大直径嵌岩斜桩冲击钻头冲击齿破岩数值模拟研究

胡培强，王志明，周伏萍，谭松成*，尧在雨，段隆臣

（1.江西省地质工程（集团）公司，江西南昌330029；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074）

0 引言

随着我国海域经济的高速发展，多功能码头，跨江、跨海大桥等一系列基础设施已成为我国水运交通基础建设的重要组成部分［1-4］。这些建筑物多采用水上桩基础，但由于地理位置特殊，对桩基础的承载能力提出了很高的要求［5-6］。大直径嵌岩斜桩基础因为其相比于同尺寸和埋深的直桩有更强的承载力，在工程中得到了广泛的应用［7-8］。在采用冲击成孔的方式进行大直径嵌岩斜桩施工时，冲击钻头的质量大小、冲程（冲击频率）和桩孔斜度是影响其成孔效率的主要因素。然而，在上述3 个因素已经确定的情况下，冲击钻头底部的冲击齿类型及其排列方式是决定成孔效率的关键因素［9-11］。因此，对大直径嵌岩斜桩施工用冲击钻头的冲击齿破岩过程进行研究具有十分重要的意义。

钻头冲击齿在孔底破岩的过程十分复杂，国内外学者做了大量的破岩研究工作［12-14］。在油气钻井方面，朱海燕等［15］建立了单个冲击齿和 12¼ in（1 in=25.4 mm，下同）全尺寸平底钻头与岩石的冲击动力学模型，并将钻头破岩分成了5 个破碎阶段；杨迎新等［16］对牙轮钻头的牙齿形状评价技术以及牙齿优选进行了探讨。在桩基工程施工方面，彭伟等［17］从碎岩机理出发，总结了Ø800 mm 潜孔锤钻头的柱齿选型方法，并提出了2 种钻头的设计方案；赵多苍等［18］结合平潭某大桥的桩基施工过程，总结了Ø 2.5～3.0 m 的冲击钻头在不同地层冲击钻进时宜采用的工艺参数。沈孝芹等［19］利用有限元软件对Ø 2.5 m 的钻头冲击破岩过程进行了模拟，研究了不同岩石、不同冲程下钻头的破岩情况。综上所述，受物理模型试验条件的限制，目前针对冲击钻头破岩过程的研究仍然是以定性分析和经验总结为主，但采用数值模拟技术对单个冲击齿、或全尺寸钻头进行破岩过程模拟已经成了一种发展趋势。

对于大直径嵌岩斜桩冲击成孔施工而言，不论桩径如何变化，决定其成孔速度的关键因素始终是冲击钻头底部的冲击齿类型和排列方式，而桩孔斜度对成孔速度的影响则主要是斜度会影响冲击钻头接触孔底岩石时的冲击速度。同时，大直径嵌岩斜桩施工用的冲击钻头与地质勘探和油气井钻头所采用的冲击齿在类型和尺寸上均存在显著差异。因此，本文利用数值模拟技术对用于大直径嵌岩斜桩冲击施工的不同冲击齿在单、双齿模式下对不同强度的砂岩进行冲击破岩过程模拟研究，从而为嵌岩斜桩施工过程中遇到不同强度基岩时的钻头冲齿选型和配套工艺参数优选提供依据。

1 冲击破岩数值模型

1.1 冲齿与岩石建模

以温州港状元岙港区化工码头项目施工时所采用的冲击钻头（图1）为基础［20］，建立冲击齿破岩模型。该钻头的总质量为8 t，直径为1.5 m，采用三角棱柱齿作为破岩单元。

图1 现场冲击钻头Fig.1 Impact bit

为研究齿形对岩石的冲击破碎效果，本文选用3 种形状的冲齿（三角棱柱齿、楔形齿、双锥形齿），并分别以单齿和双齿模式对其破岩过程进行模拟。冲齿模型如图2 所示，齿形底面大小为150 mm×75 mm，高75 mm；对于双齿，两齿中心间距为单齿的长度。为对比单、双齿破岩效果，2 种条件下的岩石模型大小保持一致。

1.2 材料选择与模拟参数设置

本研究采用ANSYS Workbench 中LS-DYNA模块进行模拟求解。模拟过程中不考虑冲击齿的破坏，即冲击齿定义为刚体模型，弹性模量5.88×1010Pa，泊松比0.22；岩石采用软件集成的砂岩模型。为了研究冲击齿形对不同强度砂岩的破坏效果，本次实验选择以砂岩的最大拉应力来判定岩石的破坏，并通过改变砂岩的极限抗拉强度来间接调整岩石的强度等级。因此，本研究中的模拟变量除了齿形外，还包括砂岩的最大破坏拉应力（6、8、10 MPa）和冲程（0.8、1、1.2 m）。

钻头在下落至接触岩石的过程中遵守能量守恒定律。因此，无论是直桩还是斜桩的冲击成孔过程，从能量转化角度来看都是钻头的重力势能转化为动能的过程。然而，在斜桩施工过程中，钻头的一部分势能在下落过程中被钻头与孔壁的摩擦所损耗，造成钻头接触岩石时的最终冲击速度降低。因此，为提高模拟效率，本文通过理论计算模型（如式（1）所示）获得桩孔斜度为1/6 时不同冲程条件下的冲击齿最终速度vd，并以此作为模拟研究的初始变量之一。

图2 冲击齿模型Fig.2 Impact tooth model

式中，g——重力加速度，9.81 m/s2；h——冲程，m；ρl——孔内液体的密度，kg/m3；ρs——钻头钢体的密度，kg/m3；θ——斜孔与竖直方向的夹角，（°）；μ——钢护筒与冲锤之间的摩擦系数，无量纲。

为与实际冲击钻进过程保持一致，在对单、双齿进行模拟设定时，双齿的冲击荷载为单齿时的2倍，且冲击齿与岩石的接触关系设置为面与面侵蚀接触。在实际钻进过程中，由于钻头上部结构的影响，冲击齿自身几乎无转动，因此在模拟时对冲击齿施加转动约束。同时，为模拟岩石在地下半无限体状态，设置岩石模型侧面和底面为无反射边界，这样在冲击过程中产生的能量波在到达界面时便不会产生反射波，很好地模拟了实际情况。

2 模拟结果与分析

2.1 单齿冲击砂岩过程

如图3 所示为不同冲程和砂岩强度条件下，不同类型的单个冲击齿破岩情况。由图3 可知，在入岩深度上，双锥形齿＞三角棱柱齿＞楔形齿。3 种冲击齿在冲击岩石时，其入岩深度随砂岩强度增大而减少，但减少的程度非常小，反之亦然。一定程度上，这是因为在定义岩石时所选择的模型没有改变，而只是通过改变岩石极限抗拉强度所致。同时，因为大直径嵌岩斜桩施工时钻遇的岩层多为风化后的基岩，因此本研究中所取的岩石强度等级范围都相对较低。

由图3 可知，相同条件下的双锥形齿破岩深度显著大于其他2 种齿形。然而，本研究中双锥形齿的入岩深度大并不代表其破碎效果好，因为大直径冲击钻头的冲击齿破岩效果与其入岩深度并不线性相关。图4 为单个冲击齿在不同冲程条件下对不同强度砂岩的体积破碎百分数。图3 中双锥形齿入岩深度最大，但图4（a）中相对楔形齿和三棱柱齿其总破碎岩石体积较小，而楔形齿入岩深度小，但其破岩体积较大。总体而言，随着冲程的增加，三棱柱齿与楔形齿的破岩体积都增大，而双锥形齿的破岩效果提升不明显。

砂岩拉伸破坏强度为6 MPa 时，3 种冲程条件下单个冲击齿对砂岩的破坏体积均为楔形齿＞三角棱柱齿＞双锥形齿，且当冲程由0.8 m 提升到1 m时，三棱柱齿与楔形齿的提升效果明显。砂岩拉伸破坏强度为8 MPa，且冲程＜1 m 时，单个双锥形齿对砂岩的破坏体积最大，三角棱柱齿次之，楔形齿的破坏体积最小，而冲程＞1 m 时，楔形齿的破坏效果更好。在砂岩拉伸破坏强度为10 MPa 时，楔形齿的破坏体积最小，三角棱柱齿的破岩效果与冲程密切相关，双锥型齿的破岩效果大于楔形齿，但受冲程的影响不明显。

图3 单个冲击齿的冲击入岩深度Fig.3 Rock penetration depth of single impact tooth

图4 单齿冲击不同强度砂岩时的岩石体积破碎百分数Fig.4 Volume fraction of sandstone with different tensile strength by single impact tooth

图5 为相同条件下3 种单齿冲击岩石过程中，某一时刻的岩石表面应力分布图。对于3 种齿形来说，在冲击荷载相同的条件下，楔形齿的作用范围最广，三角棱柱齿次之，双锥形齿的影响范围最小。在低强度岩石破碎中（拉伸破坏强度为6 MPa），楔形齿具有更好的破岩效果；当岩石强度较高时，即拉伸破坏强度为10 MPa 时，当冲程＞1 m 时，三角棱柱齿有着好的破岩效果，增大冲程也是一种提高破岩效率的方法。

图5 单齿冲击后岩石表面应力分布Fig.5 Stress distribution on rock surface after single tooth impact

2.2 双排齿冲击砂岩过程

在双排齿的冲击破岩过程中，如图6 所示，不同冲程和砂岩条件下入岩深度均为双锥形齿＞三角棱柱齿＞楔形齿。其整体趋势与单齿相似，但深度略低于单齿冲击。

图6 双排齿冲击入岩深度Fig.6 Rock penetration depth of double impact teeth

图7 所示为双排齿冲击不同抗拉强度砂岩时的岩石破碎体积百分数。由图7 可以看出，在3 种条件下，楔形齿的破岩体积均为最高。此外，对比双齿与单齿冲击破岩效果可知，在砂岩抗拉强度较低（6 MPa）时，其破坏效果的提升不仅仅是“2”倍的关系，此现象在楔形齿中尤为明显。

图7 双排齿冲击不同强度砂岩时的岩石体积破碎百分数Fig.7 Volume fraction of sandstone with different tensile strength under double impact teeth

在砂岩抗拉强度为6 MPa 时，3 种冲程条件下的砂岩破坏体积分别为楔形齿＞三角棱柱齿＞双锥形齿。随着冲程增加，双锥形齿破坏体积变化很小，三棱柱齿破坏体积略微增加，而楔形齿的破坏体积明显增大；在砂岩拉伸破坏强度为8 MPa 时，楔形齿有着高的破坏体积，三棱柱齿与双锥形齿破坏体积变化较小；在砂岩拉伸破坏强度为10 MPa时，楔形齿依旧有着良好的破岩效果，而三角棱柱齿与双锥形齿的破坏效果则与冲程相关。

图8 为同一条件下3 种双排齿冲击岩石时，某一时刻的岩石表面应力云图。图8 表明，楔形齿的两齿间产生了明显的裂纹，导致其破岩效果大幅度提升，从而优于其他2 种齿型。

2.3 冲击齿齿形与地层和冲击参数的匹配

在冲击钻进过程中，冲程是影响冲击成孔效率的主要因素之一。冲程越大，冲击钻头的势能越大，在冲击岩石的瞬间所获得初始动能也越大，即冲击功越大。相应地，破碎岩石的效果则会越好。对于3 种齿形，不论单齿还是双排齿作用模式，在冲击相同强度的砂岩石时，冲击齿的入岩深度均会随着冲程的增加而增大，总破岩体积也会相应增大。理论上而言，在冲击齿不破坏的情况下，冲程越大破岩效果越好。但实际施工中，冲击频率与冲击高度会相互制约，冲程的增加会导致冲击频率降低，反之亦然。此外，不同齿形针对每种强度的岩石均会有各自的临界冲程。因此，冲击齿的选择脱离不了地层因素与钻进参数。例如，采用单齿在冲程为0.8 m 时冲击低强度砂岩（6 MPa），则楔形齿的破碎效果最优，而在冲击较高强度（8 MPa）岩石时三角棱柱齿与锥形齿的破碎效果明显优于楔形齿；但同时，在砂岩抗拉强度为8 MPa 时，随着冲程的增大，楔形齿的破碎效果提升程度会大于其他2 种齿。此外，双排齿在本研究所采用的参数条件下，楔形齿的破岩效果最优。

图8 双排齿冲击后岩石表面应力分布Fig.8 Stress distribution on rock surface after double tooth impact

3 结论

利用有限元方法对大直径斜桩冲击钻头冲击齿破岩过程进行数值模拟研究，结果表明：

（1）单次冲击过程中，3 种冲击齿的入岩深度依次是双锥形齿＞三角棱柱齿＞楔形齿。随着冲程的增加，入岩深度增加，岩石破碎体积也增加。

（2）在破碎低强度岩石时，可优先选择楔形齿，其次是三角棱柱齿，最后是双锥形齿。

（3）在破碎高强度岩石时，在冲程受到一定限制时可优先采用三角棱柱齿；或者采用楔形齿并相应地提高其冲程。

（4）在大冲程施工中，楔形齿的组合有着较好的破岩效果，高进尺的双锥形齿与高破碎效果的楔形齿组合可能会产生更好的破碎效果。