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高压水射流冲击砂岩试验
来源: 时间:2021-09-06 浏览:4926
试验所用砂岩取自重庆某开挖隧道,埋深50m,地层年代为三叠系上统须家河组,属陆相细粒沉积岩,具有良好的横观各向同性,根据砂岩的颜色差异,选取砂粒粒度较为均匀的黄沙岩作为本次试验的研究对象,通过MTS815测试获得其单轴抗压强度σc=68MPa。

      试验所用砂岩取自重庆某开挖隧道,埋深50m,地层年代为三叠系上统须家河组,属陆相细粒沉积岩,具有良好的横观各向同性,根据砂岩的颜色差异,选取砂粒粒度较为均匀的黄沙岩作为本次试验的研究对象,通过MTS815测试获得其单轴抗压强度σc=68MPa。抗拉强度σt=2.17MPa。采用水钻钻取岩心,然后用湿式加工法逐步磨平两端,将岩样制备成ф50mmx50mm的圆柱体,并用砂纸对实践表面进行打磨,保证试样端面平整度,并将加工好的试件放置在105℃的恒温箱内烘干48h。


试验设备与步骤

      试验是在由OMAX公司研发生产的2626型高精度射流自动数控切割机上完成的,喷嘴内径ф2mm,试验装置如图3所示,设置冲击靶距为3mm,冲击时间为15s,研究非淹没条件下高压水射流冲蚀破岩的效果。针对射流压力的选取,一方面期望能射流压力能从小变大,更加广泛的覆盖射流压力范围;另一方面需要考虑适当的试验组数,综合考虑以上2各因素,并基于A.W.Momber对砂岩临界损伤速度的研究,选取12,50,100,150,200,250和300MP作为试验射流压力,通过换算可得其对应的射流速度依次为157,316,447,547,632,707和774m/s。为了获取准确、稳定的射流速度消除射流泵启动过程的影响,试验前先将一块刚止挡板遮挡于喷嘴与岩样之间,待射流稳定至试验所需速度后再迅速打开挡板,冲蚀15s以后迅速打开挡板,同时立即关掉射流泵。

不同射流速度下砂岩的破碎模式


      大量冲击试验表明,随着冲击速度的增加砂岩依次出现破碎坑、横向环形裂纹与纵向劈裂裂纹等破坏形式,砂岩试样在冲蚀前具有良好的完整性,表面无裂纹。经316m/s的水射流(水锤压力=661MPa,滞止压力=50MPa)冲蚀后,砂岩上端面出现冲蚀破碎坑,测量得到破碎坑的平均直径大约3.8mm。略小于2倍的喷嘴直径,这与李根生等通过试验获得的规律基本一致。同时在冲击端面产生直径为15mm的环形裂纹,导致冲击中心岩石呈片状剥落。经632m/s水射流(水锤压力=1721MPa,滞止压力=200MPa)冲蚀后,砂岩试样除了在冲击端面产生破碎坑和环形裂纹外,还在岩石内部产生多条贯通的横向环形裂纹,并导致砂岩出现体积破碎。经774m/s 水射流(水锤压力=2328MPa,滞止压力=300MPa)冲蚀后,大部分砂岩试样呈现出近似劈裂的破坏模式,且裂纹数量较少。

      根据冲击试验后砂岩的宏观破碎规律,选取射流速度632m/s进行数值模拟。在射流冲击作用下,最大有效应力产生在冲击中心区域,在该压应力作用下,冲击中心首先产生剪切破坏,形成冲击破碎坑,水射流冲击岩石,有效应力以应力波的形式向岩石内部传播,当应力波传播至岩石边界后发生发射,在岩石内部形成发射拉伸波,当射流速度632m/s时,首先在岩石内部收到拉伸应力的区域形成拉伸纹,根据模拟结果,岩石内部产生了2类拉伸横向裂纹;拉伸裂纹Ⅰ是由边界产生不并向内部扩展,拉伸裂纹Ⅱ产生于岩石内部并向自由面扩展。水射流冲击岩石将产生巨大的水锤压力,即使当水射流速度为157m/s时都能产生279MPa的水锤压力,约为所选砂岩单轴抗压强度(68MPa)de 4倍,当水射流速度为774m/s时,可产生大约34倍砂岩单轴抗压强度的水锤压力。分析认为,水锤压力导致冲击中心出现剪切破坏,破碎的岩块被水流冲走后形成破碎坑,由于水锤压力持续时间较短,破碎坑不能继续向岩石内部扩展。冲击波诱发的瑞利表面波导致砂岩表面产生拉伸应力,促使砂岩端面出现环形裂纹。冲击波诱发的体波(包括纵波和横波)在演示界面反射并在内部相互干渉,产生加强的径向拉伸应力,导致岩石产生横向裂纹。


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