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《中南大学》 2010年
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软岩模拟及其大直径钻进技术研究

刘睦峰  
【摘要】: 软岩是地球表面分布最为广泛的一种岩石,是一种特定环境下的具有显著变形的复杂岩石力学介质,给工程施工、结构设计、施工工艺等带来一系列特殊问题。本文结合某工程的地质特征及施工技术难题,选取具有广泛代表性的软岩原样,首次对软岩的相似性材料的组合配方及其试验方法进行探讨,寻求较佳的配合组合来制作室内模拟钻进岩样,以此来探讨大直径软岩钻进技术的改进和工艺参数的优化,取得较好的应用效果,具有重要的工程意义。 论文选取岩性材料的模拟方法,将软岩原型选取为三种:泥岩(含页岩、粉砂质泥岩),粉砂岩(含泥质粉砂岩),细砂岩(含粉质细砂岩),经分析比较得出软岩模拟的最优配方号分别是泥岩(A2B2C3,即621#)、粉砂岩(A1B2C2,即437#)、细砂岩(A2B3C1,即355#),较好地模拟出了相应原岩的抗压强度;其三种岩石的内聚力和内摩擦角的变化趋势是相反的,且差别均不大,因此综合其抗剪强度能够符合原岩的强度范围,对模拟试验结果影响不大;模型的密度也尽可能的接近原岩,通过相似比计算均可以模拟原岩密度;模型的弹性模量试验值由于试验水平等原因虽未呈某趋势变化,但其值均在原岩范围内。所以,在室外的大样制作过程中,考虑了模具的承压能力及试验室的制作水平,最终确定模拟大样的尺寸为直径300(mm)、高400(mm)的圆柱体,以保证三轴应力试验机能够顺利制作大样试块和脱模和养护28天后满足钻进模拟试验要求。 探讨了机械参数对钻速的影响,根据室内条件和机械参数所起的作用,首先研究了刮刀切削角对钻速的影响。通过改变刮刀的安装角度,使刀片以不同的切削角度切削破碎模块,试验结果表明:泥岩在刮刀安装角度为10°时,碎岩效果最好,钻速最快;而粉砂岩和细砂岩在刮刀安装角度为5°时,碎岩效果最好,钻速最快。其次是钻压对钻速的影响。根据室内实验和现场现场试验数据,采用Microcal Origin软件对实验数据进行加权残差变易法分析,首次拟合出大直径钻孔作业的钻压与钻速的的变化规律为:y=(A-B)/(1+(x/x0)p)+B.现场试验表明钻压控制在100-200kN之间,能取得较好的钻进效果。第三是转速对钻速的影响。根据室内实验和现场现场试验数据并进行回归分析,首次拟合出转速与钻速的的变化规律为:y=a(1-ebx),现场试验表明转速控制在6-8rpm为宜,能取得较好的工效。 从钻头的碎岩机理研究出发,探讨了钻头的改进研究。研究认为软岩可归类为塑性岩层和弹—塑性岩层两大类,主要体现为碰撞、压碎及小剪切、大剪切等碎岩方式。在弹—塑性岩层中,每个剪切循环中和各个循环之间,水平力都是跳跃式的有规律地变化着;而在塑性岩层中,水平力没有显著的变化,基本上可以认为是常量。为此,论文主要从钻头刀具形状及材料选择、钻头导向及吸渣水口结构的优化设计、刮刀钻头角度的选择、切削翼板设计、钻头布齿设计等五个方面对新型钻头结构进行论证分析,通过现场试验,改进后的钻头达到了实际需求的效果。一是改进后的导向钻头中心角设置成小于刀翼中心角,将原来的100°改变为80。,增大导向锥的倾斜长度,以提高高速钻进时导向稳定性;二是改进后的刮刀尺寸为长200mm×宽80mm×厚60 mm,硬质合金为YG11C,结构形式是扁棱形,并根据切削角对钻速模拟试验结果,转角翼板的倾角不大于10°;三是工程应用效果评估中,新型刀片的成孔时间将缩短一半左右,其单套刀具的成孔数约普通的3倍,折算到单个成孔的价格性能比,新型刀片较普通刀片高很多;在钻压、转速和其他水力参数相同的条件下,将刮刀在两个项目的施工记录按纯钻进时间进行统计,新型刮刀的的功效提高了一倍以上,并作业区域得到了广泛的应用;四是钻孔参数优化的内容是多方面的,优化的目标不是唯一的,有最低成本指标,也有质量、速度、进尺、工期等其他指标。这些指标与机械设备、地质条件等客观因素有关,又与钻孔施工中采取的诸多措施及参数的选择有关。 通过施工组织与管理的风险评估,促进了钻进工艺参数的优化和管理决策水平的提高。一是大直径钻孔灌注桩由于其能适用各种地层条件、能制成各种桩径和桩长、能满足不同承载能力要求等诸多优点,被广泛应用于许多特大型基础工程施工中,尤其是深水、大跨径桥梁基础工程施工中,并不断向超大超深方向发展。由于工程地质条件越来越复杂,施工风险也越来越大。为此,针对工程地质条件的复杂性和不可预知性,着重探讨了风险型的决策方法及其决策方案的风险。二是结合大直径灌注桩施工组织与管理中存在的突出问题,以数理统计及有关计算方法为工具,以系统科学及决策论为理论基础,建立了风险型决策的数学模型,对类似的工程项目具有指导意义。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P634.5

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