試驗所用砂巖取自重慶某開挖隧道，埋深50m，地層年代為三疊系上統須家河組，屬陸相細粒沉積巖，具有良好的橫觀各向同性，根據砂巖的顏色差異，選取砂粒粒度較為均勻的黃沙巖作為本次試驗的研究對象，通過MTS815測試獲得其單軸抗壓強度σc=68MPa。抗拉強度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，并用砂紙對實踐表面進行打磨，保證試樣端面平整度，并將加工好的試件放置在105℃的恒溫箱內烘干48h。

試驗設備與步驟

      試驗是在由OMAX公司研發生產的2626型高精度射流自動數控切割機上完成的，噴嘴內徑ф2mm，試驗裝置如圖3所示，設置沖擊靶距為3mm，沖擊時間為15s，研究非淹沒條件下高壓水射流沖蝕破巖的效果。針對射流壓力的選取，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的試驗組數，綜合考慮以上2各因素，并基于A.W.Momber對砂巖臨界損傷速度的研究，選取12,50,100,150,200,250和300MP作為試驗射流壓力，通過換算可得其對應的射流速度依次為157,316,447,547,632,707和774m/s。為了獲取準確、穩定的射流速度消除射流泵啟動過程的影響，試驗前先將一塊剛止擋板遮擋于噴嘴與巖樣之間，待射流穩定至試驗所需速度后再迅速打開擋板，沖蝕15s以后迅速打開擋板，同時立即關掉射流泵。

不同射流速度下砂巖的破碎模式

      大量沖擊試驗表明，隨著沖擊速度的增加砂巖依次出現破碎坑、橫向環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，表面無裂紋。經316m/s的水射流（水錘壓力=661MPa,滯止壓力=50MPa）沖蝕后，砂巖上端面出現沖蝕破碎坑，測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，這與李根生等通過試驗獲得的規律基本一致。同時在沖擊端面產生直徑為15mm的環形裂紋，導致沖擊中心巖石呈片狀剝落。經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生破碎坑和環形裂紋外，還在巖石內部產生多條貫通的橫向環形裂紋，并導致砂巖出現體積破碎。經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出近似劈裂的破壞模式，且裂紋數量較少。

      根據沖擊試驗后砂巖的宏觀破碎規律，選取射流速度632m/s進行數值模擬。在射流沖擊作用下，最大有效應力產生在沖擊中心區域，在該壓應力作用下，沖擊中心首先產生剪切破壞，形成沖擊破碎坑，水射流沖擊巖石，有效應力以應力波的形式向巖石內部傳播，當應力波傳播至巖石邊界后發生發射，在巖石內部形成發射拉伸波，當射流速度632m/s時，首先在巖石內部收到拉伸應力的區域形成拉伸紋，根據模擬結果，巖石內部產生了2類拉伸橫向裂紋；拉伸裂紋Ⅰ是由邊界產生不并向內部擴展，拉伸裂紋Ⅱ產生于巖石內部并向自由面擴展。水射流沖擊巖石將產生巨大的水錘壓力，即使當水射流速度為157m/s時都能產生279MPa的水錘壓力，約為所選砂巖單軸抗壓強度(68MPa)de 4倍，當水射流速度為774m/s時，可產生大約34倍砂巖單軸抗壓強度的水錘壓力。分析認為，水錘壓力導致沖擊中心出現剪切破壞，破碎的巖塊被水流沖走后形成破碎坑，由于水錘壓力持續時間較短，破碎坑不能繼續向巖石內部擴展。沖擊波誘發的瑞利表面波導致砂巖表面產生拉伸應力，促使砂巖端面出現環形裂紋。沖擊波誘發的體波（包括縱波和橫波）在演示界面反射并在內部相互干渉，產生加強的徑向拉伸應力，導致巖石產生橫向裂紋。