水力致裂不同強(qiáng)度混凝土影響分析

孫灝

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 概述

高壓水射流是在國(guó)際上新興起的一門高科技清洗技術(shù)。近幾年在工程上高壓水射流技術(shù)也有著廣泛的應(yīng)用，比如礦山開挖、石油鉆探、瓦斯抽放等領(lǐng)域[1-3]，對(duì)水射流技術(shù)的研究提供了重要依據(jù)。隨著對(duì)水射流技術(shù)的探究，已有研究者將此技術(shù)應(yīng)用到巖石切割、破拆混凝土領(lǐng)域，但由于巖石的破壞機(jī)制以及混凝土的不透明性和破壞即時(shí)性，導(dǎo)致水射流技術(shù)對(duì)其破碎機(jī)理尚不明確。為增強(qiáng)高壓水射流在沖擊破碎混凝土及巖石等領(lǐng)域，各國(guó)研究人員進(jìn)行了大量研究及分析以探究混凝土及巖石受水射流沖擊的力學(xué)機(jī)制。如Momber 等[4]對(duì)水射流沖蝕混凝土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)必須達(dá)到臨界閾值速度和臨界閾值沖擊時(shí)間才能引起侵蝕作用；黃飛等[5]研究高壓水射流沖擊巖石會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，并采用有限元法數(shù)值模擬水射流破碎砂巖的過程，分析巖石內(nèi)應(yīng)力波的傳播規(guī)律與裂紋的產(chǎn)生過程。

以上研究揭示了水射流破碎混凝土及巖石損傷演化、基本性能和破碎形式，提升了在此領(lǐng)域的認(rèn)知?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)水射流破碎混凝土數(shù)值模擬進(jìn)行了大量研究及分析[6-7]，但分析水射流沖擊不同強(qiáng)度混凝土，分析混凝土破碎情況較少。鑒于此，本文采用光滑粒子方法（SPH），模擬水射流沖擊破碎不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，并分析水射流破碎混凝土影響特征。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 SPH 理論

不同于有限單元法，SPH 方法是基于拉格朗日形式的無(wú)網(wǎng)格法，采用離散化的粒子對(duì)問題域進(jìn)行描述，可避免非線性計(jì)算過程中單元畸變導(dǎo)致的計(jì)算終止。

2.2 幾何模型

水射流破碎混凝土二維幾何模型如圖1 所示。水射流尺寸為2 mm*150 mm，混凝土尺寸為50mm*50mm。把水射流、砂漿為SPH 粒子，粒子直徑為0.25 mm。混凝土強(qiáng)度為C20、C30、C40，水射流速度為500m/s，沖擊時(shí)長(zhǎng)70μs。

圖1 幾何模型

3 模擬結(jié)果與分析

不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土受水射流沖擊時(shí)，損傷過程如圖2 所示，裂紋通過材料完全損傷（D=1）來表示。在第5μs 時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在水射流剛接觸時(shí)，處于射流邊緣的砂漿粒子在高壓應(yīng)力和高剪應(yīng)力共同作用下完全損傷形成壓剪破碎區(qū)，C20 強(qiáng)度混凝土壓剪破碎區(qū)比C30、C40 強(qiáng)度混凝土破碎程度要大。水射流沖擊是一種動(dòng)態(tài)高頻載荷，沖擊過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，射流攜帶的能量以應(yīng)力波的形式向混凝土內(nèi)部傳遞，當(dāng)沖擊到第30μs 時(shí)，C20 強(qiáng)度混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了貫通壓剪破碎區(qū)的宏觀裂紋，因在高強(qiáng)度壓縮應(yīng)力波作用下一直承受壓應(yīng)力，不能引起拉伸失效，所以混凝土內(nèi)部宏觀裂紋產(chǎn)生剪切破壞；而C30 與C40 強(qiáng)度的混凝土內(nèi)部沒有產(chǎn)生裂紋，還是如同C20 混凝土沖擊初期，混凝土表面為近似“火山口”似的破碎坑。沖擊到70μs 時(shí)，C20 強(qiáng)度混凝土內(nèi)部已產(chǎn)生多處貫通破碎坑的宏觀裂紋，也有部分裂紋是貫通破碎坑裂紋的分岔裂紋，主要因?yàn)樗淞鞒掷m(xù)沖擊時(shí)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度足以驅(qū)動(dòng)兩條裂紋擴(kuò)展，會(huì)在裂紋尖端處形成新的裂紋分支，產(chǎn)生分岔現(xiàn)象[8]；C30 混凝土內(nèi)部破碎坑左右出現(xiàn)兩處應(yīng)力集中，由于水錘壓力的驟然消失導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生自卸載作用，使混凝土內(nèi)部損傷為拉伸損傷；C40 混凝土沒有產(chǎn)生損傷，依舊是混凝土表面被水射流沖擊出破碎坑。

圖2 不同等級(jí)混凝土損傷演化

4 結(jié)論

水射流沖擊不同強(qiáng)度混凝土首先在沖擊點(diǎn)附近形成由于高壓剪應(yīng)力導(dǎo)致的壓剪破碎區(qū)，接著在混凝土內(nèi)部形成貫通破碎坑的條狀損傷區(qū)，最后混凝土內(nèi)部完全損傷形成宏觀裂紋。而強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土在水射流持續(xù)沖擊下也沒有產(chǎn)生損傷，若在實(shí)際工程中遇到強(qiáng)度較大的混凝土，建議采用磨料水射流進(jìn)行破碎。