水射流輔助沉樁教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置及應(yīng)用

朱麗紅， 鄒德永， 陳新勇， 王京印

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300000)

0 引 言

隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，在冰凍地層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)和建造石油平臺(tái)樁基已成為海洋工程中一個(gè)重大的科技挑戰(zhàn)[1-4]。在樁基工程建設(shè)中，冰凍、鈣質(zhì)砂等復(fù)雜地層出現(xiàn)頻率和沉樁難度隨著水深的增加呈指數(shù)形式增加，探尋高效穩(wěn)定的沉樁方法是亟待解決的難題之一[5-6]。國(guó)內(nèi)外各油田在海洋石油平臺(tái)樁基建設(shè)中普遍存在冰凍、鈣質(zhì)砂等復(fù)雜地層難于沉樁，土塞效應(yīng)導(dǎo)致沉樁阻力增大等問(wèn)題，樁基建設(shè)周期延長(zhǎng)、施工成本增加，制約著勘探開(kāi)發(fā)的整體效益，因此研究海洋石油平臺(tái)復(fù)雜地層高效沉樁新方法勢(shì)在必行[7-10]。實(shí)踐表明，在不增加地面沉樁機(jī)械能力的前提下，探尋其他輔助沉樁技術(shù)，是當(dāng)前提高海洋平臺(tái)復(fù)雜地層樁基建設(shè)最可行的途徑之一[11-15]。高壓水射流技術(shù)已成功應(yīng)用于切割、清洗、鉆井、破碎、研磨等作業(yè)。隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，水射流技術(shù)在海洋石油工業(yè)中展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。

水射流輔助沉樁技術(shù)是在樁基動(dòng)力沉樁施工過(guò)程中，利用水射流消除樁體內(nèi)部土塞，降低沉樁摩擦阻力，擾動(dòng)樁端土體，降低地層強(qiáng)度。采用高壓水射流輔助沉樁是合理利用水力能量，提高樁基建設(shè)速度的重要方式?；谏淞鬏o助沉樁教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行有射流和無(wú)射流條件下沉樁效率測(cè)試，表明用水射流技術(shù)輔助沉樁，可顯著提高沉樁效率。證明該教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置可用于水射流輔助沉樁實(shí)踐教學(xué)研究。

1 教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置

水射流輔助動(dòng)力沉樁技術(shù)是一種輔助樁穿越冰凍、鈣質(zhì)砂等復(fù)雜地層，有效處理土塞問(wèn)題使樁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)貫入深度的輔助沉樁方法，如圖1所示，其可行性還有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是射流對(duì)土塞的破壞，而增大射流流量和射流壓力可提高水射流破土能力。因此擬通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)改變射流流量和壓力，分析水射流輔助沉樁技術(shù)的可行性。研制的水射流輔助沉樁教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括高壓水泵、泥漿泵(根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件)、試驗(yàn)箱、高壓膠管、導(dǎo)向架、龍門架、重錘、樁頭保護(hù)器、半膜樁、全樁、經(jīng)緯儀、繩索、大頭釘、卷尺、泡沫、塑料薄膜、彈性棉土工織布等。

導(dǎo)向架用于沉樁過(guò)程中，扶正樁體，如圖3所示。導(dǎo)向架分為全樁導(dǎo)向和半樁導(dǎo)向。全樁導(dǎo)向時(shí)，導(dǎo)向架固定于試驗(yàn)箱中央，樁體從導(dǎo)向架中心方形框穿；半樁導(dǎo)向時(shí)，導(dǎo)向架固定于觀察窗一側(cè)，樁體從導(dǎo)向架凸出角鋼的位置穿過(guò)。保護(hù)器分為三層結(jié)構(gòu), 如圖4所示：底層用于保護(hù)器與樁體的固定，采用螺栓夾住樁頭；中間層設(shè)置兩個(gè)圓孔，用于引入進(jìn)水管和排水管；上層設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)向軸，用于重錘自由落體時(shí)的導(dǎo)向。樁頭保護(hù)器主要功能：保護(hù)樁頭、引入進(jìn)水管和排水管、為重錘導(dǎo)向。如圖5所示，重錘由一定厚度鐵板疊焊，根據(jù)單次落錘深度確定重錘的重量。

圖1 水射流輔助沉樁方法

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 導(dǎo)向架

圖4 樁頭保護(hù)器

圖5 重錘

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

射流輔助沉樁教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。采用砂、土混合方式模擬實(shí)驗(yàn)地層，設(shè)定砂、土比例為3∶2并均勻混合。向模擬用試驗(yàn)箱內(nèi)填充混合物，控制每次夯實(shí)力度，保持一致，每填0.1 m厚度后運(yùn)用重量3 kg的木棒均勻夯實(shí)兩遍，直到實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)填土達(dá)到設(shè)定地層高度1.3 m。為使模擬地層在自重下固結(jié)，靜置48 h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模擬樁分為?0.011 4 m半模擬樁(半圓形)和?0.011 4 m全樁(圓形)兩種，樁長(zhǎng)0.12 m。采用10 kg重錘進(jìn)行錘擊，裝上導(dǎo)向架后，把10 kg重模擬鋼管裝入導(dǎo)向架內(nèi)。利用重錘自由落體產(chǎn)生的沖擊能力沉樁，單次錘擊時(shí)間2 s。然后裝上樁頭保護(hù)器，利用樁頭保護(hù)器上設(shè)有的導(dǎo)向桿導(dǎo)向，重錘提升高度0.035 m，利用滑輪提拉開(kāi)展模型實(shí)驗(yàn)。

圖6 教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

沒(méi)有射流輔助條件下利用重錘錘擊沖擊力沉樁0.035 m，再利用水射流對(duì)樁內(nèi)土塞進(jìn)行邊破壞邊沉樁。將水射流噴頭下入樁體內(nèi)，噴頭下入指定位置后，打開(kāi)高壓水泵，待樁體內(nèi)泥漿返出后，再沉樁。改變射流壓力和射流排量，模擬樁體每進(jìn)尺0.015 m記錄一次沉樁需要的錘擊數(shù)。當(dāng)樁體到達(dá)0.095 m后，將水射流噴頭提出樁體。不同射流壓力下沉樁錘擊數(shù)見(jiàn)表1。不同射流流量下輔助沉樁所需錘擊數(shù)如表2所示。

表1 不同射流壓力下錘擊數(shù)

表2 不同射流流量錘擊數(shù)

由表1、2知，無(wú)射流輔助沉樁0.06 m(從0.035～0.095 m)需要錘擊數(shù)為263次，有射流輔助沉樁條件下，當(dāng)射流壓力為0.02 MPa時(shí)，需要186次錘擊完成沉樁，當(dāng)射流壓力為0.57 MPa時(shí)，需要113次錘擊完成沉樁，兩者相差73次。當(dāng)射流流量為25 L/min時(shí)需要錘擊數(shù)為199次，而流量30 L/min時(shí)需要錘擊數(shù)為113次，兩者相差86次?？梢?jiàn)有水射流輔助沉樁的沉樁效率比無(wú)射流輔助沉樁的沉樁效率高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在模擬地層、樁徑、噴頭等相同條件下，增大射流壓力和流量沉樁所需錘擊數(shù)較少，進(jìn)而說(shuō)明，該教學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置可用于水射流輔助沉樁技術(shù)研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水射流輔助沉樁技術(shù)設(shè)想，研制了射流輔助沉樁教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)知，水射流輔助動(dòng)力沉樁條件下沉樁效率比無(wú)射流沉樁時(shí)顯著提高，且隨著射流壓力和射流流量的增大，沉樁效率均增加。為開(kāi)展水射流輔助沉樁實(shí)踐教學(xué)研究提供了重要依據(jù)。

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