大直徑嵌巖斜樁沖擊鉆頭沖擊齒破巖數(shù)值模擬研究

胡培強，王志明，周伏萍，譚松成*，堯在雨，段隆臣

（1.江西省地質(zhì)工程（集團）公司，江西南昌330029；2.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北武漢430074）

0 引言

隨著我國海域經(jīng)濟的高速發(fā)展，多功能碼頭，跨江、跨海大橋等一系列基礎(chǔ)設(shè)施已成為我國水運交通基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分［1-4］。這些建筑物多采用水上樁基礎(chǔ)，但由于地理位置特殊，對樁基礎(chǔ)的承載能力提出了很高的要求［5-6］。大直徑嵌巖斜樁基礎(chǔ)因為其相比于同尺寸和埋深的直樁有更強的承載力，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用［7-8］。在采用沖擊成孔的方式進行大直徑嵌巖斜樁施工時，沖擊鉆頭的質(zhì)量大小、沖程（沖擊頻率）和樁孔斜度是影響其成孔效率的主要因素。然而，在上述3 個因素已經(jīng)確定的情況下，沖擊鉆頭底部的沖擊齒類型及其排列方式是決定成孔效率的關(guān)鍵因素［9-11］。因此，對大直徑嵌巖斜樁施工用沖擊鉆頭的沖擊齒破巖過程進行研究具有十分重要的意義。

鉆頭沖擊齒在孔底破巖的過程十分復(fù)雜，國內(nèi)外學者做了大量的破巖研究工作［12-14］。在油氣鉆井方面，朱海燕等［15］建立了單個沖擊齒和 12? in（1 in=25.4 mm，下同）全尺寸平底鉆頭與巖石的沖擊動力學模型，并將鉆頭破巖分成了5 個破碎階段；楊迎新等［16］對牙輪鉆頭的牙齒形狀評價技術(shù)以及牙齒優(yōu)選進行了探討。在樁基工程施工方面，彭偉等［17］從碎巖機理出發(fā)，總結(jié)了?800 mm 潛孔錘鉆頭的柱齒選型方法，并提出了2 種鉆頭的設(shè)計方案；趙多蒼等［18］結(jié)合平潭某大橋的樁基施工過程，總結(jié)了? 2.5～3.0 m 的沖擊鉆頭在不同地層沖擊鉆進時宜采用的工藝參數(shù)。沈孝芹等［19］利用有限元軟件對? 2.5 m 的鉆頭沖擊破巖過程進行了模擬，研究了不同巖石、不同沖程下鉆頭的破巖情況。綜上所述，受物理模型試驗條件的限制，目前針對沖擊鉆頭破巖過程的研究仍然是以定性分析和經(jīng)驗總結(jié)為主，但采用數(shù)值模擬技術(shù)對單個沖擊齒、或全尺寸鉆頭進行破巖過程模擬已經(jīng)成了一種發(fā)展趨勢。

對于大直徑嵌巖斜樁沖擊成孔施工而言，不論樁徑如何變化，決定其成孔速度的關(guān)鍵因素始終是沖擊鉆頭底部的沖擊齒類型和排列方式，而樁孔斜度對成孔速度的影響則主要是斜度會影響沖擊鉆頭接觸孔底巖石時的沖擊速度。同時，大直徑嵌巖斜樁施工用的沖擊鉆頭與地質(zhì)勘探和油氣井鉆頭所采用的沖擊齒在類型和尺寸上均存在顯著差異。因此，本文利用數(shù)值模擬技術(shù)對用于大直徑嵌巖斜樁沖擊施工的不同沖擊齒在單、雙齒模式下對不同強度的砂巖進行沖擊破巖過程模擬研究，從而為嵌巖斜樁施工過程中遇到不同強度基巖時的鉆頭沖齒選型和配套工藝參數(shù)優(yōu)選提供依據(jù)。

1 沖擊破巖數(shù)值模型

1.1 沖齒與巖石建模

以溫州港狀元岙港區(qū)化工碼頭項目施工時所采用的沖擊鉆頭（圖1）為基礎(chǔ)［20］，建立沖擊齒破巖模型。該鉆頭的總質(zhì)量為8 t，直徑為1.5 m，采用三角棱柱齒作為破巖單元。

圖1 現(xiàn)場沖擊鉆頭Fig.1 Impact bit

為研究齒形對巖石的沖擊破碎效果，本文選用3 種形狀的沖齒（三角棱柱齒、楔形齒、雙錐形齒），并分別以單齒和雙齒模式對其破巖過程進行模擬。沖齒模型如圖2 所示，齒形底面大小為150 mm×75 mm，高75 mm；對于雙齒，兩齒中心間距為單齒的長度。為對比單、雙齒破巖效果，2 種條件下的巖石模型大小保持一致。

1.2 材料選擇與模擬參數(shù)設(shè)置

本研究采用ANSYS Workbench 中LS-DYNA模塊進行模擬求解。模擬過程中不考慮沖擊齒的破壞，即沖擊齒定義為剛體模型，彈性模量5.88×1010Pa，泊松比0.22；巖石采用軟件集成的砂巖模型。為了研究沖擊齒形對不同強度砂巖的破壞效果，本次實驗選擇以砂巖的最大拉應(yīng)力來判定巖石的破壞，并通過改變砂巖的極限抗拉強度來間接調(diào)整巖石的強度等級。因此，本研究中的模擬變量除了齒形外，還包括砂巖的最大破壞拉應(yīng)力（6、8、10 MPa）和沖程（0.8、1、1.2 m）。

鉆頭在下落至接觸巖石的過程中遵守能量守恒定律。因此，無論是直樁還是斜樁的沖擊成孔過程，從能量轉(zhuǎn)化角度來看都是鉆頭的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。然而，在斜樁施工過程中，鉆頭的一部分勢能在下落過程中被鉆頭與孔壁的摩擦所損耗，造成鉆頭接觸巖石時的最終沖擊速度降低。因此，為提高模擬效率，本文通過理論計算模型（如式（1）所示）獲得樁孔斜度為1/6 時不同沖程條件下的沖擊齒最終速度vd，并以此作為模擬研究的初始變量之一。

圖2 沖擊齒模型Fig.2 Impact tooth model

式中，g——重力加速度，9.81 m/s2；h——沖程，m；ρl——孔內(nèi)液體的密度，kg/m3；ρs——鉆頭鋼體的密度，kg/m3；θ——斜孔與豎直方向的夾角，（°）；μ——鋼護筒與沖錘之間的摩擦系數(shù)，無量綱。

為與實際沖擊鉆進過程保持一致，在對單、雙齒進行模擬設(shè)定時，雙齒的沖擊荷載為單齒時的2倍，且沖擊齒與巖石的接觸關(guān)系設(shè)置為面與面侵蝕接觸。在實際鉆進過程中，由于鉆頭上部結(jié)構(gòu)的影響，沖擊齒自身幾乎無轉(zhuǎn)動，因此在模擬時對沖擊齒施加轉(zhuǎn)動約束。同時，為模擬巖石在地下半無限體狀態(tài)，設(shè)置巖石模型側(cè)面和底面為無反射邊界，這樣在沖擊過程中產(chǎn)生的能量波在到達界面時便不會產(chǎn)生反射波，很好地模擬了實際情況。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單齒沖擊砂巖過程

如圖3 所示為不同沖程和砂巖強度條件下，不同類型的單個沖擊齒破巖情況。由圖3 可知，在入巖深度上，雙錐形齒＞三角棱柱齒＞楔形齒。3 種沖擊齒在沖擊巖石時，其入巖深度隨砂巖強度增大而減少，但減少的程度非常小，反之亦然。一定程度上，這是因為在定義巖石時所選擇的模型沒有改變，而只是通過改變巖石極限抗拉強度所致。同時，因為大直徑嵌巖斜樁施工時鉆遇的巖層多為風化后的基巖，因此本研究中所取的巖石強度等級范圍都相對較低。

由圖3 可知，相同條件下的雙錐形齒破巖深度顯著大于其他2 種齒形。然而，本研究中雙錐形齒的入巖深度大并不代表其破碎效果好，因為大直徑?jīng)_擊鉆頭的沖擊齒破巖效果與其入巖深度并不線性相關(guān)。圖4 為單個沖擊齒在不同沖程條件下對不同強度砂巖的體積破碎百分數(shù)。圖3 中雙錐形齒入巖深度最大，但圖4（a）中相對楔形齒和三棱柱齒其總破碎巖石體積較小，而楔形齒入巖深度小，但其破巖體積較大?？傮w而言，隨著沖程的增加，三棱柱齒與楔形齒的破巖體積都增大，而雙錐形齒的破巖效果提升不明顯。

砂巖拉伸破壞強度為6 MPa 時，3 種沖程條件下單個沖擊齒對砂巖的破壞體積均為楔形齒＞三角棱柱齒＞雙錐形齒，且當沖程由0.8 m 提升到1 m時，三棱柱齒與楔形齒的提升效果明顯。砂巖拉伸破壞強度為8 MPa，且沖程＜1 m 時，單個雙錐形齒對砂巖的破壞體積最大，三角棱柱齒次之，楔形齒的破壞體積最小，而沖程＞1 m 時，楔形齒的破壞效果更好。在砂巖拉伸破壞強度為10 MPa 時，楔形齒的破壞體積最小，三角棱柱齒的破巖效果與沖程密切相關(guān)，雙錐型齒的破巖效果大于楔形齒，但受沖程的影響不明顯。

圖3 單個沖擊齒的沖擊入巖深度Fig.3 Rock penetration depth of single impact tooth

圖4 單齒沖擊不同強度砂巖時的巖石體積破碎百分數(shù)Fig.4 Volume fraction of sandstone with different tensile strength by single impact tooth

圖5 為相同條件下3 種單齒沖擊巖石過程中，某一時刻的巖石表面應(yīng)力分布圖。對于3 種齒形來說，在沖擊荷載相同的條件下，楔形齒的作用范圍最廣，三角棱柱齒次之，雙錐形齒的影響范圍最小。在低強度巖石破碎中（拉伸破壞強度為6 MPa），楔形齒具有更好的破巖效果；當巖石強度較高時，即拉伸破壞強度為10 MPa 時，當沖程＞1 m 時，三角棱柱齒有著好的破巖效果，增大沖程也是一種提高破巖效率的方法。

圖5 單齒沖擊后巖石表面應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution on rock surface after single tooth impact

2.2 雙排齒沖擊砂巖過程

在雙排齒的沖擊破巖過程中，如圖6 所示，不同沖程和砂巖條件下入巖深度均為雙錐形齒＞三角棱柱齒＞楔形齒。其整體趨勢與單齒相似，但深度略低于單齒沖擊。

圖6 雙排齒沖擊入巖深度Fig.6 Rock penetration depth of double impact teeth

圖7 所示為雙排齒沖擊不同抗拉強度砂巖時的巖石破碎體積百分數(shù)。由圖7 可以看出，在3 種條件下，楔形齒的破巖體積均為最高。此外，對比雙齒與單齒沖擊破巖效果可知，在砂巖抗拉強度較低（6 MPa）時，其破壞效果的提升不僅僅是“2”倍的關(guān)系，此現(xiàn)象在楔形齒中尤為明顯。

圖7 雙排齒沖擊不同強度砂巖時的巖石體積破碎百分數(shù)Fig.7 Volume fraction of sandstone with different tensile strength under double impact teeth

在砂巖抗拉強度為6 MPa 時，3 種沖程條件下的砂巖破壞體積分別為楔形齒＞三角棱柱齒＞雙錐形齒。隨著沖程增加，雙錐形齒破壞體積變化很小，三棱柱齒破壞體積略微增加，而楔形齒的破壞體積明顯增大；在砂巖拉伸破壞強度為8 MPa 時，楔形齒有著高的破壞體積，三棱柱齒與雙錐形齒破壞體積變化較?。辉谏皫r拉伸破壞強度為10 MPa時，楔形齒依舊有著良好的破巖效果，而三角棱柱齒與雙錐形齒的破壞效果則與沖程相關(guān)。

圖8 為同一條件下3 種雙排齒沖擊巖石時，某一時刻的巖石表面應(yīng)力云圖。圖8 表明，楔形齒的兩齒間產(chǎn)生了明顯的裂紋，導(dǎo)致其破巖效果大幅度提升，從而優(yōu)于其他2 種齒型。

2.3 沖擊齒齒形與地層和沖擊參數(shù)的匹配

在沖擊鉆進過程中，沖程是影響沖擊成孔效率的主要因素之一。沖程越大，沖擊鉆頭的勢能越大，在沖擊巖石的瞬間所獲得初始動能也越大，即沖擊功越大。相應(yīng)地，破碎巖石的效果則會越好。對于3 種齒形，不論單齒還是雙排齒作用模式，在沖擊相同強度的砂巖石時，沖擊齒的入巖深度均會隨著沖程的增加而增大，總破巖體積也會相應(yīng)增大。理論上而言，在沖擊齒不破壞的情況下，沖程越大破巖效果越好。但實際施工中，沖擊頻率與沖擊高度會相互制約，沖程的增加會導(dǎo)致沖擊頻率降低，反之亦然。此外，不同齒形針對每種強度的巖石均會有各自的臨界沖程。因此，沖擊齒的選擇脫離不了地層因素與鉆進參數(shù)。例如，采用單齒在沖程為0.8 m 時沖擊低強度砂巖（6 MPa），則楔形齒的破碎效果最優(yōu)，而在沖擊較高強度（8 MPa）巖石時三角棱柱齒與錐形齒的破碎效果明顯優(yōu)于楔形齒；但同時，在砂巖抗拉強度為8 MPa 時，隨著沖程的增大，楔形齒的破碎效果提升程度會大于其他2 種齒。此外，雙排齒在本研究所采用的參數(shù)條件下，楔形齒的破巖效果最優(yōu)。

圖8 雙排齒沖擊后巖石表面應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution on rock surface after double tooth impact

3 結(jié)論

利用有限元方法對大直徑斜樁沖擊鉆頭沖擊齒破巖過程進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：

（1）單次沖擊過程中，3 種沖擊齒的入巖深度依次是雙錐形齒＞三角棱柱齒＞楔形齒。隨著沖程的增加，入巖深度增加，巖石破碎體積也增加。

（2）在破碎低強度巖石時，可優(yōu)先選擇楔形齒，其次是三角棱柱齒，最后是雙錐形齒。

（3）在破碎高強度巖石時，在沖程受到一定限制時可優(yōu)先采用三角棱柱齒；或者采用楔形齒并相應(yīng)地提高其沖程。

（4）在大沖程施工中，楔形齒的組合有著較好的破巖效果，高進尺的雙錐形齒與高破碎效果的楔形齒組合可能會產(chǎn)生更好的破碎效果。