在明顯的塑性屈服區(qū)以及其周圍衍生的裂紋網(wǎng)，可以判斷在非壓縮區(qū)材料去除已演變?yōu)橥耆嘈云扑槟Ｊ健?/p>

同時(shí)，從圖6(a)可以看到，在壓縮區(qū)Se內(nèi)沖蝕孔洞直徑d呈現(xiàn)逐步減小變化趨勢(d1>d2>d3)，但變化幅度較小，而從壓縮區(qū)進(jìn)入到非壓縮區(qū)后，沖蝕孔洞出現(xiàn)明顯“頸縮”現(xiàn)象(d1≈7.5d4)，主要是由于射流作用初期，能量密度較高，應(yīng)力波效應(yīng)明顯，在壓縮區(qū)Se內(nèi)部產(chǎn)生大量微損傷、微裂紋，使材料的切削去除較為容易，材料的去除量較大；而隨著軸向距離增加，射流所受的壁面摩擦及沿程損耗會急劇增加，射流能量密度會逐漸降低，射流破除區(qū)域僅限于液固接觸及鄰近范圍內(nèi)，高壓水射流的材料去除效率大幅降低，因此在非壓縮區(qū)沖蝕孔洞徑向維度會明顯減小。

從圖6(b)可以看出，在試件周圍出現(xiàn)了黑色團(tuán)狀水霧，可以推斷此時(shí)在高壓水射流沖擊下透明類混凝土出現(xiàn)了貫通至材料表面的宏觀裂紋，造成高壓水的沿縫泄漏與迸射，形成霧氣漂浮狀態(tài)，且在主沖蝕孔洞左側(cè)和右側(cè)均出現(xiàn)了新的沖蝕路徑，而主沖蝕孔洞深度在一定時(shí)間內(nèi)未有顯著增加。隨著沖蝕深度增加，孔洞壁面不均勻性和復(fù)雜性更加明顯，高壓水射流在孔洞內(nèi)高速流動時(shí)，會尋找存在缺陷或相對軟弱的孔洞壁面釋放能量，另辟新的材料去除路徑，形成側(cè)向傳播裂紋，同時(shí)，該過程也會使高壓水射流在沖蝕孔洞底部的能量密度進(jìn)一步降低，造成主要沖蝕孔洞的軸向演進(jìn)速度出現(xiàn)階段性的停滯。

在此階段，沖蝕孔洞從壓縮區(qū)擴(kuò)展到非壓縮區(qū)，高壓水射流的材料去除效率大幅降低，非壓縮區(qū)沖蝕孔洞徑向維度明顯減??；在高壓水射流持續(xù)沖擊下透明類混凝土出現(xiàn)了貫通至試件表面的宏觀裂紋；隨著沖蝕深度增加，沖蝕孔洞另辟出側(cè)向傳播路徑。

圖6(d)是CD-200BX 工業(yè) CT 機(jī)掃描下得到的射流沖擊巖石沖蝕孔洞的鉛垂面圖[19]，通過對比可以發(fā)現(xiàn)真實(shí)射流沖蝕孔洞形態(tài)，如孔周輪廓及孔底結(jié)構(gòu)等與以上沖擊試驗(yàn)得到的破碎孔洞擴(kuò)展形態(tài)較為接近，在一定程度上對本文的相似材料和模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖6 非壓縮區(qū)破碎孔洞演進(jìn)及裂紋擴(kuò)展Fig.6 Evolution of the broken hole and crack propagation in non compression zone

2.3 侵徹貫通后擴(kuò)展

從圖7可以看到兩沖蝕孔洞融合后，形成一條大孔徑的主沖蝕孔洞，在高壓水射流持續(xù)沖擊下，該孔洞直徑將繼續(xù)增大，且在其孔壁近域出現(xiàn)不連續(xù)、半球狀微裂紋區(qū)域。最后，當(dāng)擴(kuò)展至初始貫通孔徑2倍左右時(shí)，主沖蝕孔洞將趨于穩(wěn)定。

在此階段，主、副沖蝕孔洞融合后，射流持續(xù)沖擊使孔洞直徑不斷擴(kuò)大，而沖蝕孔洞已經(jīng)貫通，孔深將不再發(fā)生變化。

為了對上述射流沖擊混凝土破碎區(qū)及裂紋擴(kuò)展一般性規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，在相同工況參數(shù)，即高壓水壓力320 MPa、沖擊時(shí)間15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直徑0.76 mm、寶石噴嘴直徑0.26 mm條件下進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8(a)和圖8(c)所示?？梢钥吹交炷猎谏淞鳑_擊作用下，同樣首先形成了類似的球形壓縮區(qū)Se；在后續(xù)射流持續(xù)沖擊下，壓縮區(qū)Se內(nèi)也出現(xiàn)了相似的徑向、環(huán)向裂紋相互交織、貫連的網(wǎng)狀裂紋區(qū)Sc，沖蝕孔洞沿軸向在不斷演進(jìn)，最終突破壓縮區(qū)Se邊界，向非壓縮區(qū)繼續(xù)拓展，沖蝕孔洞從壓縮區(qū)過渡到非壓縮區(qū)的演化與上次試驗(yàn)基本一致；在高壓水射流持續(xù)沖擊下，沖蝕孔洞在非壓縮區(qū)不斷拓深，直至射流貫通試件，同時(shí)在其孔壁近域也出現(xiàn)了類似的不連續(xù)微裂紋區(qū)域。雖然兩次試驗(yàn)現(xiàn)象中壓縮區(qū)大小、裂紋形態(tài)、裂紋分布、沖蝕孔洞形狀等均存在一定的差異，但混凝土在射流沖擊下破碎區(qū)及裂紋擴(kuò)展的階段性過程和一般性的演化規(guī)律，基本保持一致。

圖7 侵徹貫通后破碎區(qū)拓展Fig.7 Development of the broken hole after perforation

圖8 水射流沖擊混凝土過程Fig.8 The process of the water jet impacting concret

3 孔深孔徑分析

通過以上分析可知，在射流沖擊下混凝土破碎區(qū)演進(jìn)過程分為三個(gè)典型階段：水錘壓縮區(qū)擴(kuò)展、非壓縮區(qū)擴(kuò)展及侵徹貫通后擴(kuò)展，不同階段的孔深、孔徑擴(kuò)展速率相差較大，對孔深孔徑進(jìn)行全階段量化統(tǒng)計(jì)，如圖9所示。

第Ⅰ階段：為孔深的快速增長期，水錘瞬時(shí)沖擊作用在表面產(chǎn)生裂紋簇，水流進(jìn)入破碎區(qū)域，并在水楔作用下產(chǎn)生的張拉應(yīng)力加速裂紋擴(kuò)展，促使沖蝕孔深快速增長至1.5 cm。第Ⅱ階段：首先為孔深緩慢發(fā)展期，孔深由水錘壓縮區(qū)過渡至非壓縮區(qū)，射流去除模式的改變，以及射流能量密度降低，使沖蝕孔深經(jīng)歷一段約2 s的緩速增長期，而后為加速破壞融合階段，當(dāng)孔深緩慢發(fā)展至1.8 cm時(shí)，由于孔洞壁面缺陷或相對軟弱面的存在等原因，沖蝕孔洞出現(xiàn)了分岔現(xiàn)象，主孔深快速擴(kuò)展至3.5 cm后出現(xiàn)停滯，副孔深以較慢速率線性增加至同樣縱深時(shí)，能量再次積聚，主、副孔洞融合在一起，射流強(qiáng)烈的壓剪作用會快速破壞沖蝕面下部基體，瞬間貫通試件，孔深驟升至最大值。第Ⅲ階段：射流貫通試件底部后，沖蝕孔深不再變化。

由于回溯射流與后續(xù)射流會在孔洞內(nèi)形成強(qiáng)烈剪切與擾動作用，以及水力沖擊誘發(fā)的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)傳播，經(jīng)過邊界反射后可形成PP、PS、SP、SS疊加波，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，伴隨著能量的不斷積累和釋放，除了在壓縮區(qū)進(jìn)入到非壓縮區(qū)時(shí)，出現(xiàn)明顯“頸縮”現(xiàn)象，沖蝕孔徑出現(xiàn)了明顯降低，其總體上呈現(xiàn)出典型的振蕩性擴(kuò)展特征。

圖9 沖蝕孔深與孔徑變化圖Fig.9 Relation between the depth, the diameter of the broken hole and the time

4 結(jié) 論

(1) 高壓水射流沖蝕混凝土破碎區(qū)演進(jìn)過程，主要包括水錘壓縮區(qū)擴(kuò)展、非壓縮區(qū)擴(kuò)展及侵徹貫通后擴(kuò)展三個(gè)典型階段。

(2) 在水錘壓縮區(qū)沖蝕孔洞以近似“花瓣”狀形態(tài)向自由面擴(kuò)展，且在沖蝕孔洞近域出現(xiàn)塑性屈服條形帶，孔洞周圍衍生出徑向裂紋、環(huán)向裂紋相互交織、貫連的網(wǎng)狀裂紋區(qū)。

(3) 非壓縮區(qū)材料去除演變?yōu)橥耆嘈云扑槟Ｊ?，沖蝕孔洞近域已不存在明顯的塑性屈服區(qū)及裂紋網(wǎng)，軸向演進(jìn)速度出現(xiàn)階段性的停滯；

(4) 侵徹貫通后沖蝕孔洞直徑在一定時(shí)間范圍內(nèi)會持續(xù)擴(kuò)展，孔壁近域出現(xiàn)不連續(xù)、半球狀微裂紋區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)展至初始貫通孔徑2倍左右時(shí)，主沖蝕孔洞趨于穩(wěn)定。

本文主要研究混凝土在水射流沖擊下破碎區(qū)演化及裂紋擴(kuò)展的一般性、階段性規(guī)律，所得結(jié)論具有一定的局限性。在后續(xù)研究中將繼續(xù)探討射流參數(shù)及試件尺寸等對破碎區(qū)及裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。