潛孔鉆機(jī)不同因素對(duì)破巖鉆進(jìn)性能的影響分析

徐銀飛

（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上的步伐也不斷加快，大量的基建工程建設(shè)不斷發(fā)展，同時(shí)也對(duì)基建工程的質(zhì)量及效率提出了較高的要求。在各種施工建設(shè)中，打樁基礎(chǔ)的鉆孔建設(shè)是重要的工作內(nèi)容[1]，特別是對(duì)大直徑的打樁建設(shè)的需求迫切。在進(jìn)行打樁鉆孔的過程中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)及沖擊作用共同作用于巖層上，對(duì)巖層進(jìn)行破碎，從而形成鉆孔。潛孔鉆機(jī)是新型的沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)設(shè)備[2]，通過鉆柱底部與鉆頭的連接進(jìn)行巖層的沖擊作用，鉆進(jìn)效率高，且具有較高的打樁質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，在各種巖土工程中取得了廣泛的應(yīng)用。潛孔鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)的過程中，不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)共同作用于鉆頭上，從而對(duì)鉆頭破巖鉆進(jìn)的性能產(chǎn)生影響[3]，采用有限元仿真的形式對(duì)不同因素破巖鉆進(jìn)的性能進(jìn)行分析，從而選取有利的參數(shù)提高潛孔鉆機(jī)的破巖性能[4]，提高施工作業(yè)的效率及質(zhì)量。

1 潛孔鉆機(jī)破巖性能仿真分析模型的建立

潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)的過程中，通過內(nèi)部的活塞沖擊鉆頭從而使鉆頭具有較大的沖擊能量，鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沖擊巖層，從而使得巖層受到擠壓產(chǎn)生破碎，實(shí)現(xiàn)破巖鉆進(jìn)。在實(shí)際的鉆進(jìn)過程中[5]，由于沖擊鉆進(jìn)的過程復(fù)雜，采用仿真的形式對(duì)鉆頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和鉆進(jìn)性能的影響進(jìn)行分析。

采用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)鉆頭破巖鉆進(jìn)的過程進(jìn)行模擬分析，ABAQUS 具有強(qiáng)大的線性及非線性分析的能力，可以解決復(fù)雜的工程力學(xué)問題，在工程分析中具有廣泛的應(yīng)用。潛孔鉆機(jī)進(jìn)行巖層鉆進(jìn)的過程中[6]，巖層受到鉆頭的沖擊作用而產(chǎn)生破碎，對(duì)巖層的本構(gòu)模型進(jìn)行分析，從而描述巖層在沖擊作用下變形的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。巖層在沖擊作用下產(chǎn)生應(yīng)變的脆性變形，破壞的作用時(shí)間短[7]，巖層中的應(yīng)變及溫度的變化分布不均，采用D-P 模型的形式對(duì)巖層的變形進(jìn)行描述，考慮了巖層的體積及靜水壓力等對(duì)屈服變形的影響作用，適用于對(duì)巖層材料進(jìn)行分析。

依據(jù)某型號(hào)的潛孔鉆機(jī)使用的鉆頭類型進(jìn)行三維模型的建立，鉆頭的直徑為800mm、長(zhǎng)度為1100mm，同時(shí)建立巖層的模型尺寸為直徑3000 mm、高度為1500 mm，鉆頭與巖層的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，設(shè)定鉆頭垂直沖擊作用的方向?yàn)閆 向[8]，其他X、Y 方向構(gòu)成與Z 軸垂直的平面。

圖1 鉆頭與巖層的結(jié)構(gòu)模型

在ABAQUS 中對(duì)鉆頭的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，鉆頭采用YG8 材質(zhì)，具有較高的強(qiáng)度，其彈性模量為252 GPa，泊松比為0.12，設(shè)定所進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)的巖層為花崗巖層，其密度為2720 kg/m3，楊氏模量為72 GPa，泊松比為0.25，抗壓強(qiáng)度為102 MPa。巖層在鉆頭的終極作用下發(fā)生破壞[9]，多為剪破壞及拉破壞的形式，采用shear failure 描述巖層的剪破壞，tensile failure 描述拉破壞。對(duì)所建立的鉆頭及巖層模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，采用六面體實(shí)體單元對(duì)花崗巖層進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[10]，采用四面體單元進(jìn)行鉆頭的網(wǎng)格劃分處理，得到鉆進(jìn)分析的網(wǎng)格模型。

2 不同因素對(duì)潛孔鉆機(jī)破巖鉆進(jìn)性能的影響分析

在分析模型中設(shè)定巖層的上表面為自由表面，下表面及周邊進(jìn)行固定約束，鉆頭圍繞Z 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并沿著Z 軸對(duì)巖層進(jìn)行沖擊作用[11]，鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度及沖擊速度對(duì)破巖鉆進(jìn)的性能產(chǎn)生重要的影響。針對(duì)鉆頭的運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)速度及沖擊速度對(duì)巖層的破碎產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

2.1 鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的影響作用分析

在進(jìn)行巖層沖擊鉆進(jìn)的過程中，活塞的末速度完全轉(zhuǎn)化為鉆頭的初速度作用于巖層，設(shè)定鉆頭的沖擊速度v 為7 m/s，此時(shí)對(duì)鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度的影響作用進(jìn)行分析，設(shè)定鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度r 分別為10 r/min、20 r/min、30 r/min，分別對(duì)鉆頭巖層的作用過程進(jìn)行分析[12]。當(dāng)鉆頭的沖擊速度為7 m/s、旋轉(zhuǎn)速度為10 r/min時(shí)，應(yīng)力分布狀態(tài)如圖2 所示。從圖2 中可以看出，此時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為121 MPa，這說明在此參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度為121 MPa 的巖層進(jìn)行破碎。

圖2 鉆頭沖擊的巖層應(yīng)力（MPa）分布

對(duì)沖擊速度為7 m/s 時(shí)不同旋轉(zhuǎn)速度下鉆頭的鉆進(jìn)深度進(jìn)行分析，得到鉆進(jìn)深度的變化曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在鉆進(jìn)過程中，鉆進(jìn)初始階段，三者之間鉆進(jìn)的深度較為一致，鉆頭以較高的速度沖擊巖層，巖層在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生破碎，持續(xù)的時(shí)間較短，產(chǎn)生較大的鉆進(jìn)深度，然后鉆頭的運(yùn)動(dòng)速度急劇降低為0，則巖層產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)，鉆進(jìn)深度有所減小，隨著鉆頭地再次下降，則巖層的鉆進(jìn)深度有所增加，但變化量與初始沖擊相比較小。在三種不同的旋轉(zhuǎn)速度下，隨著轉(zhuǎn)速地增加，則產(chǎn)生的鉆進(jìn)深度越大，但較小的轉(zhuǎn)速后續(xù)產(chǎn)生的鉆進(jìn)深度較大，最終產(chǎn)生的鉆進(jìn)深度相差不大。由此充分表明，在沖擊速度一定時(shí)，增加鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆進(jìn)深度有一定的增加作用，但增加值較小，轉(zhuǎn)速的邊際效用不高。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下鉆頭的鉆進(jìn)深度

2.2 鉆頭沖擊速度的影響作用分析

在進(jìn)行巖層沖擊鉆進(jìn)的過程中，設(shè)定鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度為10 r/min，此時(shí)對(duì)鉆頭的沖擊速度的影響作用進(jìn)行分析，設(shè)定鉆頭沖擊速度分別為7 m/s、8 m/s、9 m/s，分別對(duì)鉆頭巖層的作用過程進(jìn)行分析，得到鉆進(jìn)深度的變化曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，鉆進(jìn)深度的變化曲線與圖3 中的曲線形態(tài)一致，這說明在沖擊過程中，均在初始的階段完成對(duì)巖層的沖擊破壞，后續(xù)作用過程產(chǎn)生的鉆進(jìn)深度較小。在圖4 中，不同的沖擊速度下，較大的沖擊速度產(chǎn)生的鉆進(jìn)深度較大，且經(jīng)過后續(xù)的作用，三者之間的差值也逐漸增加。這說明，較大的沖擊速度可以提高鉆頭的鉆進(jìn)深度，提高鉆機(jī)的鉆進(jìn)性能。

圖4 不同沖擊速度下鉆頭的鉆進(jìn)深度

3 結(jié)論

1）潛孔鉆機(jī)進(jìn)行打樁鉆孔過程中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度及沖擊速度對(duì)鉆進(jìn)性能具有重要的影響，建立了ABAQUS 有限元分析模型，并采用D-P 模型對(duì)巖層的變形進(jìn)行描述。

2）在仿真分析模型中，設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)速度及沖擊速度對(duì)巖層的破壞狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)鉆進(jìn)深度進(jìn)行繪圖分析。結(jié)果表明，巖層的破碎主要發(fā)生在初始接觸的階段，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的增加對(duì)鉆進(jìn)深度的有一定的增加作用，但增加值較小，轉(zhuǎn)速的邊際效用不高；沖擊速度的增加對(duì)鉆進(jìn)深度的具有較大的增加作用，可以提高鉆頭的鉆進(jìn)深度，提高鉆機(jī)的鉆進(jìn)性能。