蒲高軍

(勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營 257026)

0 引言

針對樁基建設(shè)中在大直徑超長鋼管樁的沉樁過程中容易出現(xiàn)土塞效應(yīng)，進(jìn)而影響沉樁的效率，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)拒樁、樁頭破壞等事故，引起了國內(nèi)外許多專家學(xué)者的關(guān)注，研究新型沉樁方案成為一項(xiàng)重要課題。射流技術(shù)在近年來研究以及實(shí)踐顯示，足夠大的射流沖擊力，不但具有清洗作用，而且還可以直接或者輔助破碎巖石的作用。通過水射流的沖擊力破壞鋼管樁內(nèi)土塞，降低沉樁阻力，從而達(dá)到沉樁深度要求。針對上述問題，本文針對大直徑、超長鋼管樁建設(shè)中存在的問題，旨在研究不同類型的噴嘴的性能特征，利用fluent軟件對不同類型噴嘴流場數(shù)值模擬分析，優(yōu)選噴嘴類型，并通過實(shí)驗(yàn)測試水射流對沉樁效率的影響，為水射流在沉樁中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)特性

1)橢圓形噴嘴。橢圓形噴嘴進(jìn)口流道橢圓弧狀，出口流道是直圓柱形，橢圓的長軸M=5d0，短軸m=2d0，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1a)所示。該類型噴嘴的水力特性，流量系數(shù)C=0.985，可形成的射流的擴(kuò)散角α=12°，等速核長度為L0=5.4d0。2)圓弧形噴嘴。圓弧形噴嘴進(jìn)口流道母線是圓弧的一部分，出口流道是直圓柱形，圓弧半徑R=1.56d0，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1b)所示。此種噴嘴的水力特性，流量系數(shù)C=0.978，射流的擴(kuò)散角α=15°，等速核長度為L0=4.8d0。3)雙圓弧形噴嘴。雙圓弧噴嘴進(jìn)口流道的母線為兩段外切的圓弧，出口流道仍為直圓柱形，大圓弧半徑R=1.875d0，小圓弧半徑 r=1.25d0。直圓柱長度 H0=0.5d0，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1c)所示。該種噴嘴的水力特性，流量系數(shù)C=0.96～0.98，等速核長度為L0=5.8d0。4)流線型噴嘴。如圖1d)所示，設(shè)計(jì)流線型噴嘴要先根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸，確定d0，dj和H，然后取 β=0°～85°，連續(xù)計(jì)算x和y值并連成曲線，即可得到流線型噴嘴的流道母線。噴嘴流量系數(shù)C=0.972，射流擴(kuò)散角α=8°，等速核長度為L0=4.8d0。5)錐形噴嘴。錐形噴嘴的整個(gè)流道為截圓錐面，錐頂角 θ=13.5°，噴嘴的總高度 H=3.75d0，如圖1e)所示。此種噴嘴的水力特性，流量系數(shù)C=0.963，射流擴(kuò)散角α=8°，等速核長度為L0=4.8d0。6)等變速型噴嘴。如圖1f)所示，等變速型噴嘴進(jìn)口流道母線是一條等變速曲線，出口流道是直圓柱形且圓柱長度H=0.5d0。這種進(jìn)口流道的特點(diǎn)是液流在噴嘴中流過時(shí)，沿著噴嘴軸線方向，液流的速度變化是一個(gè)常數(shù)，此種噴嘴的水力特性大致與橢圓進(jìn)口噴嘴差不多，國內(nèi)對這種噴嘴尚未進(jìn)行精確的測量。目前在使用這種噴嘴時(shí)，取噴嘴水力特性參數(shù)，流量系數(shù) C=0.98，射流擴(kuò)散角 α =8°，等速核長度為 L0=5.9d0。

影響噴嘴流量系數(shù)、射流擴(kuò)散角和等速核長度等水利特性的主要因素是噴嘴的流道形狀，所以要得到理想的射流形狀和足夠的射流水力參數(shù)，做好噴嘴選擇很重要。上述6種噴嘴流量系數(shù)均較高，都在0.96以上，但它們形成的射流擴(kuò)散角和等速核長都有所不同。從噴射鉆井要求來講，希望選擇流量系數(shù)高、射流擴(kuò)散角小，等速核長的噴嘴。

2 噴嘴特性數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

對橢圓形噴嘴、圓弧形噴嘴、雙圓弧形噴嘴、錐形噴嘴、流線型噴嘴和等變速型噴嘴6種類型進(jìn)行流場數(shù)值模擬。模型試驗(yàn)參數(shù)選取噴嘴的直徑10 mm，注入水30 MPa，射流的噴距為200 mm，選取流場尺寸為300 mm，以等變速型噴嘴為例，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 6種噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

2.2 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算得到6種噴嘴的模擬結(jié)果，如圖3所示。

圖3 噴嘴應(yīng)力模擬結(jié)果

利用數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，分析不同噴嘴下射流特性，如表1及圖4所示。

表1 6種噴嘴最大噴射應(yīng)力 MPa

圖4 噴嘴射流流束直徑（應(yīng)力大于200 MPa）

對比分析6種噴嘴，相同水壓下，均呈現(xiàn)出射流壓力中心處最大，向兩側(cè)逐步遞減;6種樣式噴嘴的擴(kuò)散角度都較小，有利于射流能量的集中;對比6種噴嘴的射流流束可見，200 mm噴距下等變速型噴嘴射流中心壓力最強(qiáng)，取20 MPa界限壓力分析，其高壓區(qū)寬度最大，可以達(dá)到200 mm。數(shù)值模擬結(jié)果說明等變速型噴嘴各項(xiàng)射流參數(shù)最優(yōu)。

3 不同噴嘴射流破壞巖土效果分析

根據(jù)對上述6種噴嘴的模擬分析，進(jìn)一步研究水射流因素對土體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。現(xiàn)設(shè)定一地層寬度×深度為300 mm×500 mm，根據(jù)上面模擬結(jié)果在土體表面施加一非均布荷載，土體底側(cè)施加固定約束，兩側(cè)加水平約束，劃分網(wǎng)格并計(jì)算。得出土體內(nèi)部最大應(yīng)力以及最小應(yīng)力見圖5。

圖5 巖土體內(nèi)最大、最小應(yīng)力對比

對比分析，6種噴嘴對土體應(yīng)力作用狀態(tài)呈現(xiàn)出基本一致性，由于射流為中心線上應(yīng)力最大，向兩側(cè)逐漸降低，則在土體內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力核區(qū)，并向兩側(cè)逐漸擴(kuò)散，應(yīng)力也逐漸的降低。對比6種噴嘴射流作用下土體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)所產(chǎn)生的最小應(yīng)力(如圖5所示)，比較而言錐形噴嘴最小，等變速型噴嘴最大;所產(chǎn)生的最大應(yīng)力狀態(tài)，橢圓形噴嘴和錐形噴嘴應(yīng)力相對最小，等變速型噴嘴應(yīng)力值較其他5種明顯有優(yōu)勢。

4 模型實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述分析，選取等變速型噴嘴，采用重錘錘擊并有水射流輔助的方式，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試。采用70 cm×70 cm×130 cm的鋼箱作為試驗(yàn)箱，箱底部四周均設(shè)有排水孔。采用空心鋼管模擬鋼樁，長度為120 cm，半徑為5.6 cm(見圖6)。設(shè)計(jì)并加工樁頭保護(hù)器，利用重錘自由落體的沖擊力通過該樁頭保護(hù)器間接傳遞帶模擬樁上，并設(shè)定單次錘擊時(shí)間為2 s，利用導(dǎo)向桿導(dǎo)向，重錘提升高度設(shè)定為35 cm。同時(shí)射流導(dǎo)管連同噴頭通過樁頭保護(hù)器伸入樁體內(nèi)，采用內(nèi)沖內(nèi)排方式，鋼管與樁頭保護(hù)器連接處設(shè)有開口，射流返水由此開口排除。重錘沖擊并同射流沖擊破壞土塞共同作用，完成整個(gè)沉樁過程。

4.2 模擬地層

模擬地層一:實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層采用砂、土混合方式制作，砂、土比例設(shè)定為3∶2并均勻混合。向模擬用鋼箱子內(nèi)填充混合物，每填10 cm厚度后運(yùn)用重量3 kg的木棒均勻夯實(shí)兩遍，并控制每次夯實(shí)力度一致，達(dá)到設(shè)定地層高度為止。完成后靜置48 h，讓模擬地層在自重下自我固結(jié)。模擬地層二:為了模擬硬地層，反映射流對硬地層沉樁的作用，制作地層添加水泥并按砂、土、水泥比為10∶7∶1方式混合。向模擬箱填充混合地層土，方式同地層一。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)地層一實(shí)驗(yàn)分析。無射流下利用重錘錘擊沖擊力沉樁35 cm，然后打開射流開關(guān)，做邊射流邊錘擊沉樁，模擬樁體每進(jìn)尺15 cm做一次數(shù)據(jù)記錄。改變射流強(qiáng)度，做五組實(shí)驗(yàn)如圖7所示。由圖7分析，無射流沉樁60 cm(從35 cm～95 cm)需要錘擊數(shù)約為260次，而在有射流輔助沉樁下，當(dāng)強(qiáng)度為0.01 MPa時(shí)，約180次錘擊即可完成沉樁過程，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到0.57 MPa時(shí)，只需要大約110次，可見射流輔助沉樁條件下沉樁效率比無射流沉樁大大提高。在射流的噴射作用下樁體內(nèi)土塞受到破壞，同時(shí)沉樁地層受到影響降低了沉樁阻力，從而提高了沉樁的速率。從圖7中也可反映出，隨著沉樁射流噴射強(qiáng)度的提高，沉樁次數(shù)逐步降低，但其幅度逐漸的減少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著射流噴射力度的提高，對土塞破壞越嚴(yán)重并隨同返水流出樁體，土塞對沉樁的阻礙作用逐步的降低，樁體側(cè)摩擦阻力占據(jù)主導(dǎo)作用，進(jìn)一步沉樁則主要克服樁側(cè)摩擦阻力。2)地層二實(shí)驗(yàn)分析。地層二中采用了逐步增加排量的方式開展沉樁，如表2及圖8所示。沉樁過程:開始階段，沉樁在無射流下展開;深度達(dá)到35 cm時(shí)，打開射流泵并設(shè)定排量為36 L/min;樁深度為65 cm時(shí)，提高射流排量為45 L/min;沉樁深度達(dá)到85 cm時(shí)，射流排量提高到60 L/min。

圖7 重錘錘擊數(shù)隨沉樁過程變化

表2 排量與沉樁深度的關(guān)系

圖8 錘擊數(shù)隨沉樁深度以及排量變化

如圖8所示，硬地層模擬實(shí)驗(yàn)反映出隨著樁體灌入深度的增加，沉樁速度大幅度降低。起初OA段做無射流沉樁，在B點(diǎn)時(shí)打開射流泵，開始做邊射流邊錘擊沉樁。BC段斜率比AB段有所增大，反映水射流對沉樁產(chǎn)生了一定的作用效果，隨著時(shí)間的增加，達(dá)到CD段時(shí)沉樁速度又逐步變慢，且到DE段時(shí)沉樁比較困難，此時(shí)為了提高沉樁效率，提高射流排量為45 L/min，如EF段反映出排量的提高對沉樁效率產(chǎn)生了很好的效果，同理，為了提高沉樁速率，在G點(diǎn)時(shí)將射流排量提高到60 L/min。當(dāng)遇到沉樁瓶頸如樁體很難灌入時(shí)，利用水射流技術(shù)可很方便的進(jìn)行解決，同時(shí)要控制好射流力度，根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行射流排量調(diào)節(jié)。通過該射流輔助沉樁過程，可以看出水射流能夠很有效的提高沉樁的速度。

5 結(jié)語

1)對橢圓形噴嘴、圓弧噴嘴、雙圓弧形噴嘴、錐形噴嘴、流線型噴嘴和等變速型噴嘴6種類型進(jìn)行理論以及流場的數(shù)值模擬分析，結(jié)果說明等變速型噴嘴射流參數(shù)更具有優(yōu)勢。2)對6種噴嘴射流作用土體效果分析，等變速型噴嘴在巖土體內(nèi)部產(chǎn)生最大、最小應(yīng)力均大于其他5種噴嘴，表明等變速型射流噴嘴破壞力度最大。3)通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)顯示出射流輔助沉樁有明顯的效果，射流強(qiáng)度增加的情況下，沉樁效率逐步提升，但提高的幅度也慢慢降低。4)沉樁困難時(shí)，利用水射流技術(shù)可以很方便的進(jìn)行解決，同時(shí)要控制好射流力度，根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行射流排量調(diào)節(jié)，更能顯示出射流輔助沉樁的優(yōu)勢。

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