輔助沉樁水射流模擬分析及實驗研究

蒲高軍

(勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026)

0 引言

針對樁基建設中在大直徑超長鋼管樁的沉樁過程中容易出現土塞效應，進而影響沉樁的效率，嚴重的會出現拒樁、樁頭破壞等事故，引起了國內外許多專家學者的關注，研究新型沉樁方案成為一項重要課題。射流技術在近年來研究以及實踐顯示，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土塞，降低沉樁阻力，從而達到沉樁深度要求。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值模擬分析，優(yōu)選噴嘴類型，并通過實驗測試水射流對沉樁效率的影響，為水射流在沉樁中的應用提供理論基礎。

1 噴嘴結構特性

1)橢圓形噴嘴。橢圓形噴嘴進口流道橢圓弧狀，出口流道是直圓柱形，橢圓的長軸M=5d0，短軸m=2d0，結構尺寸如圖1a)所示。該類型噴嘴的水力特性，流量系數C=0.985，可形成的射流的擴散角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，結構尺寸如圖1b)所示。此種噴嘴的水力特性，流量系數C=0.978，射流的擴散角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，結構尺寸如圖1c)所示。該種噴嘴的水力特性，流量系數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，設計流線型噴嘴要先根據噴嘴的結構尺寸，確定d0，dj和H，然后取 β=0°～85°，連續(xù)計算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C=0.972，射流擴散角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C=0.963，射流擴散角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。這種進口流道的特點是液流在噴嘴中流過時，沿著噴嘴軸線方向，液流的速度變化是一個常數，此種噴嘴的水力特性大致與橢圓進口噴嘴差不多，國內對這種噴嘴尚未進行精確的測量。目前在使用這種噴嘴時，取噴嘴水力特性參數，流量系數 C=0.98，射流擴散角 α =8°，等速核長度為 L0=5.9d0。

影響噴嘴流量系數、射流擴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，做好噴嘴選擇很重要。上述6種噴嘴流量系數均較高，都在0.96以上，但它們形成的射流擴散角和等速核長都有所不同。從噴射鉆井要求來講，希望選擇流量系數高、射流擴散角小，等速核長的噴嘴。

2 噴嘴特性數值模擬分析

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種類型進行流場數值模擬。模型試驗參數選取噴嘴的直徑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格，如圖2所示。

圖1 6種噴嘴結構尺寸圖

圖2 幾何模型和網格劃分

2.2 模擬結果分析

通過數值模擬計算得到6種噴嘴的模擬結果，如圖3所示。

圖3 噴嘴應力模擬結果

利用數值計算的結果，分析不同噴嘴下射流特性，如表1及圖4所示。

表1 6種噴嘴最大噴射應力 MPa

圖4 噴嘴射流流束直徑（應力大于200 MPa）

對比分析6種噴嘴，相同水壓下，均呈現出射流壓力中心處最大，向兩側逐步遞減;6種樣式噴嘴的擴散角度都較小，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，取20 MPa界限壓力分析，其高壓區(qū)寬度最大，可以達到200 mm。數值模擬結果說明等變速型噴嘴各項射流參數最優(yōu)。

3 不同噴嘴射流破壞巖土效果分析

根據對上述6種噴嘴的模擬分析，進一步研究水射流因素對土體內部產生的應力?，F設定一地層寬度×深度為300 mm×500 mm，根據上面模擬結果在土體表面施加一非均布荷載，土體底側施加固定約束，兩側加水平約束，劃分網格并計算。得出土體內部最大應力以及最小應力見圖5。

圖5 巖土體內最大、最小應力對比

對比分析，6種噴嘴對土體應力作用狀態(tài)呈現出基本一致性，由于射流為中心線上應力最大，向兩側逐漸降低，則在土體內出現一個高應力核區(qū)，并向兩側逐漸擴散，應力也逐漸的降低。對比6種噴嘴射流作用下土體內應力狀態(tài)所產生的最小應力(如圖5所示)，比較而言錐形噴嘴最小，等變速型噴嘴最大;所產生的最大應力狀態(tài)，橢圓形噴嘴和錐形噴嘴應力相對最小，等變速型噴嘴應力值較其他5種明顯有優(yōu)勢。

4 模型實驗

4.1 實驗裝置

根據上述分析，選取等變速型噴嘴，采用重錘錘擊并有水射流輔助的方式，進行室內實驗測試。采用70 cm×70 cm×130 cm的鋼箱作為試驗箱，箱底部四周均設有排水孔。采用空心鋼管模擬鋼樁，長度為120 cm，半徑為5.6 cm(見圖6)。設計并加工樁頭保護器，利用重錘自由落體的沖擊力通過該樁頭保護器間接傳遞帶模擬樁上，并設定單次錘擊時間為2 s，利用導向桿導向，重錘提升高度設定為35 cm。同時射流導管連同噴頭通過樁頭保護器伸入樁體內，采用內沖內排方式，鋼管與樁頭保護器連接處設有開口，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，完成整個沉樁過程。

4.2 模擬地層

模擬地層一:實驗模擬地層采用砂、土混合方式制作，砂、土比例設定為3∶2并均勻混合。向模擬用鋼箱子內填充混合物，每填10 cm厚度后運用重量3 kg的木棒均勻夯實兩遍，并控制每次夯實力度一致，達到設定地層高度為止。完成后靜置48 h，讓模擬地層在自重下自我固結。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 實驗裝置圖

4.3 實驗結果分析

1)地層一實驗分析。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，做邊射流邊錘擊沉樁，模擬樁體每進尺15 cm做一次數據記錄。改變射流強度，做五組實驗如圖7所示。由圖7分析，無射流沉樁60 cm(從35 cm～95 cm)需要錘擊數約為260次，而在有射流輔助沉樁下，當強度為0.01 MPa時，約180次錘擊即可完成沉樁過程，當強度達到0.57 MPa時，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土塞受到破壞，同時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度的提高，沉樁次數逐步降低，但其幅度逐漸的減少。產生這種現象的原因是隨著射流噴射力度的提高，對土塞破壞越嚴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，樁體側摩擦阻力占據主導作用，進一步沉樁則主要克服樁側摩擦阻力。2)地層二實驗分析。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;深度達到35 cm時，打開射流泵并設定排量為36 L/min;樁深度為65 cm時，提高射流排量為45 L/min;沉樁深度達到85 cm時，射流排量提高到60 L/min。

圖7 重錘錘擊數隨沉樁過程變化

表2 排量與沉樁深度的關系

圖8 錘擊數隨沉樁深度以及排量變化

如圖8所示，硬地層模擬實驗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點時打開射流泵，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生了一定的作用效果，隨著時間的增加，達到CD段時沉樁速度又逐步變慢，且到DE段時沉樁比較困難，此時為了提高沉樁效率，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生了很好的效果，同理，為了提高沉樁速率，在G點時將射流排量提高到60 L/min。當遇到沉樁瓶頸如樁體很難灌入時，利用水射流技術可很方便的進行解決，同時要控制好射流力度，根據需要及時進行射流排量調節(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種類型進行理論以及流場的數值模擬分析，結果說明等變速型噴嘴射流參數更具有優(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部產生最大、最小應力均大于其他5種噴嘴，表明等變速型射流噴嘴破壞力度最大。3)通過室內模型實驗顯示出射流輔助沉樁有明顯的效果，射流強度增加的情況下，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，利用水射流技術可以很方便的進行解決，同時要控制好射流力度，根據需要及時進行射流排量調節(jié)，更能顯示出射流輔助沉樁的優(yōu)勢。

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