試驗(yàn)所用砂巖取自重慶某開(kāi)挖隧道，埋深50m，地層年代為三疊系上統(tǒng)須家河組，屬陸相細(xì)粒沉積巖，具有良好的橫觀各向同性，根據(jù)砂巖的顏色差異，選取砂粒粒度較為均勻的黃沙巖作為本次試驗(yàn)的研究對(duì)象，通過(guò)MTS815測(cè)試獲得其單軸抗壓強(qiáng)度σc=68MPa。抗拉強(qiáng)度σt=2.17MPa。采用水鉆鉆取巖心，然后用濕式加工法逐步磨平兩端，將巖樣制備成ф50mmx50mm的圓柱體，并用砂紙對(duì)實(shí)踐表面進(jìn)行打磨，保證試樣端面平整度，并將加工好的試件放置在105℃的恒溫箱內(nèi)烘干48h。
試驗(yàn)設(shè)備與步驟
試驗(yàn)是在由OMAX公司研發(fā)生產(chǎn)的2626型高精度射流自動(dòng)數(shù)控切割機(jī)上完成的，噴嘴內(nèi)徑ф2mm，試驗(yàn)裝置如圖3所示，設(shè)置沖擊靶距為3mm，沖擊時(shí)間為15s，研究非淹沒(méi)條件下高壓水射流沖蝕破巖的效果。針對(duì)射流壓力的選取，一方面期望能射流壓力能從小變大，更加廣泛的覆蓋射流壓力范圍；另一方面需要考慮適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)組數(shù)，綜合考慮以上2各因素，并基于A.W.Momber對(duì)砂巖臨界損傷速度的研究，選取12,50,100,150,200,250和300MP作為試驗(yàn)射流壓力，通過(guò)換算可得其對(duì)應(yīng)的射流速度依次為157,316,447,547,632,707和774m/s。為了獲取準(zhǔn)確、穩(wěn)定的射流速度消除射流泵啟動(dòng)過(guò)程的影響，試驗(yàn)前先將一塊剛止擋板遮擋于噴嘴與巖樣之間，待射流穩(wěn)定至試驗(yàn)所需速度后再迅速打開(kāi)擋板，沖蝕15s以后迅速打開(kāi)擋板，同時(shí)立即關(guān)掉射流泵。
不同射流速度下砂巖的破碎模式
大量沖擊試驗(yàn)表明，隨著沖擊速度的增加砂巖依次出現(xiàn)破碎坑、橫向環(huán)形裂紋與縱向劈裂裂紋等破壞形式，砂巖試樣在沖蝕前具有良好的完整性，表面無(wú)裂紋。經(jīng)316m/s的水射流（水錘壓力=661MPa,滯止壓力=50MPa）沖蝕后，砂巖上端面出現(xiàn)沖蝕破碎坑，測(cè)量得到破碎坑的平均直徑大約3.8mm。略小于2倍的噴嘴直徑，這與李根生等通過(guò)試驗(yàn)獲得的規(guī)律基本一致。同時(shí)在沖擊端面產(chǎn)生直徑為15mm的環(huán)形裂紋，導(dǎo)致沖擊中心巖石呈片狀剝落。經(jīng)632m/s水射流（水錘壓力=1721MPa,滯止壓力=200MPa）沖蝕后，砂巖試樣除了在沖擊端面產(chǎn)生破碎坑和環(huán)形裂紋外，還在巖石內(nèi)部產(chǎn)生多條貫通的橫向環(huán)形裂紋，并導(dǎo)致砂巖出現(xiàn)體積破碎。經(jīng)774m/s 水射流（水錘壓力=2328MPa，滯止壓力=300MPa）沖蝕后，大部分砂巖試樣呈現(xiàn)出近似劈裂的破壞模式，且裂紋數(shù)量較少。
根據(jù)沖擊試驗(yàn)后砂巖的宏觀破碎規(guī)律，選取射流速度632m/s進(jìn)行數(shù)值模擬。在射流沖擊作用下，最大有效應(yīng)力產(chǎn)生在沖擊中心區(qū)域，在該壓應(yīng)力作用下，沖擊中心首先產(chǎn)生剪切破壞，形成沖擊破碎坑，水射流沖擊巖石，有效應(yīng)力以應(yīng)力波的形式向巖石內(nèi)部傳播，當(dāng)應(yīng)力波傳播至巖石邊界后發(fā)生發(fā)射，在巖石內(nèi)部形成發(fā)射拉伸波，當(dāng)射流速度632m/s時(shí)，首先在巖石內(nèi)部收到拉伸應(yīng)力的區(qū)域形成拉伸紋，根據(jù)模擬結(jié)果，巖石內(nèi)部產(chǎn)生了2類(lèi)拉伸橫向裂紋；拉伸裂紋Ⅰ是由邊界產(chǎn)生不并向內(nèi)部擴(kuò)展，拉伸裂紋Ⅱ產(chǎn)生于巖石內(nèi)部并向自由面擴(kuò)展。水射流沖擊巖石將產(chǎn)生巨大的水錘壓力，即使當(dāng)水射流速度為157m/s時(shí)都能產(chǎn)生279MPa的水錘壓力，約為所選砂巖單軸抗壓強(qiáng)度(68MPa)de 4倍，當(dāng)水射流速度為774m/s時(shí)，可產(chǎn)生大約34倍砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的水錘壓力。分析認(rèn)為，水錘壓力導(dǎo)致沖擊中心出現(xiàn)剪切破壞，破碎的巖塊被水流沖走后形成破碎坑，由于水錘壓力持續(xù)時(shí)間較短，破碎坑不能繼續(xù)向巖石內(nèi)部擴(kuò)展。沖擊波誘發(fā)的瑞利表面波導(dǎo)致砂巖表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，促使砂巖端面出現(xiàn)環(huán)形裂紋。沖擊波誘發(fā)的體波（包括縱波和橫波）在演示界面反射并在內(nèi)部相互干渉，產(chǎn)生加強(qiáng)的徑向拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生橫向裂紋。
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