一种冲击钻孔灌注桩的冲击功主动控制方法与流程

本发明涉及交通工程领域，具体是一种冲击成孔灌注桩的冲击功主动控制方法。
背景技术：
：冲击成孔是基桩成孔的重要成孔工艺之一，占据各种工程成孔的半壁江山，尤其对砾卵石地层、岩溶发育岩层、裂隙发育地层等复杂地质环境具有良好的技术适应性，市场应用前景广阔。在维持孔壁稳定性的前提下提高成孔效率是评价冲击成孔灌注桩工艺优劣的重要指标。孔壁稳定性作为冲击成孔灌注桩的热点研究问题，目前更多地聚焦于孔壁土体破坏准则，护壁泥浆配比及作用，缩径及塌孔机理等方面，而忽略了成孔过程中源头动力输入的影响。锤头触底冲击作用作为冲击成孔的源头动力输入，与孔壁稳定性和成孔效率有密切联系。冲击钻锤头通过卷扬机等机具提升获取势能并通过自由落体释放，在这一过程中，一部分势能被泥浆阻力耗散，另一部分势能将转化为钻头动能。除泥浆内部耗散机制引起的温度变化外，前者引发的低周波浪将影响孔壁稳定性。后者在锤头触底后，一部分能量以冲量形式用于破岩挤土，影响钻进效率，另一部分将以弹性波的形式向孔壁传播，影响孔壁稳定性。如果锤头运动速度时程得解，通过该时程与锤头在空气中的自由落体运动对比，即可求得泥浆阻力耗散功，进而估算波浪作用大小。同时，利用速度时程可现实钻头触底速度—钻头冲程关系的反推，从而达到通过调整冲程控制锤头触底冲击功的目的，进而实现对钻进效率和孔壁冲击振动的精确控制。当欧拉网格划分和拉格朗日网格划分两种不同机理的网格划分技术在同一有限元模型中同时实现后，流固耦合问题的数值模拟技术取得了长足发展。从理论上看，冲击钻落体运动可以由支持流固耦合计算的有限元软件实现。但也应注意，数值模拟不是面向对象性的解决方案，一对一的建模方式无法适应桩基工程的大体量特点，找到更为简便且能够适应实际工况变化的动力时程解答，特别是显式的解析解答将有助于冲击成孔工艺技术水平的整体提升，对实现以精准控制为目标的工艺优化和更新具有里程碑的意义。技术实现要素：针对缺少对冲击钻锤头冲击功计算原理较为深刻的研究的问题和现状，本发明将泥浆粘滞阻力、泥浆碰撞阻力表达式纳入到锤头下行过程中的动力学方程之中并给出了锤头速度解析解答，程序化后的求解过程耗时是采用软件模拟耗时的1/18000倍，为冲击功的实时计算以及冲击成孔参数的实时调整提供了可能，为冲击钻优化设计提供了可行的技术支撑。本发明是通过如下技术方案得以实现的：步骤一：建立由惯性力、泥浆粘滞阻力、泥浆碰撞阻力、泥浆压差阻力及锤头自重力平衡关系组成的动力平衡表达式fin+fvic+fcra+fdis＝g其中，fin-惯性力，fvic-泥浆粘滞阻力，fcra-泥浆碰撞阻力，fdis-泥浆压差阻力(由于锤头运动时前后表面的泥浆速度大小不变，故压差阻力就是泥浆对锤头所产生的浮力)，g-钻头重力步骤二：推导泥浆粘滞阻力表达式：根据泥浆速度分布函数假设推导分界面泥浆速度梯度，按照宾汉姆体的流体剪应力-速度梯度关系建立泥浆粘滞阻力表达式；fvic＝τ0s+fvicvha其中，τ0-泥浆静切力，一般取1pa-5pa；s-锤头与泥浆分界面面积的竖向投影，fvic-泥浆速度梯度函数系数，vha-冲击钻锤头速度。步骤三：推导泥浆碰撞阻力表达式：锤头运动的前表面即锤头底面与泥浆发生碰撞并迫使泥浆运动，按照流体动量平衡方程，泥浆获得的动量增量与泥浆所受外力冲量相等，由作用力反作用力平衡关系可知，锤头所受碰撞阻力即为泥浆所受外力的反向力，泥浆运动产生的动量增量与泥浆所受外力冲量相等，据此建立泥浆碰撞阻力表达式；其中，fcra-碰撞阻力系数，vha-冲击钻锤头速度步骤四：将泥浆粘滞阻力，泥浆碰撞阻力，泥浆压差阻力，惯性力代入动力平衡表达式转化为以锤头速度为未知量的黎卡提方程，如下：其中，vha为锤头速度，上式求解后，锤头速度的时程为其中，t为时间，c1与k1,k2,k3有关步骤五：将速度时程的数学表达式程序化形成速度时程求解模块，利用速度时程求解冲击功时程，通过速度积分器求解锤头位移时程，通过位移时程和冲击功时程作位移—冲击功相关曲线；依据孔内岩土强度和孔壁稳定性需求输入锤头所需冲击功后即可通过位移—冲击功相关曲线实现冲程的主动控制。有益效果：1.通过建立冲击钻锤头在泥浆中的动力学模型，得到了锤头速度时程的解析解答，为冲击钻冲击作用计算提供了一条便捷通道。2.锤头速度时程的求解，对实现以钻进效率、孔壁稳定性为控制目标的工艺参数、设备参数的主动选择提供了可能，对提升冲击成孔的工程精细化研究水平大有裨益。3.程序化后的单工况速度时程求解过程耗为4秒，而在较细网格划分下采用abaqus软件模拟的求解耗时为20小时，两者耗时比为1/18000倍，具有超强的工程实用性，为冲击成孔具体参数的实时调整提供了可能，对冲击钻设备及工艺的进一步优化和更新提供了理论依据，对国家乃至世界冲击成孔工艺的进一步规范和完善具有里程碑的意义。4.经有限元软件abaqus的模拟验证，计算所得锤头收尾速度误差在千分之一水平，速度时程的全程方差在0.0342-0.1780之间。锤头速度时程求解过程通过计算机编译后，单个实际工况的计算耗时仅为4秒，而相同条件下采用软件模拟将耗时数小时，计算耗时的缩短，为锤头、泥浆参数的实时调整提供了可能，为冲击钻优化设计以及冲击成孔工艺的提升提供了理论依据。附图说明图1为流场截面速度分布假设的依据及局部坐标系说明图，其中，图1a)为冲击钻锤头模型，图1b)为任意截面的泥浆作用区域划分；图1c)为局部坐标系的建立；图2为速度时程理论计算与模拟计算对比图，虚线为模拟值，实线为理论值。图3为冲击功计算及冲程控制步骤流程图。附图标记如下：1-孔壁；2-冲击钻锤头；3-任意截面。具体实施方式下面结合附图对该发明具体实施进行说明，但本发明的保护范围不限于此。步骤一：建立动力平衡表达式，建立动力平衡关系的依据是：锤头势能释放的落体过程中惯性力、泥浆阻力(包括泥浆粘滞阻力、泥浆碰撞阻力、泥浆压差阻力)、设备阻力以及钻头自重保持力平衡关系。此平衡关系中可能存在的设备阻力主要包括桩锤与桩架滑轨之间的机械摩擦阻力、提升油缸下腔泄油阻力和上腔供油不足所产生的负压阻力等，但随着设备制作工艺的不断改良，施工操作流程的日益规范，设备阻力已显著降低可不列入平衡式中，故动力平衡表达式如下：fin+fvic+fcra+fdis＝g其中，fin-惯性力，fvic-泥浆粘滞阻力，fcra-泥浆碰撞阻力，fdis-泥浆压差阻力(由于锤头运动时前后表面的泥浆速度大小不变，故压差阻力就是泥浆对锤头所产生的浮力)，g-钻头重力。步骤二：推导泥浆粘滞阻力表达式，该步骤为本发明中的重点及难点步骤结合附图图1，图1a)为冲击钻锤头模型，由于模型截面尺寸随截面截取高度变化，取任意高度处截面分析，其截面形式见图1b。由图1b)可见，泥浆与锤头的分界面可将孔内泥浆划分为两个区域，一是以锤头外表面和钻孔孔壁为边界的扇环形区域，其粘滞阻力作用于锤头外表面；二是以钻头泄浆孔壁和钻孔孔壁为主边界的钟形区域，其粘滞阻力作用于锤头泄浆孔壁。对区域1，由于锤头和钻孔的环向对称，可假设分界面或者线上剪应力环向对称。取分界面或者线上任意一点为原点，以钻孔中心与该点连线的延长线并指向孔壁的方向为横坐标轴，以截面法向向下方向为纵坐标建立任意截面速度场分析的局部坐标系，并在该坐标系下提出泥浆竖向速度场函数形式假设。对区域2，为简化计算采用等效圆替代钟形，等效圆圆心为泄浆孔圆点，等效圆直径为泄浆孔直径，圆周一半为泄浆孔边界参见图1c)中实线部分，另一半为孔壁边界参见图1c中虚线部分。以等效圆泄浆孔边界即实线上任意一点为原点，以该点与泄浆孔圆点连线并指向孔壁的方向为横坐标，以截面法向向下方向为纵坐标建立任意截面速度场分析的局部坐标系，并在该坐标系下提出泥浆竖向速度场函数形式假设。假设泥浆竖向速度场函数形式为幂函数形式。同时考虑速度边界条件vsl(0)＝vha，vsl(rho)＝0，可设：其中，vsl(r)-泥浆速率分布函数，rho-锤头任意截面处局部坐标系原点到孔壁的距离，n-泥浆速率分布经验指数(层流时取2，考虑紊流影响时大于2)，a-泥浆速率分布函数的待定参数。按照泥浆的质量连续方程，钻头下落所排开的泥浆体积应等于上行的泥浆体积，有表达式：其中：aha-锤头截面面积；aho-钻孔截面面积；aio-任意截面的锤头截面面积与泥浆截面面积之比。求解上式可得待定参数a，将a代入上述速率分布函数，可得到完整的泥浆速度分布表达式，对其求导后取r＝0即可求得靠近锤头表面的竖向速度梯度：其中，fvic-竖向速度梯度函数系数通式，并有fvic＝[(n+1)naio+2n]/rho对区域1，速度梯度函数系数取上下截面的均值有：fvic1＝[(n+1)naiou+2n]/rhou+[(n+1)naiod+2n]/rhod其中，rhou-锤头顶部截面处局部坐标系原点到孔壁的距离，rhod-锤头底部截面处局部坐标系原点到孔壁的距离，aiou-锤头顶部截面处锤头截面面积与泥浆截面面积之比，aiod-锤头底部截面处锤头截面面积与泥浆截面面积之比。对区域2，速度梯度函数系数取下截面计算结果，有fvic2＝[(n+1)naiod+2n]/rhor其中，aiod-锤头底部截面处的锤头截面面积与泥浆截面面积之比；rhor-泄浆孔半径。最后求得泥浆粘滞阻力的基本表达式为：fvic＝(τ0+ηfvic1vha)·sha1+(τ0+ηfvic2vha)·sha2＝τ0s+η(fvic1sha1+fvic2sha2)vha＝τ0s+fvicvha其中，τ0-泥浆静切力，一般取1pa-5pa；η-泥浆动力粘度，一般取20pas-24pas；取20pa·s-24pa·s；vha-冲击钻锤头速度，sha1-区域1分界面积的竖向投影；sha2-区域2分界面积的竖向投影；fvic1-区域1速度梯度函数系数；fvic2-区域2速度梯度函数系数。步骤三：推导泥浆碰撞阻力表达式设在dt时间内，被钻头排开的泥浆获得冲量，该部分泥浆质量为：dmsl＝ρslahavhadt其中，ρsl-泥浆密度；aha-锤头底面面积取两种极端情况求解，一是泄浆孔半径为0时，二是泄浆孔半径为无穷大时，分别有对任意泄浆孔大小取两者的指数插值为碰撞阻力解，有：其中，rhor-泄浆孔半径；fcra-碰撞阻力系数步骤四：考虑惯性力fin＝mha(dvha/dt)，将泥浆粘滞阻力，泥浆碰撞阻力，泥浆压差阻力，惯性力代入动力平衡方程，将得钻头的完整运动方程，移项并化简后有：其中，由于同工况下k1、k2、k3为常数，方程可化为分离变量型微分方程：两侧求积分，得方程通解：考虑初始条件vha(t＝0)＝0，常系数c1可求解为：最终钻头速度的显式解析表达式为：表1为各工况模拟参数的选取组别1hharhourhodrhorr12.50.250.750.3000.7622.50.250.750.3250.7632.50.250.750.3500.7642.50.250.750.3750.76组别2hharhourhodrhorr13.00.300.90.3600.9123.00.300.90.3900.9133.00.300.90.4200.9143.00.300.90.4500.91组别3hharhourhodrhorr13.50.351.050.4201.0623.50.351.050.4551.0633.50.351.050.4901.0643.50.351.050.5251.06结合附图2及表1，与12组不同工况的有限元软件模拟结果对比，模拟工况3组，每组4个，共计12个工况，3组不同组别工况分别适用于孔径为1.5m，1.8m，2.1m钻孔孔径，考虑到锤头偏置误差，实际成孔孔径稍大于该值，半径差值设定为0.01m。同组工况内按等差设定4种泄浆孔半径。所有工况中泥浆静切力取2pa、泥浆密度取1300kg/m3、泥浆动力粘度取22pa·s、锤头密度取7850kg/m3、锤头杨氏模量取2.06×1011；本发明所计算得到的收尾速度误差一般情况下可达到千分之一级，曲线全程方差在0.0342-0.1780之间，曲线逼近情况良好，满足工程精度需求。步骤五：将速度时程的数学表达式程序化形成速度时程求解模块，利用速度时程求解冲击功时程，通过速度积分器求解锤头位移时程，通过位移时程和冲击功时程作位移-冲击功相关曲线。依据孔内岩土强度和孔壁稳定性需求输入锤头所需冲击功后即可通过位移-冲击功相关曲线实现冲程的主动控制。具体流程图请参考图3。程序化后的单工况速度时程求解过程耗为4秒，而在较细网格划分下采用软件模拟的求解耗时为20小时，两者耗时比为1/18000倍，这为冲击功的实时计算以及冲击成孔参数的实时调整提供了可能。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3