水力致裂不同强度混凝土影响分析

2020-08-11孙灏

科学技术创新 2020年25期

孙灏

（重庆交通大学，重庆400074）

1 概述

高压水射流是在国际上新兴起的一门高科技清洗技术。近几年在工程上高压水射流技术也有着广泛的应用，比如矿山开挖、石油钻探、瓦斯抽放等领域[1-3]，对水射流技术的研究提供了重要依据。随着对水射流技术的探究，已有研究者将此技术应用到岩石切割、破拆混凝土领域，但由于岩石的破坏机制以及混凝土的不透明性和破坏即时性，导致水射流技术对其破碎机理尚不明确。为增强高压水射流在冲击破碎混凝土及岩石等领域，各国研究人员进行了大量研究及分析以探究混凝土及岩石受水射流冲击的力学机制。如Momber 等[4]对水射流冲蚀混凝土进行了研究，发现必须达到临界阈值速度和临界阈值冲击时间才能引起侵蚀作用；黄飞等[5]研究高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏，并采用有限元法数值模拟水射流破碎砂岩的过程，分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。

以上研究揭示了水射流破碎混凝土及岩石损伤演化、基本性能和破碎形式，提升了在此领域的认知。现阶段国内外对水射流破碎混凝土数值模拟进行了大量研究及分析[6-7]，但分析水射流冲击不同强度混凝土，分析混凝土破碎情况较少。鉴于此，本文采用光滑粒子方法（SPH），模拟水射流冲击破碎不同强度等级的混凝土，并分析水射流破碎混凝土影响特征。

2 数值模拟方法

2.1 SPH 理论

不同于有限单元法，SPH 方法是基于拉格朗日形式的无网格法，采用离散化的粒子对问题域进行描述，可避免非线性计算过程中单元畸变导致的计算终止。

2.2 几何模型

水射流破碎混凝土二维几何模型如图1 所示。水射流尺寸为2 mm*150 mm，混凝土尺寸为50mm*50mm。把水射流、砂浆为SPH 粒子，粒子直径为0.25 mm。混凝土强度为C20、C30、C40，水射流速度为500m/s，冲击时长70μs。

图1 几何模型

3 模拟结果与分析

不同强度等级混凝土受水射流冲击时，损伤过程如图2 所示，裂纹通过材料完全损伤（D=1）来表示。在第5μs 时，不同强度等级的混凝土在水射流刚接触时，处于射流边缘的砂浆粒子在高压应力和高剪应力共同作用下完全损伤形成压剪破碎区，C20 强度混凝土压剪破碎区比C30、C40 强度混凝土破碎程度要大。水射流冲击是一种动态高频载荷，冲击过程中会产生应力波，射流携带的能量以应力波的形式向混凝土内部传递，当冲击到第30μs 时，C20 强度混凝土内部出现了贯通压剪破碎区的宏观裂纹，因在高强度压缩应力波作用下一直承受压应力，不能引起拉伸失效，所以混凝土内部宏观裂纹产生剪切破坏；而C30 与C40 强度的混凝土内部没有产生裂纹，还是如同C20 混凝土冲击初期，混凝土表面为近似“火山口”似的破碎坑。冲击到70μs 时，C20 强度混凝土内部已产生多处贯通破碎坑的宏观裂纹，也有部分裂纹是贯通破碎坑裂纹的分岔裂纹，主要因为水射流持续冲击时当应力强度足以驱动两条裂纹扩展，会在裂纹尖端处形成新的裂纹分支，产生分岔现象[8]；C30 混凝土内部破碎坑左右出现两处应力集中，由于水锤压力的骤然消失导致混凝土产生自卸载作用，使混凝土内部损伤为拉伸损伤；C40 混凝土没有产生损伤，依旧是混凝土表面被水射流冲击出破碎坑。