摘要
大直径嵌岩斜桩的冲击成孔过程非常复杂，常规冲击钻头在钻进过程中存在效率低、磨损快、使用寿命低和成孔质量不高等问题，而钻头底部的冲击齿的类型和排布方式是解决这些问题的关键因素之一。基于此，本文采用数值模拟的方法，利用ANSYS LS‑DYNA软件分析了三角棱柱齿、楔形齿和双锥形齿等3种冲击齿在不同冲程条件下冲击破坏不同抗拉强度砂岩的过程。研究结果表明，在岩石强度较低时，可以优先选择楔形齿，而受施工条件限制需要在低冲程条件下钻进较高强度岩石时，可优先采用三角棱柱齿。研究成果可为大直径嵌岩斜桩的冲击成孔施工选择钻头冲击齿提供一定的理论依据。
随着我国海域经济的高速发展，多功能码头，跨江、跨海大桥等一系列基础设施已成为我国水运交通基础建设的重要组成部
钻头冲击齿在孔底破岩的过程十分复杂，国内外学者做了大量的破岩研究工
对于大直径嵌岩斜桩冲击成孔施工而言，不论桩径如何变化，决定其成孔速度的关键因素始终是冲击钻头底部的冲击齿类型和排列方式，而桩孔斜度对成孔速度的影响则主要是斜度会影响冲击钻头接触孔底岩石时的冲击速度。同时，大直径嵌岩斜桩施工用的冲击钻头与地质勘探和油气井钻头所采用的冲击齿在类型和尺寸上均存在显著差异。因此，本文利用数值模拟技术对用于大直径嵌岩斜桩冲击施工的不同冲击齿在单、双齿模式下对不同强度的砂岩进行冲击破岩过程模拟研究，从而为嵌岩斜桩施工过程中遇到不同强度基岩时的钻头冲齿选型和配套工艺参数优选提供依据。
以温州港状元岙港区化工码头项目施工时所采用的冲击钻头（
图1 现场冲击钻头
Fig.1 Impact bit
为研究齿形对岩石的冲击破碎效果，本文选用3种形状的冲齿（三角棱柱齿、楔形齿、双锥形齿），并分别以单齿和双齿模式对其破岩过程进行模拟。冲齿模型如
图2 冲击齿模型
Fig.2 Impact tooth model
本研究采用ANSYS Workbench中LS‑DYNA模块进行模拟求解。模拟过程中不考虑冲击齿的破坏，即冲击齿定义为刚体模型，弹性模量5.88×1
钻头在下落至接触岩石的过程中遵守能量守恒定律。因此，无论是直桩还是斜桩的冲击成孔过程，从能量转化角度来看都是钻头的重力势能转化为动能的过程。然而，在斜桩施工过程中，钻头的一部分势能在下落过程中被钻头与孔壁的摩擦所损耗，造成钻头接触岩石时的最终冲击速度降低。因此，为提高模拟效率，本文通过理论计算模型（如
| （1） |
式中，g——重力加速度，9.81 m/
为与实际冲击钻进过程保持一致，在对单、双齿进行模拟设定时，双齿的冲击荷载为单齿时的2倍，且冲击齿与岩石的接触关系设置为面与面侵蚀接触。在实际钻进过程中，由于钻头上部结构的影响，冲击齿自身几乎无转动，因此在模拟时对冲击齿施加转动约束。同时，为模拟岩石在地下半无限体状态，设置岩石模型侧面和底面为无反射边界，这样在冲击过程中产生的能量波在到达界面时便不会产生反射波，很好地模拟了实际情况。
如
图3 单个冲击齿的冲击入岩深度
Fig.3 Rock penetration depth of single impact tooth
由
（a） 6 MPa
（b） 8 MPa
（c） 10 MPa
图4 单齿冲击不同强度砂岩时的岩石体积破碎百分数
Fig.4 Volume fraction of sandstone with different tensile strength by single impact tooth
砂岩拉伸破坏强度为6 MPa时，3种冲程条件下单个冲击齿对砂岩的破坏体积均为楔形齿>三角棱柱齿>双锥形齿，且当冲程由0.8 m提升到1 m时，三棱柱齿与楔形齿的提升效果明显。砂岩拉伸破坏强度为8 MPa，且冲程<1 m时，单个双锥形齿对砂岩的破坏体积最大，三角棱柱齿次之，楔形齿的破坏体积最小，而冲程>1 m时，楔形齿的破坏效果更好。在砂岩拉伸破坏强度为10 MPa时，楔形齿的破坏体积最小，三角棱柱齿的破岩效果与冲程密切相关，双锥型齿的破岩效果大于楔形齿，但受冲程的影响不明显。
（a） 单排三角棱柱齿
（b） 单排楔形齿
（c） 单排双锥形齿
图5 单齿冲击后岩石表面应力分布
Fig.5 Stress distribution on rock surface after single tooth impact
在双排齿的冲击破岩过程中，如
图6 双排齿冲击入岩深度
Fig.6 Rock penetration depth of double impact teeth
（a） 6 MPa
（b） 8 MPa
（c） 10 MPa
图7 双排齿冲击不同强度砂岩时的岩石体积破碎百分数
Fig.7 Volume fraction of sandstone with different tensile strength under double impact teeth
在砂岩抗拉强度为6 MPa时，3种冲程条件下的砂岩破坏体积分别为楔形齿>三角棱柱齿>双锥形齿。随着冲程增加，双锥形齿破坏体积变化很小，三棱柱齿破坏体积略微增加，而楔形齿的破坏体积明显增大；在砂岩拉伸破坏强度为8 MPa时，楔形齿有着高的破坏体积，三棱柱齿与双锥形齿破坏体积变化较小；在砂岩拉伸破坏强度为10 MPa时，楔形齿依旧有着良好的破岩效果，而三角棱柱齿与双锥形齿的破坏效果则与冲程相关。
（a） 双排三角棱柱齿
（b） 双排楔形齿
（c） 双排双锥形齿
图8 双排齿冲击后岩石表面应力分布
Fig.8 Stress distribution on rock surface after double tooth impact
在冲击钻进过程中，冲程是影响冲击成孔效率的主要因素之一。冲程越大，冲击钻头的势能越大，在冲击岩石的瞬间所获得初始动能也越大，即冲击功越大。相应地，破碎岩石的效果则会越好。对于3种齿形，不论单齿还是双排齿作用模式，在冲击相同强度的砂岩石时，冲击齿的入岩深度均会随着冲程的增加而增大，总破岩体积也会相应增大。理论上而言，在冲击齿不破坏的情况下，冲程越大破岩效果越好。但实际施工中，冲击频率与冲击高度会相互制约，冲程的增加会导致冲击频率降低，反之亦然。此外，不同齿形针对每种强度的岩石均会有各自的临界冲程。因此，冲击齿的选择脱离不了地层因素与钻进参数。例如，采用单齿在冲程为0.8 m时冲击低强度砂岩（6 MPa），则楔形齿的破碎效果最优，而在冲击较高强度（8 MPa）岩石时三角棱柱齿与锥形齿的破碎效果明显优于楔形齿；但同时，在砂岩抗拉强度为8 MPa时，随着冲程的增大，楔形齿的破碎效果提升程度会大于其他2种齿。此外，双排齿在本研究所采用的参数条件下，楔形齿的破岩效果最优。
利用有限元方法对大直径斜桩冲击钻头冲击齿破岩过程进行数值模拟研究，结果表明：
（1）单次冲击过程中，3种冲击齿的入岩深度依次是双锥形齿>三角棱柱齿>楔形齿。随着冲程的增加，入岩深度增加，岩石破碎体积也增加。
（2）在破碎低强度岩石时，可优先选择楔形齿，其次是三角棱柱齿，最后是双锥形齿。
（3）在破碎高强度岩石时，在冲程受到一定限制时可优先采用三角棱柱齿；或者采用楔形齿并相应地提高其冲程。
（4）在大冲程施工中，楔形齿的组合有着较好的破岩效果，高进尺的双锥形齿与高破碎效果的楔形齿组合可能会产生更好的破碎效果。
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