胡培強(qiáng)，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(tuán)）公司，江西南昌330029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074）

0 引言

隨著我國(guó)海域經(jīng)濟(jì)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(guó)水運(yùn)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(duì)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?yàn)槠湎啾扔谕叽绾吐裆畹闹睒队懈鼜?qiáng)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(jìn)行大直徑嵌巖斜樁施工時(shí)，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(gè)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(duì)大直徑嵌巖斜樁施工用沖擊鉆頭的沖擊齒破巖過(guò)程進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

鉆頭沖擊齒在孔底破巖的過(guò)程十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(gè)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(dòng)力學(xué)模型，并將鉆頭破巖分成了5 個(gè)破碎階段；楊迎新等［16］對(duì)牙輪鉆頭的牙齒形狀評(píng)價(jià)技術(shù)以及牙齒優(yōu)選進(jìn)行了探討。在樁基工程施工方面，彭偉等［17］從碎巖機(jī)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(jì)方案；趙多蒼等［18］結(jié)合平潭某大橋的樁基施工過(guò)程，總結(jié)了? 2.5～3.0 m 的沖擊鉆頭在不同地層沖擊鉆進(jìn)時(shí)宜采用的工藝參數(shù)。沈孝芹等［19］利用有限元軟件對(duì)? 2.5 m 的鉆頭沖擊破巖過(guò)程進(jìn)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(yàn)條件的限制，目前針對(duì)沖擊鉆頭破巖過(guò)程的研究仍然是以定性分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為主，但采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)單個(gè)沖擊齒、或全尺寸鉆頭進(jìn)行破巖過(guò)程模擬已經(jīng)成了一種發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)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(duì)成孔速度的影響則主要是斜度會(huì)影響沖擊鉆頭接觸孔底巖石時(shí)的沖擊速度。同時(shí)，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(duì)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(duì)不同強(qiáng)度的砂巖進(jìn)行沖擊破巖過(guò)程模擬研究，從而為嵌巖斜樁施工過(guò)程中遇到不同強(qiáng)度基巖時(shí)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(xiàng)目施工時(shí)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(chǎng)沖擊鉆頭Fig.1 Impact bit

為研究齒形對(duì)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(duì)其破巖過(guò)程進(jìn)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(duì)于雙齒，兩齒中心間距為單齒的長(zhǎng)度。為對(duì)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(jìn)行模擬求解。模擬過(guò)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(duì)不同強(qiáng)度砂巖的破壞效果，本次實(shí)驗(yàn)選擇以砂巖的最大拉應(yīng)力來(lái)判定巖石的破壞，并通過(guò)改變砂巖的極限抗拉強(qiáng)度來(lái)間接調(diào)整巖石的強(qiáng)度等級(jí)。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(guò)程中遵守能量守恒定律。因此，無(wú)論是直樁還是斜樁的沖擊成孔過(guò)程，從能量轉(zhuǎn)化角度來(lái)看都是鉆頭的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。然而，在斜樁施工過(guò)程中，鉆頭的一部分勢(shì)能在下落過(guò)程中被鉆頭與孔壁的摩擦所損耗，造成鉆頭接觸巖石時(shí)的最終沖擊速度降低。因此，為提高模擬效率，本文通過(guò)理論計(jì)算模型（如式（1）所示）獲得樁孔斜度為1/6 時(shí)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(hù)筒與沖錘之間的摩擦系數(shù)，無(wú)量綱。

為與實(shí)際沖擊鉆進(jìn)過(guò)程保持一致，在對(duì)單、雙齒進(jìn)行模擬設(shè)定時(shí)，雙齒的沖擊荷載為單齒時(shí)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(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆頭上部結(jié)構(gòu)的影響，沖擊齒自身幾乎無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在模擬時(shí)對(duì)沖擊齒施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束。同時(shí)，為模擬巖石在地下半無(wú)限體狀態(tài)，設(shè)置巖石模型側(cè)面和底面為無(wú)反射邊界，這樣在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的能量波在到達(dá)界面時(shí)便不會(huì)產(chǎn)生反射波，很好地模擬了實(shí)際情況。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單齒沖擊砂巖過(guò)程

如圖3 所示為不同沖程和砂巖強(qiáng)度條件下，不同類型的單個(gè)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(shí)，其入巖深度隨砂巖強(qiáng)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?yàn)樵诙x巖石時(shí)所選擇的模型沒(méi)有改變，而只是通過(guò)改變巖石極限抗拉強(qiáng)度所致。同時(shí)，因?yàn)榇笾睆角稁r斜樁施工時(shí)鉆遇的巖層多為風(fēng)化后的基巖，因此本研究中所取的巖石強(qiáng)度等級(jí)范圍都相對(duì)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?yàn)榇笾睆經(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(gè)沖擊齒在不同沖程條件下對(duì)不同強(qiáng)度砂巖的體積破碎百分?jǐn)?shù)。圖3 中雙錐形齒入巖深度最大，但圖4（a）中相對(duì)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(qiáng)度為6 MPa 時(shí)，3 種沖程條件下單個(gè)沖擊齒對(duì)砂巖的破壞體積均為楔形齒＞三角棱柱齒＞雙錐形齒，且當(dāng)沖程由0.8 m 提升到1 m時(shí)，三棱柱齒與楔形齒的提升效果明顯。砂巖拉伸破壞強(qiáng)度為8 MPa，且沖程＜1 m 時(shí)，單個(gè)雙錐形齒對(duì)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(shí)，楔形齒的破壞效果更好。在砂巖拉伸破壞強(qiáng)度為10 MPa 時(shí)，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(gè)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(qiáng)度砂巖時(shí)的巖石體積破碎百分?jǐn)?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(guò)程中，某一時(shí)刻的巖石表面應(yīng)力分布圖。對(duì)于3 種齒形來(lái)說(shuō)，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(qiáng)度巖石破碎中（拉伸破壞強(qiáng)度為6 MPa），楔形齒具有更好的破巖效果；當(dāng)巖石強(qiáng)度較高時(shí)，即拉伸破壞強(qiáng)度為10 MPa 時(shí)，當(dāng)沖程＞1 m 時(shí)，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(guò)程

在雙排齒的沖擊破巖過(guò)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(shì)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(qiáng)度砂巖時(shí)的巖石破碎體積百分?jǐn)?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(duì)比雙齒與單齒沖擊破巖效果可知，在砂巖抗拉強(qiáng)度較低（6 MPa）時(shí)，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(qiáng)度砂巖時(shí)的巖石體積破碎百分?jǐn)?shù)Fig.7 Volume fraction of sandstone with different tensile strength under double impact teeth

在砂巖抗拉強(qiáng)度為6 MPa 時(shí)，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(qiáng)度為8 MPa 時(shí)，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??；在砂巖拉伸破壞強(qiáng)度為10 MPa時(shí)，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(shí)，某一時(shí)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(jìn)過(guò)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(shì)能越大，在沖擊巖石的瞬間所獲得初始動(dòng)能也越大，即沖擊功越大。相應(yīng)地，破碎巖石的效果則會(huì)越好。對(duì)于3 種齒形，不論單齒還是雙排齒作用模式，在沖擊相同強(qiáng)度的砂巖石時(shí)，沖擊齒的入巖深度均會(huì)隨著沖程的增加而增大，總破巖體積也會(huì)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(shí)際施工中，沖擊頻率與沖擊高度會(huì)相互制約，沖程的增加會(huì)導(dǎo)致沖擊頻率降低，反之亦然。此外，不同齒形針對(duì)每種強(qiáng)度的巖石均會(huì)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(jìn)參數(shù)。例如，采用單齒在沖程為0.8 m 時(shí)沖擊低強(qiáng)度砂巖（6 MPa），則楔形齒的破碎效果最優(yōu)，而在沖擊較高強(qiáng)度（8 MPa）巖石時(shí)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(shí)，在砂巖抗拉強(qiáng)度為8 MPa 時(shí)，隨著沖程的增大，楔形齒的破碎效果提升程度會(huì)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(duì)大直徑斜樁沖擊鉆頭沖擊齒破巖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：

（1）單次沖擊過(guò)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(qiáng)度巖石時(shí)，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(qiáng)度巖石時(shí)，在沖程受到一定限制時(shí)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(jìn)尺的雙錐形齒與高破碎效果的楔形齒組合可能會(huì)產(chǎn)生更好的破碎效果。