D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.05.023 第28卷第5期 北京科技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 水射流动力特性及破土机理 马飞宋志辉 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要水射流破土效果取决于射流参数和土体参数，射流参数决定射流作用力的大小，而土体 参数决定着土体临界破坏力.通过射流动力特性及其破土机理分析，揭示了射流参数与土体参数 之间存在的内在联系，建立了水射流破土的理论方程，该方程解决了以往在射流破土过程中参数 选取的随意性或无法确定射流参数的问题 关键词水射流；动力特性；破坏机理；土体 分类号TP69;TU74 水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除 体表面后离开土体表面的角度，()， 垢的工具，已广泛应用于石油化工、交通运输、冶 若引入J=pQu,则： 金、矿业、轻工业等领域中，土层锚杆扩孔是将土 F=J(1-coso) (2) 层钻孔直径进行二次扩大或局部扩大的一种岩土 由式(2)可看出，当9=90°时，F=J,表明当 施工方法，目的是提高单根锚杆的抗拔能力川， 射流与土体表面保持垂直打击时，射流作用力的 将水射流技术应用于土层锚杆扩孔中是近来兴起 大小为初始动量，如图1(b)所示.若p不变，射 的一项土层锚杆扩孔方法，目前还处在实验探索 流的总打击力F也保持不变.实际上，淹没射流 阶段，缺乏系统深入的理论研究].本文从射流 是沿程扩散的，射流的打击面积随着流程x的增 淹没状态下运动规律入手，研究了射流的力学特 大而增大，而土体单位面积上的打击力因面积的 性及其破坏土体的机理，揭示了射流参数与土体 增大而减小，射流对土体的破坏作用主要取决于 参数之间存在的内在联系，对水射流土锚扩孔方 单位面积的打击力，所以必须分析打击区域内的 法的完善具有重要意义. 单位面积上的打击力及其分布情况 1水射流对土体表面的作用力 水射流打击土体表面时，因被打击土体具有 不同的表面形状，使射流改变了方向，从而在其原 来的喷射方向上失去了一部分动量，并以作用力 的形式传递到被打击土体表面上，连续射流对土 体表面的作用力，是指射流对土体打击时的稳定 冲击力一总压力. 图1为射流打击土体表面的情形，射流打击 元2 前的动其为pQu,打击后的动量为pQu cos,根 据动甚定理可知，水射流作用在土体表面上的总 作用力为： F=pQu(1-cosp） (1) 式中，p为水的密度，kg·m3;Q为射流流址， (b) m3s1;u为射流流速，m·s1;p为射流冲击土 图1水射流对土体表面的作用形式 Flg.1 Water jet impact form on soll surface 收稿日期：200505-20修回日期：2006-06-30 基金项目：北京科技大学校基金资助课题(No.00089176) 作者简介：马飞(1968一).男，副教授
第 2 8 卷 第 S 期 2 0 0` 年 s 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l of U n iev sr i ty o f Sc i e n ce a nd T Ce h n o l o g y eB 廿i gu V o l 。 2 8 N O 。 S M a y 2 0 06 水射流动力特性及破土机理 马 飞 宋志辉 北京科 技大学 土 木与环境工程学院 . 北京 1 0 0 038 摘 要 水射流 破土效果取 决于射流参 数和土 体参数 , 射 流参数决 定射流 作用力 的大 小 , 而 土体 参数决定着土体 临界破坏力 . 通过射流动力特性及 其破土机理 分析 , 揭示 了射 流参数与 土体参数 之间存在的 内在联 系 , 建立了水射流破土的理论方 程 . 该方 程解决 了以往在射 流破土过 程 中参 数 选取的随意性或 无法确 定射 流参数的间题 . 关祖词 水射流 ; 动力特性 ; 破坏 机理 ; 土体 分类号 T P 6 9 ; T U 7 4 水射流 作为一 种 良好的切割 、 破碎和清洗 除 垢的工 具 , 已广 泛 应 用 于石 油 化工 、 交通 运 输 、 冶 金 、 矿业 、 轻工 业等领域 中 . 土层锚杆扩孔是将土 层 钻孔直径进行二 次扩大或局部扩大的一种岩土 施工 方 法 , 目的是 提 高 单根锚 杆 的抗拔 能力〔’ ] . 将水射流技术应 用于 土 层锚杆扩孔中是近来兴起 的一项土层 锚 杆扩孔方 法 , 目前还 处 在实验探索 阶段 , 缺 乏 系统 深 入 的理 论 研 究 z[] . 本文从射流 淹没状态下 运 动 规律入 手 , 研究 了射流的力学 特 性 及其破坏 土 体的机 理 , 揭示 了射流 参数与土体 参数之 间存在的内在 联 系 , 对水射流 土锚 扩 孔方 法 的完善具 有重 要意义 . 体表面后 离开土体表面 的角度 , ( . ) . 若引入 J = pQ 。 , 则 : F = J ( l 一 e o s 甲 ) ( 2 ) 由式 (2 )可看出 , 当 沪 = 9 0 ’ 时 , F 二 J , 表 明当 射流与土体表面保持垂 直 打击时 , 射流 作用 力 的 大小为初 始动量 , 如 图 1 ( b) 所示 . 若 沪 不 变 , 射 流 的总打击力 F 也保持不变 . 实际 上 , 淹没 射流 是沿 程扩散的 , 射流 的打击面 积 随着流 程 x 的增 大而增 大 , 而土 体单位面 积 上 的打 击力 因面 积 的 增大而减 小 . 射流对土 体的破 坏 作用 主要 取决于 单位面 积 的打击力 , 所 以 必须 分析打击区域 内的 单位面积 上的打击力及其分布情况 . 1 水射流对土体表面 的作 用力 水射流 打击土 体表面 时 , 因 被打击土 体具有 不同的表面 形状 , 使射流 改变了方向 , 从而 在其原 来的喷射方 向上 失去了一 部分动量 , 并以 作用力 的形式传递 到 被打击土体表面 上 . 连 续射流 对土 体表面 的作用 力 , 是指射流对 土 体打击时的稳 定 冲击力— 总 压力 . 图 1 为射流打击土 体表面 的情形 , 射 流打击 前的动量为 pQ “ , 打击后 的动量 为 闪 “ co s 沪 . 根 据动量 定理 可知 , 水射流 作用在 土 体表面 上 的总 作用 力为 : F = QP u ( 1 一 e o s 沪 ) ( 1 ) 式中 , p 为水 的密 度 , k ’g m 一 3 ; Q 为射流 流量 , m , · s 一 ’ ;u 为射流 流 速 , m · , 一 ’ ; 沪 为射流 冲击土 收稿日期 : 2 0 0 5一 5 一 2 0 修回 B 期 : 2 00 6一 6 一 3 0 若盘项目 : 北京科技大学校基金资助课题 ( N o . 0 00 8 9 17 6) 作衡简介 : 马飞 ( 19 68 一 ) . 男 , 副教授 U O 兰三三三三 中= 拟 2 、 月 . 一 二 " 一Q 兰 图 l 水射流对土体 衰面 的作用形式 F ig . l w a t e r j e t lm p a e t fo rm on so ll s . r 加.c DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 05. 023
414 北京科技大学学报 2006年第5期 用量纲分析法可将打击范围内各点的压力 2淹没射流沿程压力分布 p,表示如下形式4： 对于轴对称淹没射流来说，射流对土体表面 Pr=Pmf(n) (6) 的总作用力F可分解为轴向分力F,和径向分力 式中，？=r/R,是量纲为1的径向距离.址纲为 F,·由于射流断面形状的对称性，射流打击面上 1的函数f(7)应满足下述边界条件： 各径向力的合力F,应为0，于是可得到F等于 7=0;f0)=1,f(0)=0 (7) F:·而轴向分力F,来自于x方向上射流的动压， 7=1;f(1)=0,f(1)=0 因此，可以通过分析沿流程方向上横截面的动压 根据泰勒公式和边界条件式(7)可求得： 分布来分析单位面积射流打击力. f（7)=1-3n2+2n3 (8) 根据伯努利能量守恒定律可得到射流断面轴 因淹没射流具有轴对称性，故设射流打击力 心处的动压分布： 分布半径为R,并将式(8)，式(5)代入式(6)并积 分，得： (3) 式中，4x,mx,中m为被研究断面上射流轴心处的 Frdr 80x2 (9) 流速和动压 依据里夏特经验常数[3)，a=15.174,并代入 由粘性流体力学理论可知[3]： 上式，则： _3 K' 11R2 (10) ux,mx=8πv0x (4) F=0.038672 式中，K=J/p;o为运动涡粘度，在整个射流 由式(10)和式(2)，可得： 中，为一常数. R_45（1-osp)°5 x 3a (11) 将式(4)代入式(3)，得到： Pm=30211 针对水射流破土，取9=100°，由式(11)简化 8πx2 (5) 得到： R≈0.2129x (12) 其中，。=行侵尽。利制部为常数，该式表 再根据里夏特实验结果b/x=0.1696,从而 明，射流横断面上的轴心动压pm与流程x2成反 有 比 ≈1.26 b (13) 3射流作用下土体表面压力分布 其中，b为射流的半宽厚度.该式表明：R>b,即 射流的作用半径大于射流的半宽厚度.若把r= 射流垂直打击土体表面时，土体被冲蚀的区 b对应的作用力记作F6,并通过积分，可得： 域近似为圆盘形，如图2所示.在打击中心处，压 JR2 力为滞止压力，即射流的轴心动压pm;而打击范 F。=0pnf(72xrdr=0.04042 (14) 围内其他各点的压力p,随着距中心径向距离的 在淹没射流流动过程中，由于射流周围环境 增大而逐渐减小，直至等于周围环境压力，通常可 流体中的压强是不变的，因此在射流各断面上的 认为是零3) 压强均相同，等于周围环境流体的压强.在这种 条件下，射流的总动其J在沿程的各个断面上保 持常量，且等于射流源初始总动其，即： J=oudA=xRipui-2xPoRB (15) 式中，u0为喷嘴出口速度，m·s1;p0为喷嘴出口 压力，MPa;Ro为喷嘴出口半径，m. 将式(15)代入式(14)，则有 困2土体作用面受力分布 Flg.2 Force distribution on soll surface impected with water R=0a06|=7.05p,R3 (16) Jet 再将F,除以对应的作用面积，得到单位面
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 s 期 2 淹没射流沿程压 力分布 对于轴对称 淹没 射流 来说 , 射 流对土 体表面 的总 作用力 F 可分解为轴 向分力 凡 和径 向分力 F 二 . 由于射 流 断面 形状 的对 称性 , 射流打 击面 上 各径向力的合 力 F , 应 为 0 , 于是 可得 到 F 等于 凡 . 而轴向分力 凡 来自于 x 方 向上 射流 的动压 , 因此 , 可以通 过 分析沿流程 方 向上 横截面 的动压 分布来分析单位面积 射流打击力 . 根据伯努利能 量守恒定律可得到 射流断面 轴 心处 的动压分布 : 用量纲 分析法 可将打 击范 围内各 点的压 力 户 ; 表示如下 形式 [ 4 ] : P r = P m f ( 夕) ( 6 ) 式中 , , = r/ R , 是量纲 为 1 的径 向距 离 . 量纲 为 1 的函数 f( , )应满足下述 边 界条件 : 刀= 0 ; f ( 0 ) = 1 , 甲= l ; f ( l ) = 0 , 厂( 0 ) = 0 f ` ( l ) = 0 ( 7 ) _ _ 1 2 p m “ 百p u x , m a x 根据泰勒公式和边 界条件式 ( 7) 可求得 : f ( , ) = l 一 3 , 2 + 2 , 3 ( s ) 因淹 没射流 具 有轴对称性 , 故设 射流打击力 分布半径为 R , 并将式 ( 8) , 式 ( 5) 代入 式 ( 6) 并积 分 , 得 : ( 9 ) 产 ! J F 一 ( 3 ) 式中 , ux , 、 : , p m 为被研 究断面 上 射流 轴心 处 的 流速和动 压 . 由粘性流体力学 理论 可知〔3 ] : 3 K ` u 一 = 于 一 ( 4 ) · x . ma : 8 兀 , o x 式中 , K ` = J / p ; , 。 为运 动 涡粘 度 , 在整 个 射流 中 , 为一常数 . 将式 ( 4) 代入式 ( 3 ) , 得到 : o p 一 f ( , ) 2 二 r d r - 依据里夏特经验常数〔3〕 , 。 = 上式 , 则 : 9宜业望 8 0 x Z 1 5 . 1 7 4 并代入 F 二 1 0 . 0 3 8 6世` r Z ( 10 ) 由式 ( 10) 和 式( 2) , 可得 : 子 一 赞 “ 一 沪’ `’ ` ’ ( 1 1 ) 旦旦三达工 8 兀 x Z 针对水射流 破土 , 取 甲 = 10 ’ , 由式 ( 1 1) 简化 P m = ( 5 ) 得到 : 其中 , 。 一 于 、 俘皿 , 。 峥 甲 兀 V O 和 J 都 为常数 , 该式表 R 恕0 . 2 12 9 x ( 1 2 ) 再根据里夏特实验结果 b / x 二 0 . 1 69 6 , 从而 明 , 射流横断面上 的轴心 动压 p m 与流程 x Z 成反 比 . 3 射流作用下土体表面压力分布 射流垂直打击土体表面 时 , 土 体被 冲蚀 的 区 域近似为圆盘 形 , 如 图 2 所示 . 在打击中心处 , 压 力 为滞止 压 力 , 即射流的轴 心动 压 P ;m 而打击范 围内其他各点的压 力 P r 随着距 中心 径向距 离的 增 大而逐 渐减小 , 直至等于周围环境压 力 , 通常可 认为是零 3[] . R “ _ 下一 二; 匕 上 。 乙勺 O ( 1 3 ) \ 图 2 土体作用面受力分布 F二9 . 2 oF r e e d巨s t d b . t i加 on 50 11 s . r fa ce i m伸 e ted w i t h w a t e r j e t 其中 , b 为射流 的半宽厚度 . 该式 表明 : R > b , 即 射流的作用半径大于射流 的半宽厚度 . 若把 r 二 b 对 应的作用力记作 凡 , 并通 过积 分 , 可得 : 。 _ 「 “ 、 , , _ 、 , _ _ _ J _ _ F “ 一 _ 一止一 望 ) 。 ” m f ( ” ) 2 , r d r 二 6万茄石百夯 ( ` 4 ) 在淹 没射流 流 动过 程 中 , 由于 射流 周围环境 流体中的压强是 不变的 , 因此 在射流 各断面上 的 压强 均相同 , 等于 周围环 境流体的压 强 . 在这 种 条 件下 , 射流 的总动量 J 在沿 程 的各个断面上 保 持常量 , 且等于 射流 源初始总动量 , 即 : , 一 丁 。 尸· 己d A 一 R` 。· “ 一 2 · , 。 R “ ` , , 式 中 , 。 0 为喷嘴 出 口速 度 , m · s 一 ’ ; P 。 为喷嘴 出 口 压力 , M P a ; R 。 为喷嘴 出 口 半径 , m . 将式( 15) 代入式( 14) , 则有 _ 户。 尺后{ 尺 、 ’ 一 , 一 , 凡 = 才京云交兴荡! 苦 } = 7 . 0 5 P o R 6 ( 1 6 ) 0 . 0 0 6 4 \ x z · 一 。 u 占 、 。 、 ` 一 , 再 将 凡 除以 对 应 的作 用面 积 , 得 到 单位 面
Vol.28 No.5 马飞等：水射流动力特性及破土机理 ·415· 积上的平均作用力，即： 加速了土体的破坏与剥落；④高压水射流的冲击， 瓦-令表0 =p0R6 使土体局部容易产生流变和裂痕；⑤高压水射流 (17) 的剪切作用，使土体颗粒容易剥离、脱落；⑥在射 半宽度范围内的平均作用力F。对分析和确 流动压作用下，使土体中孔隙水的压力增高，在张 定射流破土的临界压力极其重要 力作用下，孔隙介质颗粒之间连接力减弱，从而加 4水射流破土机理 速了土体的破坏过程；⑦射流打击末端，速度较 低，土体表面受到压缩波和拉应力作用，同时形成 水射流作用于土体时，其部分动量便转化为 气蚀，气蚀作用（或称空化作用）对射流淹没状态 对土体的打击力，从而引起土体受力破坏，概括起 下提高打击效果非常有效， 来，有以下几种作用形式46]： 因此，射流对土体的破坏作用是多方面的，其 (1)空化破坏作用.射流在打击土体时，在 过程也是比较复杂的，它不仅与水射流及冲蚀条 压力梯度大的部位将产生空泡，空泡的崩溃对打 件有关，而且与被打击破坏土体的物化性质有着 击面上的土体具有较大的破坏力.此外，在空泡 密切的关系， 中，由于射流的激烈紊动，也会把较软弱的土体掏 5水射流破土方程 空，造成空泡扩大，使更多的土体遭受破坏， (2)动压破坏作用.由式(3)可知，射流的动 5.1土体临界破坏压力 压与流速的平方成正比.高压发生装置的压力越 由射流破土机理可知，在射流打击下，土体的 高，射流流速越大，产生的动压力也越大.因此通 破坏不仅与射流参数有关，而且还与土体参数有 过增大泵压，可提高射流的动压破坏力 关刀，射流参数决定射流作用力的大小，而土体 (3)疲劳破坏作用.由于高压发生装置为多 参数决定土体的物理力学性质.土体参数是土体 缸活塞泵，随着活塞的往复变速运动，每一瞬间产 本身所固有的物质属性，在射流破土过程中，体现 生的压力和流量都是随之波动的，故水射流为连 为一种抵抗力，并称之为土体临界破坏压力.土 续脉冲运动的液流，当射流不停地脉冲式地冲击 体的临界破坏压力是由土体本身参数惟一确定 土体时，土体颗粒表面受到脉动负荷的影响，逐渐 的，只有当射流的作用压力大于或等于土体的临 积累其残余变形，使土颗粒失去平衡，从土体上崩 界破坏压力时，土体才会发生破坏 落下来，促使了土体的破坏 土体临界破坏压力的确定涉及到力学、流体 (4)冲击作用.由于射流断续地锤击土体， 力学、土力学等多方面的知识，加之在射流打击过 产生冲击力，促使破坏的进一步发展 程中不确定的因素较多，人们通常借助实验手段 (5)水楔作用.当射流充满土体时，由于射 进行研究，本文采用杜嘉鸿等人的研究成果刀， 流的反作用力，产生水楔.在垂直射流轴线的方 认为土体在射流作用下的临界破坏压力与土的渗 向上，射流楔入土体的裂隙或薄弱部位中，此时射 透性、土颗粒粒径的大小以及土的密度等参数有 流的动压变为静压，使土体发生剥落，裂隙加宽， 关，即： (6)挤压作用，在射流的末端，能量衰减很 大，不能直接冲击土体使土体颗粒剥落，但能对有 Fpri (18) 效射程的边界土体产生挤压力，对四周土体有压 式中，F为土体破坏面上的射流临界压力，N;B 密作用. 为修正系数，经实验测定，B=1.8×1013；x1为土 在土体的破坏过程中，有可能上述这些作用 的抗剪强度，kPa;d6o为土颗粒限定粒径，mm;ra 都起作用，但是在不同条件下或对不同种类的土 为干土重度，kN·m3;k为土的渗透系数， 质，也许其中的某一两项起主导作用，其他的处于 msJ;d6o/k为土的抗冲蚀强度 次要地位 式(18)是由实验研究而得到的经验公式，只 射流的打击作用对土体的物化性质产生如下 与土体本身性质有关.该公式已经在注浆加固工 的影响：①射流在初始打击下，初始冲击脉冲造成 程中得到成功应用 的弹性力在土体中的冲撞、反射和干扰，破坏了土 5,2水射流破土方程 体结构；②由于水束长时间神蚀土体表面，造成土 在射流打击下，土体发生破坏的必要条件是 质的软化：③水射流穿透和渗入，促使裂隙扩展， 土体表面所受的射流作用力必须大于土体的临界
V o l 。 2 8 N O 。 5 马飞等 : 水射 流动力特性及破土机理 积上 的平均作用 力 , 即 : 凡 穴 b Z 一 P 。 R 吕 0 . 0 12 7 x 2 一 ( 17 ) 一凡凡 半宽度范 围内的平均 作用力 凡 对分析和 确 定射流破土 的临界压 力极其重 要 . 4 水射流破土机理 水射流作用 于 土 体时 , 其部分 动量 便转化 为 对 土体的打击力 , 从而 引起土体受力破坏 , 概 括起 来 , 有以下 几种作用形 式〔4 一 6 〕 : ( l) 空 化破 坏 作用 . 射流 在打击土 体 时 , 在 压力 梯度大的部位将产 生 空 泡 , 空 泡 的崩溃 对 打 击面 上 的土 体具 有较 大的破坏 力 . 此 外 , 在空 泡 中 , 由于 射流 的激烈紊动 , 也会把较软弱的土体掏 空 , 造成空泡扩大 , 使更 多的土体遭受破坏 . ( 2) 动压破坏作用 . 由式 ( 3) 可知 , 射流 的动 压与流速 的平方 成正 比 . 高 压发 生装置 的 压力 越 高 , 射流 流速越大 , 产 生的动压 力也越大 . 因此 通 过增 大泵压 , 可提 高射流的动压破坏 力 . ( 3 ) 疲 劳破坏 作用 . 由于高压 发生 装置 为多 缸 活塞泵 , 随着活 塞的往复变速 运动 , 每一瞬间产 生的 压力 和流 量 都是 随 之 波 动的 , 故水射流 为连 续脉冲运 动的液 流 . 当射流 不停地脉冲式地 冲击 土体时 , 土体颗粒 表面 受到 脉动负荷的影 响 , 逐渐 积 累其残 余变形 , 使土 颗粒失去平衡 , 从土 体上 崩 落下来 , 促使了土 体的破坏 . ( 4) 冲击作 用 . 由于 射 流断 续地 锤 击土 体 , 产生 冲击力 , 促 使破坏 的进 一步发展 . ( 5) 水楔 作 用 . 当射流 充满土 体 时 , 由于 射 流的 反 作用 力 , 产 生 水楔 . 在垂 直射流 轴线的方 向上 , 射流楔入 土体的裂隙或薄弱部位中 , 此时射 流的动压变为静压 , 使土体发生剥 落 , 裂隙加宽 . ( 6) 挤压 作 用 . 在 射流 的末端 , 能 量衰减很 大 , 不能直接冲击土体使土 体颗粒剥落 , 但能对 有 效射程的边界土 体产 生挤 压力 , 对 四周 土 体有压 密作用 . 在土体的破 坏过 程 中 , 有可能上 述 这 些 作用 都起 作用 , 但是 在 不 同条件下或对 不 同种类的土 质 , 也许其中的某一两 项起 主导 作用 , 其他的处 于 次要 地位 . 射流的打击作用对土体的物化性质产 生如 下 的影 响 : ① 射流 在初始打击下 , 初 始冲击脉冲造成 的弹性力在土体 中的冲撞 、 反射和 干扰 , 破坏 了土 体结构 ; ② 由于 水束长 时间冲蚀土 体表 面 , 造 成土 质的软化 ; ③ 水射流 穿 透 和渗入 , 促 使裂隙扩 展 , 加速 了土 体的破坏与剥落 ; ④ 高压 水射流的冲击 , 使土体局 部容易产 生 流 变和 裂痕 ; ⑤ 高压水射流 的剪切 作用 , 使土 体颗 粒容易 剥 离 、 脱落 ; ⑥ 在射 流动压作用下 , 使土体 中孔隙水的压力增高 , 在张 力作用下 , 孔隙介质颗粒 之间连 接力减弱 , 从而加 速 了土 体 的破 坏 过 程 ; ⑦ 射 流打击 末端 , 速 度较 低 , 土 体表面受到压 缩波 和拉应力 作用 , 同时形成 气蚀 , 气蚀 作用 (或称空 化作用 )对 射流 淹没状 态 下提 高打击效 果非常有效 . 因此 , 射流 对土体的破坏 作用是 多方面 的 , 其 过 程也 是 比较复杂的 , 它不 仅与水射流 及 冲蚀 条 件有关 , 而且 与被打击破 坏 土 体的物化性 质有着 密切的关系 . 一凡 一 5 水射流破土方程 5 . 1 土体临 界破坏压 力 由射流 破土 机理 可知 , 在射流打击下 , 土体的 破坏 不仅与射流 参数有关 , 而 且 还 与土 体参数有 关 7[] . 射 流参数 决 定 射流 作用 力的 大小 , 而 土 体 参数决 定土体的物理 力学性 质 . 土体参 数是土 体 本身所 固有的物质属性 , 在 射流 破土 过程 中 , 体现 为一种抵 抗 力 , 并 称之 为土 体临 界 破坏 压 力 . 土 体的临界 破坏 压 力 是 由土 体 本身参数 惟 一 确 定 的 , 只有当射流 的作用 压 力大于 或等于土 体的临 界 破坏 压 力时 , 土 体才会发生破 坏 . 土体临 界破坏 压 力 的确 定 涉 及 到 力学 、 流 体 力学 、 土 力学 等多方面 的知识 , 加之在 射流打击过 程 中不确 定的因 素较 多 , 人 们通 常借助 实 验手 段 进 行研 究 . 本文 采用 杜嘉 鸿等 人的研 究 成果 [ 7〕 , 认为土体在射流作用下 的临 界破坏压 力与土的渗 透性 、 土颗 粒粒 径的大小以 及 土 的密度等参数有 关 , 即 : 丛 y ( 18 ) k F 一 所 式 中 , F c r 为土 体破 坏 面 上 的射 流 临界 压 力 , N ; 月 为修正 系数 , 经 实验测 定 , 尹= 1 . 8 x 1 01 3 ; r f 为土 的抗剪强 度 , k P a ; d 6 。 为土颗 粒 限定 粒径 , m m ; dr 为干 土 重 度 , k N · m 一 3 ; k 为 土 的 渗 透 系数 , m · s 一 ’ ; d 6 0/ k 为土 的抗冲蚀 强度 . 式 ( 18 ) 是 由实 验研 究而 得 到 的经 验公 式 , 只 与土体本身性质有关 . 该 公式 已 经 在注 浆加固工 程 中得到 成功 应用 . 5 . 2 水射流破土方程 在射流打 击下 , 土体发 生破 坏 的必要 条 件是 土体表面 所受的射流作用 力必须 大于 土体的临界
·416· 北京科技大芈学报 2006年第5期 破坏压力.令 参数之间存在的内在联系，进而建立了水射流破 F=Fct (19) 土的理论方程.该方程的建立解决了以往在射流 由此得到： 破土过程中参数选取的随意性或无法确定射流参 oBr) 数的难题，为水射流破土及相关领域的研究提供 (20) 了理论依据. 式中，po为喷嘴出口压力，N·m2;Ro为喷嘴出 口半径，m;x为射流打击射程，m;B。为实验参 参考文献 数. [1]夏柏如，方铭东.一种扩大头型土铺的实验研究.现代地 式(20)即为水射流破土的理论方程.该式建 质，1997,11(1)：91 [2】马飞，张文明，张卫钢，等.水射流技术在多环扩孔中的应 立了射流参数与土体参数之间的联系，当给定土 用及实验研究.金属矿山，2000(7)：3 体参数、喷嘴直径和工作射程，便可求出射流破土 [3]章梓雄，童曾南.粘性流体力学.北京：清华大学出版社， 所需的最小系统压力 1999 为验证射流破土方程的正确性，在室内建立 [4】沈忠厚.水射流理论与技术.东背：石油大学出版社.1998 了模拟实验台，并进行了大量实验，实验结果与理 [S]易灿，李根生，胡永堂.淹没条件下锥形喷嘴射流破岩效率 实验研究.石油钻探技术，2001.29(1)：10 论值基本一致[8]， [6]胡寿根，朱美洲，蒋或澄.淹没水射流冲蚀性能实验研究 6结论 机械工程学报，1997,33(3)：44 [7]李范山，杜嘉鸿，施小博，等，射流破土机理研究及其工程 运用动量定理和伯努利定律，分析了淹没射 应用.流体机械，1997,25(2)：26 流的力学特性，得到了其沿程动压分布规律，并由 [8]马飞，张文明.淹没水射流土层扩孔方程.北京科技大攣学 报.2005,27(3)：265 此推导出射流作用下土体表面的压力分布：探讨 了射流破坏土体的机理，揭示了射流参数与土体 Dynamic property and breaking soil mechanism of water jet MA Fei,SONG Zhihui Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Water jet breaking soil effect is determined by water jet parameters and soil parameters.Wa- ter jet parameters decide the water jet impact force,while soil parameters do the soil critical destructive force.Based on analyzing the dynamic property and breaking soil mechanism of water jet,the internal rela- tionship between water jet parameters and soil parameters was discovered and the theoretical equation of water jet breaking soil was established.This equation solves the problem hard to precisely select parameters during the process of water jet breaking soil. KEY WORDS water jet;dynamic property;breaking mechanism;soil
. 4 16 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0` 年第 s 期 破坏压 力 . 令 凡 = F rc 由此得 到 : , 。 一 , , · , (令) 一 ’ (式) ’ , ; ( 2 0 ) 参数之间存在的内在联系 , 进 而 建立 了水射 流破 土 的理论 方程 . 该方 程 的建立 解决 了以往在 射流 破土过程 中参数选取的随意性或无法确定射流参 数的难题 , 为水射流破 土 及 相关领 域 的研 究提 供 了理论 依据 . 式中 , P 。 为喷嘴出 口 压 力 , N · m 一 2 ; R 。 为喷 嘴出 口 半径 , m ; x 为射流打击 射程 , m ; 尹 s 为实验参 数 . 式 ( 20 )即 为水射流 破土 的理论方 程 . 该式建 立 了射流 参数与土 体参数之 间的联 系 , 当给 定土 体参数 、 喷嘴直径和工 作射程 , 便可求出射流 破土 所需的最小系统压力 . 为验证射流 破土 方 程 的正 确性 , 在室 内建立 了模拟 实验台 , 并进行了大量实验 , 实验结果与理 论值基本一致 8[] . 6 结论 运用动量定理 和 伯努利定律 , 分析 了淹没 射 流 的力学 特性 , 得到 了其沿程 动压 分布规 律 , 并由 此推导 出射流 作用 下土 体表面 的压 力分布 ; 探 讨 了射流破 坏土 体的机理 , 揭 示 了射流 参数与土 体 参 考 文 献 【l] 夏柏如 , 方 铭东 . 一 种 扩大头 型 土锚的 实验研 究 . 现代地 质 , 1 9 9 7 , 1 1 ( 1 ) : 9 1 「2] 马飞 , 张文 明 . 张卫 钢 , 等 . 水射 流技术 在多环扩 孔中 的应 用及实验研究 . 金. 矿山 . 2 0 0 0 ( 7) : 3 t 3〕 章 梓雄 , 董曾南 . 枯性 流体力学 . 北 京 : 清 华大学 出版 社 . 1 9 99 【4] 沈忠厚 . 水射流理论 与技术 . 东营 : 石油大学 出版社 , 19 98 〔5] 易灿 , 李根生 . 胡永堂 . 淹没 条件下锥形喷嘴射流破岩 效率 实验研究 . 石油钻探技术 , 2 0 1 , 2 9( l ) : 10 【6] 胡寿根 , 朱美 洲 , 蒋 或澄 . 淹 没水射流 冲蚀性能 实验研 究 . 机械工程学报 , 19 9 7 , 3 3 ( 3 ) : 4 4 【7] 李范山 , 杜嘉鸿 , 施 小博 . 等 . 射 流破土机 理研究 及其工 程 应用 . 流体机械 , 19 9 7 , 2 5 ( 2 ) : 2 6 【8] 马飞 , 张文明 . 淹没水射流土层扩孔方程 . 北京科技 大学学 报 . 2 0() 5 , 2 7 ( 3 ) : 2 6 5 D y n a m i e p r o p e r t y a n d b r e a k i n g 5 0 11 m e e h a n i s m o f w a t e r j e t M A eF i , S O N G hZ i h u i C i v il an d E n v ior n m e n t a l E昭 i n e e r i吃 cS h cx 〕 1 , U n i v e rs i t y o f 段i e n ce an d T ce h n o 吨y Be ij i飞 , Be ij i呢 10 0 0 8 3 , C h ian A BS T R A C T W a t e r i e t b r e a k i n g 50 11 e f f e e t 1 5 d e t e rm i n e d b y w a t e r i e t p a ar m e t e r s a n d 50 11 p a r a m e t e r s . W a - t e r j e t P a r a m e t e r s d e e id e t h e w a t e r i e t im p a e t of r e e , w h il e 50 11 p a r a m e t e r s d o t h e 50 11 e r i t i e a l d e s t r u e t i v e fo r e e . B a s e d o n a n a l y z i n g t h e d y n a m i 。 p or p e r t y a n d b r e a k i n g 50 11 m e e h a n i s m o f w a t e r i e t , t h e i n t e r n a l r e l a - t i o n s h i p b e t w e e n w a t e r j e t p a r a m e t e r s a n d 50 11 p a r a m e t e r s w a s d i s co v e r e d a n d t h e t h eo er t i e a l e q u a t i o n o f w a t e r j e t b r e a k i n g 50 11 w a s e s t a b li s h e d . T h i s e q u a t i o n so l v e s t h e p or b l e m h a r d t o p r e e i s e l y s e l e e t p a r a m e t e r s d u r i n g t h e p or e e s o f w a t e r j e t b r e a k i n g 50 11 . K E Y WO R D S w a t e r j e t ; d y n a m i e Por P e r t y ; b r e a k i n g m e e h a n i s m : 50 11
