朱麗紅， 鄒德永， 陳新勇， 王京印

(1.中國石油大學(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題，樁基建設(shè)周期延長(zhǎng)、施工成本增加，制約著勘探開發(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。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。可見有水射流輔助沉樁的沉樁效率比無射流輔助沉樁的沉樁效率高。通過實(shí)驗(yàn)說明在模擬地層、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

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。為開展水射流輔助沉樁實(shí)踐教學(xué)研究提供了重要依據(jù)。

[1] Sparrevik P. Suction pile technology in deep waters[J]. Offshore Technology Conference, 2002, 142(41):1-9.

[2] Crow S C. A theory of hydraulic rock cutting[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 1973(10): 567-584.

[3] 沈忠厚.水射流理論與技術(shù)[M]. 東營:石油大學(xué)出版社,1998: 16-28.

[4] 江 浩, 汪 稔. 鈣質(zhì)砂中模型樁的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2010(3):780-784.

JIANG Hao，WANG Ren. Test study of model pile in calcareous sands[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010(3):780-784.

[5] 王瑞紅,賈環(huán)環(huán),宋勝偉. 前混合水射流噴丸強(qiáng)化表面粗糙度預(yù)測(cè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(9): 21-23+27.

WANG Rui-hong, JIA Huan-huan,SONG Sheng-wei. Research on Surface Roughness Prediction of Premixed Water Jet Peening Strengthening[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011, 30(9): 21-23+27.

[6] 費(fèi)康一. 水沖錘擊樁在涉河工程中的應(yīng)用[J]. 水運(yùn)工程, 2009(8):85-87.

FEI Kang-yi. Application of jetted pile in the river project[J]. Port & Waterway Engineering, 2009(8):85-87.

[7] 朱向榮,汪勝忠,葉俊能,等. 自平衡試樁荷載傳遞模型及荷載-沉降曲線轉(zhuǎn)換方法改進(jìn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(11): 1717-1721.

ZHU Xiang-rong, WANG Sheng-zhong, YE Jun-neng,etal. Load transfer model and improved transition method for load-settlement curve under O-cell pile testing method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(11): 1717-1721.

[8] 閆澎旺,董 偉,劉 潤(rùn),等. 海洋采油平臺(tái)打樁過程中土塞效應(yīng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(4): 703-709.

YAN Shu-wang, DONG Wei, LIU Run,etal. Study of influence of soil plug on driving piles of offshore oil drilling platform[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(4): 703-709.

[9] 李素華, 殷建華,周 健,等. 端承型基樁的樁-土作用機(jī)理研究探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(6): 996-1000.

Li Suhua, Yin Jian-hua, Zhou Jian,etal. Study on action mechanism of end bearing piles and its apllication[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(6): 996-1000.

[10] 王 騰,王奎華,謝康和. 任意段變模量樁縱向振動(dòng)的解析解[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 23(1): 40-46.

Wang Teng, Wang Kui-hua, Xie Kang-he. An analytical solution to longitudinal vibration of a pile of arbitrary segments with variable modulus[J]. Acta Mechanica Solida Sinica, 2002, 23(1): 40-46.

[11] 雷華陽,呂乾乾,劉利霞. 考慮超靜孔隙水壓力消散的管樁承載力時(shí)效性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2012, 20(5): 815-820.

LEI Hua-yang, LV Qian-qian, LIU Li-xia. Growth of pile bearing capacity over time considering the dissipating of excess pore pressure[J]. Journal of Engineering Geology, 2012, 20(5): 815-820.

[12] 李 颯，韓志強(qiáng)，楊清俠，等.海洋平臺(tái)大直徑超長(zhǎng)樁成樁機(jī)理研究[J].工程力學(xué), 2010, 27(8): 241-245.

LI Sa, HAN Zhi-qiang, YANG Qing-xia,etal. The formation mechanism of super large diameter and deep penetration pile in offshore platform[J]. Eegineering Mechanics, 2010, 27(8): 241-245.

[13] 王瑞和,倪紅堅(jiān). 高壓水射流破巖鉆孔過程的理論研究[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003,27(4): 45-47.

WANG Rui-he, NI Hong-jian.Theoretical study on rock break ofo process druing high pressure water jet drilling[J]. Journal of the University of Petroleum, 2003,27(4): 45-47.

[14] 張可能,何 杰,劉 杰,等. 靜壓楔形樁沉樁效應(yīng)模型試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 42(2): 638-643.

ZHANG Ke-neng, HE Jie, LIU Jie,etal. Model experimental research on piling effects of static piling in soft clay ground with tapered pile[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 42(2): 638-643.

[15] 趙明華,占鑫杰,鄒新軍,等. 飽和軟粘土中沉樁后樁周土體固結(jié)分析[J]. 工程力學(xué), 2012,29(10): 91-97+105.

ZHAO Ming-hua, ZHAN Xin-jie, ZOU Xin-jun,etal. Consolidation analysis around a driven pile in saturated clay[J]. Engineering mechanics, 2012,29(10): 91-97+105.