辅助沉桩水射流模拟分析及实验研究

蒲高军

(胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 257026)

0 引言

针对桩基建设中在大直径超长钢管桩的沉桩过程中容易出现土塞效应，进而影响沉桩的效率，严重的会出现拒桩、桩头破坏等事故，引起了国内外许多专家学者的关注，研究新型沉桩方案成为一项重要课题。射流技术在近年来研究以及实践显示，足够大的射流冲击力，不但具有清洗作用，而且还可以直接或者辅助破碎岩石的作用。通过水射流的冲击力破坏钢管桩内土塞，降低沉桩阻力，从而达到沉桩深度要求。针对上述问题，本文针对大直径、超长钢管桩建设中存在的问题，旨在研究不同类型的喷嘴的性能特征，利用fluent软件对不同类型喷嘴流场数值模拟分析，优选喷嘴类型，并通过实验测试水射流对沉桩效率的影响，为水射流在沉桩中的应用提供理论基础。

1 喷嘴结构特性

1)椭圆形喷嘴。椭圆形喷嘴进口流道椭圆弧状，出口流道是直圆柱形，椭圆的长轴M=5d0，短轴m=2d0，结构尺寸如图1a)所示。该类型喷嘴的水力特性，流量系数C=0.985，可形成的射流的扩散角α=12°，等速核长度为L0=5.4d0。2)圆弧形喷嘴。圆弧形喷嘴进口流道母线是圆弧的一部分，出口流道是直圆柱形，圆弧半径R=1.56d0，结构尺寸如图1b)所示。此种喷嘴的水力特性，流量系数C=0.978，射流的扩散角α=15°，等速核长度为L0=4.8d0。3)双圆弧形喷嘴。双圆弧喷嘴进口流道的母线为两段外切的圆弧，出口流道仍为直圆柱形，大圆弧半径R=1.875d0，小圆弧半径 r=1.25d0。直圆柱长度 H0=0.5d0，结构尺寸如图1c)所示。该种喷嘴的水力特性，流量系数C=0.96～0.98，等速核长度为L0=5.8d0。4)流线型喷嘴。如图1d)所示，设计流线型喷嘴要先根据喷嘴的结构尺寸，确定d0，dj和H，然后取 β=0°～85°，连续计算x和y值并连成曲线，即可得到流线型喷嘴的流道母线。喷嘴流量系数C=0.972，射流扩散角α=8°，等速核长度为L0=4.8d0。5)锥形喷嘴。锥形喷嘴的整个流道为截圆锥面，锥顶角 θ=13.5°，喷嘴的总高度 H=3.75d0，如图1e)所示。此种喷嘴的水力特性，流量系数C=0.963，射流扩散角α=8°，等速核长度为L0=4.8d0。6)等变速型喷嘴。如图1f)所示，等变速型喷嘴进口流道母线是一条等变速曲线，出口流道是直圆柱形且圆柱长度H=0.5d0。这种进口流道的特点是液流在喷嘴中流过时，沿着喷嘴轴线方向，液流的速度变化是一个常数，此种喷嘴的水力特性大致与椭圆进口喷嘴差不多，国内对这种喷嘴尚未进行精确的测量。目前在使用这种喷嘴时，取喷嘴水力特性参数，流量系数 C=0.98，射流扩散角 α =8°，等速核长度为 L0=5.9d0。

影响喷嘴流量系数、射流扩散角和等速核长度等水利特性的主要因素是喷嘴的流道形状，所以要得到理想的射流形状和足够的射流水力参数，做好喷嘴选择很重要。上述6种喷嘴流量系数均较高，都在0.96以上，但它们形成的射流扩散角和等速核长都有所不同。从喷射钻井要求来讲，希望选择流量系数高、射流扩散角小，等速核长的喷嘴。

2 喷嘴特性数值模拟分析

2.1 模型建立

对椭圆形喷嘴、圆弧形喷嘴、双圆弧形喷嘴、锥形喷嘴、流线型喷嘴和等变速型喷嘴6种类型进行流场数值模拟。模型试验参数选取喷嘴的直径10 mm，注入水30 MPa，射流的喷距为200 mm，选取流场尺寸为300 mm，以等变速型喷嘴为例，建立几何模型并划分网格，如图2所示。

图1 6种喷嘴结构尺寸图

图2 几何模型和网格划分

2.2 模拟结果分析

通过数值模拟计算得到6种喷嘴的模拟结果，如图3所示。

图3 喷嘴应力模拟结果

利用数值计算的结果，分析不同喷嘴下射流特性，如表1及图4所示。

表1 6种喷嘴最大喷射应力 MPa

图4 喷嘴射流流束直径（应力大于200 MPa）

对比分析6种喷嘴，相同水压下，均呈现出射流压力中心处最大，向两侧逐步递减;6种样式喷嘴的扩散角度都较小，有利于射流能量的集中;对比6种喷嘴的射流流束可见，200 mm喷距下等变速型喷嘴射流中心压力最强，取20 MPa界限压力分析，其高压区宽度最大，可以达到200 mm。数值模拟结果说明等变速型喷嘴各项射流参数最优。

3 不同喷嘴射流破坏岩土效果分析

根据对上述6种喷嘴的模拟分析，进一步研究水射流因素对土体内部产生的应力。现设定一地层宽度×深度为300 mm×500 mm，根据上面模拟结果在土体表面施加一非均布荷载，土体底侧施加固定约束，两侧加水平约束，划分网格并计算。得出土体内部最大应力以及最小应力见图5。

图5 岩土体内最大、最小应力对比

对比分析，6种喷嘴对土体应力作用状态呈现出基本一致性，由于射流为中心线上应力最大，向两侧逐渐降低，则在土体内出现一个高应力核区，并向两侧逐渐扩散，应力也逐渐的降低。对比6种喷嘴射流作用下土体内应力状态所产生的最小应力(如图5所示)，比较而言锥形喷嘴最小，等变速型喷嘴最大;所产生的最大应力状态，椭圆形喷嘴和锥形喷嘴应力相对最小，等变速型喷嘴应力值较其他5种明显有优势。

4 模型实验

4.1 实验装置

根据上述分析，选取等变速型喷嘴，采用重锤锤击并有水射流辅助的方式，进行室内实验测试。采用70 cm×70 cm×130 cm的钢箱作为试验箱，箱底部四周均设有排水孔。采用空心钢管模拟钢桩，长度为120 cm，半径为5.6 cm(见图6)。设计并加工桩头保护器，利用重锤自由落体的冲击力通过该桩头保护器间接传递带模拟桩上，并设定单次锤击时间为2 s，利用导向杆导向，重锤提升高度设定为35 cm。同时射流导管连同喷头通过桩头保护器伸入桩体内，采用内冲内排方式，钢管与桩头保护器连接处设有开口，射流返水由此开口排除。重锤冲击并同射流冲击破坏土塞共同作用，完成整个沉桩过程。

4.2 模拟地层

模拟地层一:实验模拟地层采用砂、土混合方式制作，砂、土比例设定为3∶2并均匀混合。向模拟用钢箱子内填充混合物，每填10 cm厚度后运用重量3 kg的木棒均匀夯实两遍，并控制每次夯实力度一致，达到设定地层高度为止。完成后静置48 h，让模拟地层在自重下自我固结。模拟地层二:为了模拟硬地层，反映射流对硬地层沉桩的作用，制作地层添加水泥并按砂、土、水泥比为10∶7∶1方式混合。向模拟箱填充混合地层土，方式同地层一。

图6 实验装置图

4.3 实验结果分析

1)地层一实验分析。无射流下利用重锤锤击冲击力沉桩35 cm，然后打开射流开关，做边射流边锤击沉桩，模拟桩体每进尺15 cm做一次数据记录。改变射流强度，做五组实验如图7所示。由图7分析，无射流沉桩60 cm(从35 cm～95 cm)需要锤击数约为260次，而在有射流辅助沉桩下，当强度为0.01 MPa时，约180次锤击即可完成沉桩过程，当强度达到0.57 MPa时，只需要大约110次，可见射流辅助沉桩条件下沉桩效率比无射流沉桩大大提高。在射流的喷射作用下桩体内土塞受到破坏，同时沉桩地层受到影响降低了沉桩阻力，从而提高了沉桩的速率。从图7中也可反映出，随着沉桩射流喷射强度的提高，沉桩次数逐步降低，但其幅度逐渐的减少。产生这种现象的原因是随着射流喷射力度的提高，对土塞破坏越严重并随同返水流出桩体，土塞对沉桩的阻碍作用逐步的降低，桩体侧摩擦阻力占据主导作用，进一步沉桩则主要克服桩侧摩擦阻力。2)地层二实验分析。地层二中采用了逐步增加排量的方式开展沉桩，如表2及图8所示。沉桩过程:开始阶段，沉桩在无射流下展开;深度达到35 cm时，打开射流泵并设定排量为36 L/min;桩深度为65 cm时，提高射流排量为45 L/min;沉桩深度达到85 cm时，射流排量提高到60 L/min。

图7 重锤锤击数随沉桩过程变化

表2 排量与沉桩深度的关系

图8 锤击数随沉桩深度以及排量变化

如图8所示，硬地层模拟实验反映出随着桩体灌入深度的增加，沉桩速度大幅度降低。起初OA段做无射流沉桩，在B点时打开射流泵，开始做边射流边锤击沉桩。BC段斜率比AB段有所增大，反映水射流对沉桩产生了一定的作用效果，随着时间的增加，达到CD段时沉桩速度又逐步变慢，且到DE段时沉桩比较困难，此时为了提高沉桩效率，提高射流排量为45 L/min，如EF段反映出排量的提高对沉桩效率产生了很好的效果，同理，为了提高沉桩速率，在G点时将射流排量提高到60 L/min。当遇到沉桩瓶颈如桩体很难灌入时，利用水射流技术可很方便的进行解决，同时要控制好射流力度，根据需要及时进行射流排量调节。通过该射流辅助沉桩过程，可以看出水射流能够很有效的提高沉桩的速度。

5 结语

1)对椭圆形喷嘴、圆弧喷嘴、双圆弧形喷嘴、锥形喷嘴、流线型喷嘴和等变速型喷嘴6种类型进行理论以及流场的数值模拟分析，结果说明等变速型喷嘴射流参数更具有优势。2)对6种喷嘴射流作用土体效果分析，等变速型喷嘴在岩土体内部产生最大、最小应力均大于其他5种喷嘴，表明等变速型射流喷嘴破坏力度最大。3)通过室内模型实验显示出射流辅助沉桩有明显的效果，射流强度增加的情况下，沉桩效率逐步提升，但提高的幅度也慢慢降低。4)沉桩困难时，利用水射流技术可以很方便的进行解决，同时要控制好射流力度，根据需要及时进行射流排量调节，更能显示出射流辅助沉桩的优势。

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