水射流輔助沉樁教學模型實驗裝置及應用

朱麗紅， 鄒德永， 陳新勇， 王京印

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，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力度的不斷加大，在冰凍地層以及復雜地質條件下設計和建造石油平臺樁基已成為海洋工程中一個重大的科技挑戰[1-4]。在樁基工程建設中，冰凍、鈣質砂等復雜地層出現頻率和沉樁難度隨著水深的增加呈指數形式增加，探尋高效穩定的沉樁方法是亟待解決的難題之一[5-6]。國內外各油田在海洋石油平臺樁基建設中普遍存在冰凍、鈣質砂等復雜地層難于沉樁，土塞效應導致沉樁阻力增大等問題，樁基建設周期延長、施工成本增加，制約著勘探開發的整體效益，因此研究海洋石油平臺復雜地層高效沉樁新方法勢在必行[7-10]。實踐表明，在不增加地面沉樁機械能力的前提下，探尋其他輔助沉樁技術，是當前提高海洋平臺復雜地層樁基建設最可行的途徑之一[11-15]。高壓水射流技術已成功應用于切割、清洗、鉆井、破碎、研磨等作業。隨著海洋石油工業的發展，水射流技術在海洋石油工業中展現出廣泛應用前景。

水射流輔助沉樁技術是在樁基動力沉樁施工過程中，利用水射流消除樁體內部土塞，降低沉樁摩擦阻力，擾動樁端土體，降低地層強度。采用高壓水射流輔助沉樁是合理利用水力能量，提高樁基建設速度的重要方式。基于射流輔助沉樁教學模型實驗裝置進行有射流和無射流條件下沉樁效率測試，表明用水射流技術輔助沉樁，可顯著提高沉樁效率。證明該教學模型實驗裝置可用于水射流輔助沉樁實踐教學研究。

1 教學模型實驗裝置

水射流輔助動力沉樁技術是一種輔助樁穿越冰凍、鈣質砂等復雜地層，有效處理土塞問題使樁達到標準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驗驗證。該項技術的關鍵是射流對土塞的破壞，而增大射流流量和射流壓力可提高水射流破土能力。因此擬通過模型實驗改變射流流量和壓力，分析水射流輔助沉樁技術的可行性。研制的水射流輔助沉樁教學模型實驗裝置，如圖2所示，實驗設備包括高壓水泵、泥漿泵(根據實驗室現有條件)、試驗箱、高壓膠管、導向架、龍門架、重錘、樁頭保護器、半膜樁、全樁、經緯儀、繩索、大頭釘、卷尺、泡沫、塑料薄膜、彈性棉土工織布等。

導向架用于沉樁過程中，扶正樁體，如圖3所示。導向架分為全樁導向和半樁導向。全樁導向時，導向架固定于試驗箱中央，樁體從導向架中心方形框穿；半樁導向時，導向架固定于觀察窗一側，樁體從導向架凸出角鋼的位置穿過。保護器分為三層結構, 如圖4所示：底層用于保護器與樁體的固定，采用螺栓夾住樁頭；中間層設置兩個圓孔，用于引入進水管和排水管；上層設有兩個導向軸，用于重錘自由落體時的導向。樁頭保護器主要功能：保護樁頭、引入進水管和排水管、為重錘導向。如圖5所示，重錘由一定厚度鐵板疊焊，根據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 實驗裝置

圖3 導向架

圖4 樁頭保護器

圖5 重錘

2 實驗準備

射流輔助沉樁教學模型實驗裝置如圖6所示。采用砂、土混合方式模擬實驗地層，設定砂、土比例為3∶2并均勻混合。向模擬用試驗箱內填充混合物，控制每次夯實力度，保持一致，每填0.1 m厚度后運用重量3 kg的木棒均勻夯實兩遍，直到實驗箱內填土達到設定地層高度1.3 m。為使模擬地層在自重下固結，靜置48 h。根據實驗內容模擬樁分為?0.011 4 m半模擬樁(半圓形)和?0.011 4 m全樁(圓形)兩種，樁長0.12 m。采用10 kg重錘進行錘擊，裝上導向架后，把10 kg重模擬鋼管裝入導向架內。利用重錘自由落體產生的沖擊能力沉樁，單次錘擊時間2 s。然后裝上樁頭保護器，利用樁頭保護器上設有的導向桿導向，重錘提升高度0.035 m，利用滑輪提拉開展模型實驗。

圖6 教學模型實驗裝置

3 實驗結果分析

沒有射流輔助條件下利用重錘錘擊沖擊力沉樁0.035 m，再利用水射流對樁內土塞進行邊破壞邊沉樁。將水射流噴頭下入樁體內，噴頭下入指定位置后，打開高壓水泵，待樁體內泥漿返出后，再沉樁。改變射流壓力和射流排量，模擬樁體每進尺0.015 m記錄一次沉樁需要的錘擊數。當樁體到達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見表1。不同射流流量下輔助沉樁所需錘擊數如表2所示。

表1 不同射流壓力下錘擊數

表2 不同射流流量錘擊數

由表1、2知，無射流輔助沉樁0.06 m(從0.035～0.095 m)需要錘擊數為263次，有射流輔助沉樁條件下，當射流壓力為0.02 MPa時，需要186次錘擊完成沉樁，當射流壓力為0.57 MPa時，需要113次錘擊完成沉樁，兩者相差73次。當射流流量為25 L/min時需要錘擊數為199次，而流量30 L/min時需要錘擊數為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。通過實驗說明在模擬地層、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較少，進而說明，該教學模擬實驗裝置可用于水射流輔助沉樁技術研究。

4 結 語

針對水射流輔助沉樁技術設想，研制了射流輔助沉樁教學模型實驗裝置。通過模型實驗知，水射流輔助動力沉樁條件下沉樁效率比無射流沉樁時顯著提高，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踐教學研究提供了重要依據。

[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[M]. 東營:石油大學出版社,1998: 16-28.

[4] 江 浩, 汪 稔. 鈣質砂中模型樁的試驗研究[J]. 巖土力學, 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,賈環環,宋勝偉. 前混合水射流噴丸強化表面粗糙度預測[J]. 實驗室研究與探索, 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] 費康一. 水沖錘擊樁在涉河工程中的應用[J]. 水運工程, 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-沉降曲線轉換方法改進研究[J].巖土工程學報, 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,等. 海洋采油平臺打樁過程中土塞效應研究[J]. 巖石力學與工程學報, 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-土作用機理研究探討[J].巖石力學與工程學報, 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的解析解[J].固體力學學報, 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效性研究[J].工程地質學報, 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，楊清俠，等.海洋平臺大直徑超長樁成樁機理研究[J].工程力學, 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. 高壓水射流破巖鉆孔過程的理論研究[J]. 石油大學學報(自然科學版), 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模型試驗研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 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分析[J]. 工程力學, 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.