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声频振动钻进的机理研究

熊玉成  
【摘要】: 声频钻进技术是一种在发达国家使用较为广泛的钻进技术,多用来进行钻探取样,目前这项技术在国内还处于空白。声频钻进技术的钻进机理研究是推进我国声频钻进技术发展的基础。本文主要通过收集并分析国外的声频钻进技术资料,用数值模拟和试验的方法,结合机械振动理论和岩土力学理论对声频钻进的机理做了一些研究工作。 本文从分析声频振动头的结构入手,提出声频振动钻进的强迫振动机械模型,用经典力学理论方法推导了声频振动钻进的运动学方程,分析了钻进过程中的力学问题及功率消耗问题。对声频振动钻进过程中的钻进频率选择给出了理论分析,并估算了钻进速度。用岩土力学理论及岩土钻掘理论分析了声频钻进的三种方式:碎裂、剪切和位移,分别说明了这三种钻进方式的特点、应用范围和钻进机理。 声频振动钻进相比于其它钻进方法有一个显著特点,可以使饱和砂土等松散含水地层产生液化,从而加快钻进速度,同时也要考虑液化对样品质量的影响。利用地震液化及低频振动液化理论建立声频振动钻进液化的模型,分析声频振动液化的特点、液化方式及液化与钻进速度的关系。 数值模拟是岩土材料受力分析的一种重要手段。本文通过建立合适的钻头冲击土体的计算模型,使用有限元方法对土体在钻头冲击作用下的变形过程、受力及位移等状态进行了模拟,研究在钻头结构一定、输出一定的冲击功的条件下所能切入土层的深度和钻头对柱状岩心的扰动情况。通过钻机现场试验证明了模拟计算结果。


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