水力致裂不同強度混凝土影響分析

孫灝

（重慶交通大學，重慶400074）

1 概述

高壓水射流是在國際上新興起的一門高科技清洗技術。近幾年在工程上高壓水射流技術也有著廣泛的應用，比如礦山開挖、石油鉆探、瓦斯抽放等領域[1-3]，對水射流技術的研究提供了重要依據。隨著對水射流技術的探究，已有研究者將此技術應用到巖石切割、破拆混凝土領域，但由于巖石的破壞機制以及混凝土的不透明性和破壞即時性，導致水射流技術對其破碎機理尚不明確。為增強高壓水射流在沖擊破碎混凝土及巖石等領域，各國研究人員進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機制。如Momber 等[4]對水射流沖蝕混凝土進行了研究，發現必須達到臨界閾值速度和臨界閾值沖擊時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導致其發生結構破壞，并采用有限元法數值模擬水射流破碎砂巖的過程，分析巖石內應力波的傳播規律與裂紋的產生過程。

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，提升了在此領域的認知。現階段國內外對水射流破碎混凝土數值模擬進行了大量研究及分析[6-7]，但分析水射流沖擊不同強度混凝土，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度等級的混凝土，并分析水射流破碎混凝土影響特征。

2 數值模擬方法

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網格法，采用離散化的粒子對問題域進行描述，可避免非線性計算過程中單元畸變導致的計算終止。

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。混凝土強度為C20、C30、C40，水射流速度為500m/s，沖擊時長70μs。

圖1 幾何模型

3 模擬結果與分析

不同強度等級混凝土受水射流沖擊時，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，不同強度等級的混凝土在水射流剛接觸時，處于射流邊緣的砂漿粒子在高壓應力和高剪應力共同作用下完全損傷形成壓剪破碎區，C20 強度混凝土壓剪破碎區比C30、C40 強度混凝土破碎程度要大。水射流沖擊是一種動態高頻載荷，沖擊過程中會產生應力波，射流攜帶的能量以應力波的形式向混凝土內部傳遞，當沖擊到第30μs 時，C20 強度混凝土內部出現了貫通壓剪破碎區的宏觀裂紋，因在高強度壓縮應力波作用下一直承受壓應力，不能引起拉伸失效，所以混凝土內部宏觀裂紋產生剪切破壞；而C30 與C40 強度的混凝土內部沒有產生裂紋，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，C20 強度混凝土內部已產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，主要因為水射流持續沖擊時當應力強度足以驅動兩條裂紋擴展，會在裂紋尖端處形成新的裂紋分支，產生分岔現象[8]；C30 混凝土內部破碎坑左右出現兩處應力集中，由于水錘壓力的驟然消失導致混凝土產生自卸載作用，使混凝土內部損傷為拉伸損傷；C40 混凝土沒有產生損傷，依舊是混凝土表面被水射流沖擊出破碎坑。

圖2 不同等級混凝土損傷演化

4 結論

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