螺旋鉆具非定常掘削的研究*

鄭秀月，趙偉民，蘇金哲

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍 江大慶 163318;2.渤海裝備遼河熱采機械公司，遼寧 盤錦 124209)

1 前言

在各種基礎施工中，螺旋鉆機發揮著不可取代的作用。對鉆機而言，因為螺旋鉆具的參數可影響其整機的性能，包括鉆孔時間、功率消耗、勞動條件的改善等，所以有必要對其相關參數進行實驗研究。設計好螺旋鉆具離不開參數的合理設計與選用，我國地域遼闊、地質復雜，為滿足不同使用環境和工作性能的要求，對螺旋鉆具主要參數的確定和優化極為重要。螺旋鉆具掘削原理是正確設計與選擇鉆具的理論基礎，我國學者已對其進行了大量的研究［1－2］，筆者依據相應實驗數據運用Matlab軟件，對鉆具較為重要的參數螺旋升角和鉆具轉速做進一步的研究。

2 理論分析

螺旋鉆具是螺旋鉆機的主要執行機構，其基本參數有螺旋升角、鉆具轉速等，這些參數決定鉆具的掘進深度和排土，從而對螺旋鉆具的掘削扭矩有直接影響。由圖1的受力圖可對其扭矩進行計算，經分析可知，扭矩包括三部分:鉆進時在整個切削刃上產生的切削阻力矩M0;輸土時土在螺旋表面上運動產生的阻力矩M1;由鉆具回轉運動使土產生的離心力和土與孔壁之間的摩擦力造成的阻力矩M2［3］。根據圖1(a)和參考文獻［3］可得:

式中:K為回轉掘削條件下的掘削比阻力，它垂直于刀板;Vr為鉆進速度;n為轉速;γ為刀刃切削角;δ為刀刃與土之間的摩擦角。

圖1 鉆具扭矩分析圖

根據圖1(b)中和參考文獻［3］可得:

式中:G0為孔內螺旋葉片上土的重量(僅考慮葉片上的土而不是整個孔深的土重量);φ1為土與土間的摩擦角。

式中:c為表面粘著系數;φ2為土與鋼間的摩擦角;ε為土塊的絕對運動方向角。

扭矩消耗:

將式(5)帶入式(1)，式(6)帶入式(2)、(3)，整理后得:

經理論分析計算后，可從式(7)中看出，隨著鉆進深度H的增加，扭矩M的值逐漸增大。

3 實驗裝置

為了增強實驗的說服力，筆者對砂土、亞粘土和粘土分別進行了相應的掘削實驗，實驗用螺旋鉆具采用10°、20°和30°三種不同的螺旋升角，葉片外徑為100 mm，中心管外徑為25 mm。實驗裝置主要由鉆機底盤、調頻電機、配重和螺旋鉆具組成。為考察鉆具所克服扭矩的變化，在鉆機掘削鉆進的過程中，使提升鉆具卷揚的鋼絲繩處于放松狀態，鉆具靠自重和施加的配重相互協調下落鉆進，實現非定常掘削的目的。實驗裝置中配置了傳感器和數據采集卡，以便在掘削實驗的進行中記錄所需數據。

常見的螺旋鉆具可分為長螺旋和短螺旋，本實驗主要研究長螺旋，對于長螺旋而言，螺旋葉片可用來裝載和輸送掘削下來的砂、土等，因而高轉速、大的螺旋升角利于砂、土等的排出，但隨著轉速和螺旋升角的提高，螺旋鉆具的輸出扭矩會發生相應的不定性變化。綜合以上問題，本實驗所用螺旋鉆具的轉速有五種，不同的鉆具轉速和不同的鉆具螺旋升角依次組合進行實驗，每次鉆進至少2個孔，取其效果好的進行實驗分析，以求得最佳的實驗結果，為基礎施工提供有力依據。實驗土槽砂土特性為含水量ω=12%，內摩擦角36°;實驗土槽亞粘土特性為含水量ω=14%;實驗土槽粘土特性為含水量ω=35%。

4 實驗結果分析

4.1 土質定義

砂土是土壤顆粒組成中砂粒含量較高的土質，土壤質地的基本類別之一。根據國際制的規定，砂土含砂粒可達85% ～100%，而細土粒僅占0% ～15%。中國規定砂粒(粒徑1～0.05 mm)含量大于50%為砂土。按照建筑工程的分類，粒徑大于2 mm，質量不超過總質量的50%，粒徑大于0.075 mm的顆粒，質量超過總質量50%的土質，應定名為砂土。

亞粘土是粒徑大于0.075 mm的顆粒，質量不超過全重的50%，且塑性指數等于或小于10的土質。亞粘土含適量粘粒、砂粒和粉粒，在性質上兼有粘土和砂土的特點，是介于兩者間的一種地基土。

粘土是含砂粒很少、有黏性、顆粒很細的土質，塑性系數大于10，在較小的壓力下就可以變形并能長久保持原狀。

在3種土質中，粘土分布最廣，多以聚粒存在;孔隙小、滲透性差、蓄水量大、保水性好、排水難;粘粒孔隙小、通氣性差，因而有機質含量也較多;蓄水量大、熱容量大;粘結性、粘附性和塑性強，干時堅硬、濕時泥濘。

4.2 螺旋升角的影響分析

為能夠準確反應螺旋升角對掘削進程的影響，實驗過程中將其他變量均設置為定值。圖2～4所示各圖為不同轉速時以螺旋升角為變量的扭矩深度三維圖。由于試驗五種轉速、三種土質，因而圖幅較多，所以每種土質只選用具有代表性的三維圖。

砂土轉速20 r/min時的扭矩深度三維圖

亞粘土轉速32 r/min時的扭矩深度三維圖

由圖2～4可知，隨著掘削深度的增加，無論哪種土質、鉆具轉速和螺旋升角的工況下，扭矩均相應提高，與前面理論分析計算相符。但當扭矩相同時，螺旋升角為20°的鉆具掘削深度較其余兩種鉆具的深度大，所以消耗相同功率時螺旋升角為20°鉆具的優勢明顯高于其余兩種鉆具。

粘土轉速44 r/min時的扭矩深度三維圖

4.3 螺旋鉆具轉速的影響分析

與研究螺旋升角影響鉆進效果時一樣，為全面反應不同轉速時的掘削情況，其余變量均設置為定值。由前面螺旋升角的研究情況可知，螺旋升角為20°鉆桿優于其余兩種鉆桿，所以研究鉆具轉速時，只采用螺旋升角為20°的鉆桿。圖5～7即為20°鉆桿在三種不同土質以轉速為變量的扭矩深度圖。

圖5 砂土扭矩深度圖

圖6 亞粘土扭矩深度圖

由圖5～7可以看出，扭矩隨著鉆進深度的增加而相應增大。土層較淺時可適當增大轉速，達到一定深度后，為得到預定的鉆進深度，就應適當的降低鉆具轉速。在不同土質中，鉆進不同深度時選用的鉆具轉速也不同，實際工作時要綜合考慮各種因素。

圖7 粘土扭矩深度圖

5 總結

通過試驗研究分析，對鉆機螺旋鉆具的螺旋升角和施工中選用鉆具轉速有一定的幫助。螺旋升角為10°的鉆桿，螺距小，相鄰螺旋葉片間的空間小，掘削的各種土質、巖屑等在螺旋葉片上停留的時間長，不利于排除;相反螺旋升角為30°的鉆桿，若轉速和10°鉆桿相同，由于其螺距大，各種土質、巖屑等就會快速排除，但是功率消耗大，經過對比得知20°的螺旋鉆具優勢突出。鉆機轉速在施工中要根據鉆深、土質、排土速度等因素綜合考慮，土層較淺時可適當增大轉速，達到一定深度后，為獲得預定的鉆深就要適當降低轉速。

［1］郭 峰，李瑰賢，趙偉民.螺旋鉆具輸土速度與阻力的實驗［J］.工程機械，2006(37):23－26.

［2］唐正清，梁伯圖.螺旋鉆機主要參數的優化研究［J］.煤礦機械，2005(7):44－45.

［3］趙偉民，顧迪民，遲大華，等.螺旋鉆具上的土的動力分析［J］.哈爾濱建筑大學學報，1999，32(4):90－93.