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