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【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】 摘要 摘要 可控向曲线穿孔机是用于非开挖施工技术中的一种施工机械。而非开挖施工 技术，是利用各种钻掘技术手段，以最少或无需挖沟( 槽) 的条件在地表下进行 各种用途和各类材质的小口径地下管线的铺设、更换和修复的施工技术，该技术 改变传统的大开挖铺管和修复的施工方法，而形成非开挖施工钻孔铺管和修 复的施工方法。 本文研究的可控向曲线穿孔机( s d h 7 0 曲线穿孔机) 是在d h 7 0 气动直线穿 孔机的基础上进行设计的一种新型地下曲线穿孔机械。与目前使用的定向钻完全 不同，它是以振动冲压原理而工作的，具有施工简单、后座力极小的优点。作为 目前世界上尚处以空白的新型曲线穿孔机，其设计除涉及机械、电子、气动等技 术外，还涉猎到土力学、无线电测量等学科。 本文在介绍了国内外非开挖铺管技术的研究、发展和非开挖施工技术方法的 基础上，对直线运行的阴系列气动地下穿孔机的工作原理和世界上已有可控向 地下穿孔机的原理作了分析与简介，提出了s d h 7 0 可控向曲线穿孔机的工作机理、 关键技术与技术难题。 鉴于可控向曲线穿孔机是依靠土壤的作用力实现运动控向，文章还对土壤的 特性，土壤与钻头之间的相互作用以及穿孔机的运行理论进行了碰撞过程中的受 力分析，为可控向穿孔机曲线运行机理研究打下了理论基础。 文章在分析了s d h 7 0 可控向曲线穿孔机的工作机理基础上、对s d h 7 0 可控向 曲线穿孔机的关键部件作了机理分析，对关键部件头部结构、双稳头的运行机理、 导管的设计要求作了分析，对s d h 7 0 曲线穿孔机进行了原理设计，并对穿孔机曲 线轨迹进行了计算机模拟与分析。 为对穿孔机曲线轨迹进行检测与控制，文章分析了穿孔机的定位原则，确定 了穿孔机施工时需要测量的参数。在此基础上，研制了测量旋转角度s 和测量深 度的传感器，并提出了旋转角度及深度测量传感器在穿孔机主体中的安装和使用 方法。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】 a b s t r a c t a b s t r a c t d i r e c t i o n c o n t r o l l e dc u r v ep u n c h i n gm a c h i n ei sac o n s t r u c t i o nm a c h i n eu s e di n n o n - e x c a v a t i n gt e c h n o l o g y n o n - e x c a v a t i n g c o n s t r u c t i o nm a k e su s eo fv a r i o u s d r i l l i n gt e c h n i c a lm e t h o d s ( a n dm a c h i n e s ) t ol a y , r e p l a c ea n dr e p a i rs m a l l c a l i b e r u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sw i t ha l lk i n d so fu s e sa n dm a t e r i a l s ，r e s u l t i n gi nt h el e a s to f d i t c h e so re v e nn o n ed i t c h t h a ti st os a y , t h en o n e x c a v a t i n gc o n s t r u c t i o n a lt e c h n i q u e i st h em e t h o dt ol a ya n dr e p a i rp i p e l i n e so n l yb yd r i l l i n gi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l m e t h o d ，w h i c hi sc o n s t r u c t e db yl a r g e - s c a l ee x c a v a t i o n d i r e c t i o n c o n t r o l l e dc u r v ep u n c h i n gm a c h i n e ( s d h - 7 0c u v ep u n c h ) d i s c u s s e di n t h i sp a p e ri san e wt y p eo fu n d e r g r o u n dp u n c hd e v e l o p e do nt h eb a s i so fd h 一7 0 p n e u m a t i cp u n c h t o t a l l yd i f f e r e df r o mp r e s e n td i r e c t i o n a ld r i l l s ，i tw o r k si nt h ew a y o fv i b r a t i o nr a m m i n g ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fs i m p l e s tc o n s t r u c t i o na n dl i t t l er e c o i l a san e wm a c h i n ep i l l i n gu pt h ev a c a n c yi nt h i sf i e l d ，i t sd e s i g nr e l a t e st om e c h a n i c s ， e l e c t r o n i c s ，p n e u m a t i c s ，a n dt o u c h e so no t h e rs u b j e c t ss u c ha ss o i lm e c h a n i c sa n d r a d i og o n i o m e t r y , e t c i nt h i sa r t i c l ea u t h o ri n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，d e v e l o p m e n t sa n d t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d so f n o n - e x c a v a t i n gp i p e - l a y i n gt e c h n i q u ei no u rc o u n t r ya n d a b r o a d ，a n da n a l y z e sa n dp u t sf o r w a r dt h ew o r k i n gm e c h a n i s m ；k e yt e c h n i q u e sa n d t e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m so fd i r e c t i o n - c o n t r o l l e dc u r v ep u n c hs d h7 0a f t e rab r i e f i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fl i n e a rd hs e r i e sp n e u m a t i c u n d e r g r o u n dp u n c ha n dt h eo t h e rd i r e c t i o n c o n t r o l l e d c u r v ep u n c h i n gm a c h i n e s k n o w ni nt h ew o r l d b e c a u s et h ec o n t r o lo ft h ed i r e c t i o ni nm o t i o no fd i r e c t i o n - c o n t r o u e dc u r v e - p u n c h i n gm a c h i n eu t i l i z e st h ef o r c eo fs o i l ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o i la n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ns o i la n dt h eb i to fd r i l l a n da l s om a k e st h ef o r c e a n a l y z i n go nt h eo p e r a t i o nt h e o r yo fp u n c hd u r i n gt h ep r o c e s so fi m p a c tt of o u n du p t h et h e o r yb a s i so ft h ea n a l y s i so fo p e r a t i o nt h e o r yo fd i r e c t i o n - c o n t r o l l e dc u r v e p u n c h a f t e ri n v e s t i g a t i o no ft h ew o r k i n gt h e o r yo fs d h7 0 ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h e m e c h a n i s mo ft h ek e yp a r t so fs d h7 0a n dt h eh e a ds t r u c t u r e ，a sw e l la st h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo fd o u b l es t a b l eh e a da n dt h er e q u i r e m e n tf o rd u c td e s i g n t h e na u t h o r p r o v i d e st h eo p e r a t i o na n dd e s i g np r i n c i p l e so fs d h7 0 ，a n da l s om a k e sc o m p u t e r s i m u l a t i o na n da n a l y s i so fc u l et r a j e c t o r yo ft h ep u n c h i no r d e rt oc h e c ka n dc o n t r o lt r a j e c t o r yo ft h ec u r v eo fp u n c h ，t h ea u t h o rs t u d i e st h e l o c a t i o np r i n c i p l eo ft h ep u n c h , a n dd e t e r m i n e st h ep a r a m e t e r st h a tn e e dt ob e m e a s u r e dd u r i n gt h ep u n c hw o r k s a tl a s t ，t h es e n s o r su s e dt om e a s u r er o t a r ya n g l es a n dt h es e n s o r su s e dt om e a s u r ed e p t ha r ed e v e l o p e d ，w h o s ei n s t a l l a t i o na n du s a g ei na p u n c ha r ep u tf o r w a r d 1 1 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 1 1 1 课题来源 同济大学液压教研室早在八十年代末期就开始研制液压振动锤，1 9 8 9 年液 压振动打桩机与液压夹具获得国家教委科技进步二等奖。在此基础上逐渐在液 压振动技术方面形成了自己的研究特色，并成立了以研究非开挖地下穿孔机械为 主体的同济大学地下穿孔机研制组，从事地下穿孔机械与地下穿孔技术的研究。 该研制组经过多年努力，先后研制了d h 系列气动穿孔机、t r 系列液动穿孔机、小 型定向钻等多种地下穿孔机械，得到国家教育部重点资助和上海市科委、建委多 项资助。d h 系列气动穿孔机获得9 8 年国家教育部科技进步三等奖。课题组瞄 准世界科技前沿技术，敢于天下先，又在小型阴系列气动穿孔机的基础上，研制 了可导向的曲线穿孔机。课题新型曲线地下穿孔机方向检测、发讯和导向控制 机理的研究被列入国家高技术研究发展计划( 八六三计划) 自动化领域智能机 器人主题的立项资助( 课题编号：8 6 3 5 1 2 9 9 3 4 一0 3 ) ，并已于2 0 0 1 年年初通 过了( 八六三计划) 智能机器人主题专家组的验收。本论文可控向曲线穿孔机 机理与关键技术研究就是基于新型曲线地下穿孔机方向检测、发讯和导向控 制机理的研究课题而进行的研究。 1 1 2 课题研究的实际意义 随着城市建设、铁道与公路交通、广播与通讯事业的蓬勃发展，需要在地下 铺设大量的供水管、排污管、燃气管、石油管、供热管、动力电缆、通讯电缆和 光缆、有线电视电缆等管缆。有些管线需要穿越建筑物、市区街道、江河和湖泊， 但不可能使用开挖的方法施工：有些管线需要穿越铁道干线、高速公路、机场跑 道和重点保护的名胜古迹，更不允许使用开挖的方法施工：而且开挖路面，带来 严重的粉尘和噪音污染，破坏已有的路面，产生大量的建筑垃圾，直接影响城市 交通和人们的生活。因此，一种不破坏地表、不干扰交通、不污染环境的非开挖 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】 第一章绪论 铺管技术得到越来越多的普遍应用。近年来非开挖式地下铺管一直是地下施工的 重点和难点。 属于非开挖铺管技术范畴中的盾构、液压项管技术是目前适用于大直径管道 ( d 2 米) 长距离地下铺管的主要施工工艺，但这种施工工艺需要巨大后坐力， 需依托很大的反力墙来平衡后坐力，因而带来投资大，费用昂贵，辅助开挖大， 工期长，施工场地大等不足。对于小直径系列的管道( d , f 、7 ， 图2 1 0d h 7 0 穿孔机工作原理图 a 、b 两孔通过导向阀连通是正向冲击工况，而a 、b 阻塞，s l 腔与c 孔相通 是倒打工况。穿孔机重要参数是冲击功w ，其大小表明穿孔能力。 2 2 3s d h 7 0 曲线穿孔机的关键技术 s d h 7 0 曲线穿孔机是一种概念完全新型的可控向地下穿孔机，这种新型的 地下曲线轨迹施工的穿孔机要解决的技术关键是： ( 1 ) 由于s d h 7 0 曲线穿孔机是利用气动穿孔机头部的转动来改变前进的路 线的，需研制一个理想的可转动的头部，要研究双稳头的调节机理，分析主参数 和土力学关系，且由于穿孔机已进入地下，存在一个如何遥控的问题； i 可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第二章国内外已有曲线穿孔机与d h 系列直线穿孔机基本原理 ( 2 ) 要有一套检测系统，随时了解深入地下的穿孔机的目前方位，然后才能 决定如何调节和修正穿孔机前进方向； ( 3 ) 要研制或选用套微型化，安装机体内的可抗振动的姿态传感器。 解决以上关键技术后研制成的s d h 7 0 可控轨迹穿孔机有如下的特点： ( 1 ) 从工作坑到目标坑穿孔机运行的轨迹既可以是曲线，也可以是直线运行， 即可控的： ( 2 ) 穿孔机工作时，因可曲线运行，故可控制其从土表面进入，表面出来， 可不要施工前准备工作坑和目标坑，节省准备时间； ( 3 ) 通过双稳头的调节来控制穿孔机直线或曲线施工； ( 4 ) 扩展穿孔机使用土壤的范围； ( 5 ) 价格低，有利于在我国推广使用。 本论文研究的主要是在气动矛( 气动穿孔机) 基础上进行更上一台阶的改进， 使直线打孔的气动矛能实现曲线轨迹运行。 通过分析目前世界上存在的可控曲线轨迹打孔的非开挖地下铺管技术的发 展，可以有针对性地提高我们研制s d h 可控轨迹穿孔机的技术水平。 2 2 4s d h 7 0 穿孔机亟需解决的技术难题 我们选择d h 7 0 穿孔机作为改造目标，有五大技术难题需要解决： ( 1 ) 工作头的转动结构，即能使工作头转向，它是曲线修正的关键技术， 不能解决这个问题曲线穿孔就无法完成； ( 2 ) 挠性杆的处理，挠性杆要完成工作头的旋转，不仅要有一定刚度和强度， 还要具有一定的柔性。否则，穿孔机器人的转动曲率半径就会太大。因为d h 7 0 穿孔机要有回气结构，挠性杆不能太粗，壁厚不能太大，这些都使挠性杆处理的 难度增加； ( 3 ) 挠性杆不能太长，它是一节一节在工作中再连接起来的，因为柔性杆 是双向受力，不能用螺纹联结，因而快速接杆机构也是关键技术之一： ( 4 ) 姿态传感器，要求小型化，而且要耐冲击； ( 5 ) 误差修正除和控制装置本身性能有关外，和土壤之间力学关系也很大， 故应研究工作面与土壤之间的力学关系。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第二章国内外已有曲线穿孔机与d h 系列直线穿孔机基本原理 本章小结 本章分析了可控向定向钻机形成直线与曲线的工作原理，介绍了可控向定向 钻机的目前采用的各种可控钻头的形式与工作原理，从而体会定向钻机的钻孔杆 要能时而直线时而曲线运动，其钻头的设计是个关键。钻头不仅在地下挤压土层 前进，必要时还得击碎岩石体并能形成合适的弧线。也介绍了同样能作曲线运行 的小型液压顶管机的导向方式和微型隧道钻孔机的导向和定位方式。因为s d h t o 曲线穿孔机是在d h 7 0 直线穿孔机的基础上研制的可控向的曲线穿孔机，其采用 的工作原理与世界上已有曲线穿孔机完全不同，本章除了导向部分的分析介绍 外，对s d h 7 0 曲线穿孔机的基础母体d h 7 0 直线穿孔机的工作概况、基本工作原 理作了分析与介绍，在此基础上就提出了研制概念完全新型的可控向地下穿孔机 一s d h 7 0 曲线穿孔机关键技术所在，指出要研制一个理想的可转动的头部( 双稳 头) 、随时了解深入地下的穿孔机方位的检测系统和抗振动微型化的姿态传感器 的必要性。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 第三章土的特性分析及其对钻头的作用 地下穿孔机是在土壤中工作的，曲线穿孔机又是利用土壤的反推力进行控向 和曲线运行的，为此本章分析和探讨土壤的特性及其对钻头的作用n ，为分析与 设计钻头打下基础。 3 1 土的特性分析 3 1 1 土的变形特性 土体在遭受外力后发生变形，这个问题包括两方面的含义：绝对变形量和变 形随时间过程的发展。在应力与应变之间的联系以及土体力学的反应与分析上尽 管仍引用一般固体材料适用的材料力学和弹塑性力学的原则、原理和计算表达式， 但它自身的特点也是显而易见的，如土的压缩参数，估算变形的各种不同性质的 模量，变形时间过程及其特有的孔隙压力问题等。 土的压缩性。这是关于土的变形问题必然要提到的土体本性。它总是假定土 体的固体颗粒和土孔隙中的液体水均是不可压缩的，因而在外力作用下的压缩仅 仅是指孔隙体积的变化。 实施土体变形计算必须确定应力一应变关系，在仍然将土体模拟为弹性体或 弹性半空间的前提下，广泛采用材料力学中的虎克定律。这时需有相当于虎克定 律中的杨氏模量的土体的压缩模量或变形模量( 泊松比) 等参数。由于土体不是 理想弹性体，应力状态与大小和排水条件等的不同，均会使土的变形性质发生变 化，以致影响到这些参数的性质和大小以及产生相应的改变。因而就计算土体变 形的“模量”这一参数而言，目前所及已不下6 种，且分别适用于相应的变形性 质和应力条件，详见表3 1 所列。 土体变形随时间过程的发展即土的固结是全面讨论土的变形问题的另一个重 要内容。由于本课题不涉及这方面研究，此处从略。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 表3 1 各种不同条件下土的模量( 变形计算参数) 模量名称适用于计算变形的性质对应的应力条件测定方法 压缩模量e 。一维单向应力的固结沉降一维竖向应力室内常规压缩试验 三维应力的固结沉降或载荷 根据现场载荷板试验资 变形模量e o 三维应力状态 板试验的沉降料用弹性力学公式求取 用于计算如风载荷下的地基 弹性模量e d 沉降和倾斜、地震反应分析及 三维应力状态 可用静、动三轴试验测定 交通道路的变形设计等 用于土体初始沉降即瞬时沉三维应力状态的弹室内三轴不排水压缩试 不 阱搬e i l 降计算性应变与应力关系验 常应用于非线形本构模型中一维或三维应力状 回弹模量e r 常规三轴压缩试验 的弹性变形部分的计算态 非线弹形本构模型中变非线 一般是三维应力状 常规三轴压缩试验 切线模量e t 形为短区间的线弹性时的弹 态 性常数之一 3 1 2 土的强度特性 土体抗剪强度通常是指在外力作用下，土体抵抗破坏( 剪切破坏) 的极限能 力。土体的强度破坏沿用传统的塑性力学的方法，取强度极限控制条件作为依据 而尚未有机地反映土体变形特性的结合，所以其破坏准则甚至包括屈服条件都是 引用经典弹塑性理论中已经被理想化了的几种强度理论，如莫尔一库仑准则。 土体抗剪强度最基本的表达式是库仑定律数学公式和莫尔一库仑准则的数学 方程，为： f = c + o t g ( p 仃。= 仃，留2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c 留( 4 5 。+ 詈) 仃，= 仃。培2 ( 4 5 。一詈) + 2 c 留( 4 5 。一詈) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 其中，c 、9 均是土的抗剪强度指标：粘聚力( k p a ) 和内摩擦角o ) ，在实 用中它们都可视为常数。 3 2 土的本构体系 土的本构体系( 称应变应力关系等) 是指土的力学特性的数学表达式，实 际上土的力学特性是很复杂的，具有非线性、弹塑性，剪胀性、各向异性和流变 性等，同时应力水平、应力路径、应力历史以及土的状态、结构和温度等均对其 有显著影响，要找出一个土的本构关系数学模型来全面正确地描述所有这些特性， 事实上是很难做到的。针对一定的土料、一定的岩土工程条件、作一定程度的简 化是必要的。 土的本构关系模型大体可分为弹性模型，弹塑性模型和粘弹塑性模型。 3 2 1 土的弹性模型 弹性本构关系有三个明显的特征： ( 1 ) 应变的弹性或可逆性； ( 2 ) 应力与应变的唯一对应关系； ( 3 ) 与应力或应变路径的无关性。 l 、线性弹性模型 对于线性弹性模型，应力和应变之间存在着线性相关的关系。因此，按照弹 性理论，线弹性本构关系可以表示为： = ( 3 - 4 ) 4 戥 勺= c 知仃村 ( 3 - 5 ) 式中d 知和c 知为四阶弹性系数张量，它们的每一个分量都是以弹性模量系数表示 的常数。当材料为各向同性时，以弹性常数e 、y 表示的( 3 - 4 ) 和( 3 5 ) 式就简 化为： 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章士的特性分析及其对钻头的作用 e v e 。 。而白+ ( 1 - v x l + 2 v ) 气d g = 等咿晒i g q2 百o i o o “ ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 2 、非线性弹性模型 绝大多数的非线性弹性模型是建立在弹性增量理论基础上，满足增量的广义 虎克定律，印( 60 ) = 【d 】 6e ) 。弹性模量矩阵中的弹性系数e ( 切线弹性模量) 和形( 切线泊松比) 或g f ( 切线剪切模量) 和k 。( 切线体积模量) 是随着应力水 平而变化。这类模型一般利用曲线拟合。内插等方法用数学函数( 如双曲线、抛 物线、样条函数、多项式等) 表示应力一应变试验曲线。非性线弹性模型可分为 e y ，g k 和考虑球张量和偏张量藕合的模型等，这里仅以e y 模型为例说 明。 e v 双曲线模型。采用k o n d n e r 关于砂土与粘土的常规三轴试验时应力应变 关系可用双曲线表示的建议，定义切线弹性模量： e = 百a ( o - , - o - 3 ) = ，一尝c o s ( 差02 0 - 剖s i n2 勋。时p 8 ， a g ，l 2 c+ ，够l1 。l。j 式中c 、9 、r ”k 、以为土的材料常数，通过一组常规三轴试验求取。 土的弹性模量还有超弹性模型和次弹性模型等，能用在处于非线性、剪胀性、 应力路径影响等特性分析。 3 2 2 土的弹塑性模型 土的弹塑性模型建立在增量塑性理论基础上，由于对塑性增量理论的不同假 定，针对不同的土料和载荷条件，建立土的弹塑性模型，模型大体上可分为以下 几类：经典理想塑性模型、弹塑性帽子模型、边界面模型。内时理论模型、部分 屈服面模型、应变空间模型和微观模型等。 正常固结粘土模型根据下排水三轴压缩试验的应力路线资料，得出其屈服函 数为： 几劫= ( 华) 2 + ( 炉小。 协9 ， 口，i 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 式中： 口、，决定屈服面椭圆的形状参数。 3 2 3 土的粘弹性模型 在弹性理论中假定土体的变形与所受的力成正比，变形的大小与加荷的历程 无关，不会随时间的变化而变化，在弹性理论中虽然应力应变关系为非线性，但 若荷载本身不变，也是假设所得的新变形在以后维持不变，同样与时间无关系。 实际上，对上这种材料，当其荷载一直保持不变时，它的变形值并非永远是常数； 此外，当荷载逐渐增大时，变形又取决于加荷速度。这些都说明对于时间的依赖 性，当应力越接近于屈服点，时间因素作用越大，这说明应力与应变关系的本构 模型中应包含时间。土的这种变形与时间有关的性质称为粘性。 在外力作用下，粘土抵抗变形的主要因素是颗粒周围的吸附水膜。由于孔隙 水被挤出以及吸附水膜的变形，从而使土的变形延迟，在常应力作用下，土体的 变形将是时间的函数，它所显示的特性既不是弹性体，也不是塑性体，而是具有 弹性，塑性及粘滞性的粘弹塑性体。 粘弹塑性体的应力、应变、强度与时间的关系，主要表现为蠕变、松弛、流 动与强度等几个方面。 ( 1 ) 蠕变性：在常荷载作用下，应变e 随时间t 而逐渐增长的现象； ( 2 ) 松弛性：当应变一定时，应力。随时间逐渐衰减的现象； ( 3 ) 流动性：应力0 随应变速率占= d e & 逐渐增长的现象； ( 4 ) 强度：在一定的速率下，应力仃随着占的增减直至破坏的现象。 土体变形总的应变由以下几个部分组成： s = s c + s c + p ( 3 1 0 ) 式中： 乞土体的弹性应变； 占，土体的粘性应变； 占。土体的塑性应变。 3 0 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 粘弹塑性本构关系可写为： p = p p ( 黏 一转。) ) ( 3 - 1 1 ) 式中： p p 土体的弹塑性应力应变关系距阵。 把土体的粘性应变看作初应变，粘弹塑性问题的解归结为具有初应变的塑性 问题的解。 3 2 4 土壤变形模量的确定 由于在穿孔机的整个工作过程中，土壤先是受到导向穿孔头的剪切，发生破坏， 然后被穿孔机挤压，发生压缩变形，在随后的连续冲击过程中土壤受到多次压缩， 既加荷一卸荷一再加荷一再卸荷。此时，土壤出现加工硬化现象。在这个过 程中，土壤的变形模量不断地在发生变化，很难用理论公式加以定义。 为了得到土壤的变形模量，可以用试验( 如三轴压缩试验) 的方法求出。根据 测得的应力应变关系曲线，可以求得土壤的变形模量。 可取相应于应力变化范围的应力应变关系曲线的切线斜率作为变形模量， 也可取割线斜率作为变形模量，一般情况下两者差别不大。 o 图3 1求土壤变形模量的应力应变关系曲线 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】 第三章土的特性分析及其对钻头的作用 3 3 钻头与地层的相互作用 穿孔机在气压作用下，钻头受一定载荷，考虑到钻头本身形状结构和地层因 素，钻头将朝着某一方向前进。 目前，对于地层因素的考虑，比较有代表性的有鲁宾斯基的地层各向异向理 论，即钻头在各向同性地层中钻进时将沿着钻头合力方向前进，在实际穿孔时有 所偏差，原因是它忽略了钻头因素的影响。其实，穿孔机的实际穿孔轨迹不仅与 地层因素有关，还与钻头形状结构等因素有关。 对地层因素和穿孔机钻性能的分析，简单推导钻头与地层相互作用的三维模 式，井以此来预测穿孔轨迹的偏差变化趋势。 3 3 1 地层因素 地层因素这里主要是指研究地层的各向异性，用地层各向异性指数来表示。 用下列公式表示： 扣鲁 式中： 七p 沿着地层层面方向的岩石可钻性； 七。垂直于地层层面方向的岩石可钻性； 关于各向异性指数，可由室内实验测定。 3 3 2 钻头性能 如果钻头受力和地层都是均匀的，穿孔机的运行轨迹就会朝着钻头的合力方 向前进，由推导的数学模型所设定。但实际上忽略了钻头与岩石作用，其结果会 使钻孔路径有所改变。这因钻头设计成不对称形状，并且钻进时会有不定向的轴 线转动。由此定义： f l = 等 ( 3 一1 3 ) 3 2 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 式中： ，。钻头各向异性指数； e 。钻头在其侧向的钻进效率； e 。钻头在其轴向钻进效率。 由于钻头各向异性的作用，使得即使在各向同性的地层中，钻头也不能沿着 合力方向前进。一般地，。值与钻头尺寸、结构和类型等因素有关。 ，。值同样可由实验测定。在室内测定l 时，一定要用各向同性岩石。 3 3 3 钻头与地层相互作用模式 一般情况下，实际穿孔过程使用的钻头和所钻的地层都是具有各向异性的。 这时，钻头真正前进方向将取决于钻头合力的大小、钻头指向及地层法向。由于 这些矢量都是空间的，方向又不确定，使问题复杂化。本论文为了简化计算，只 进行二维分析( 不考虑方位) ，并假设：穿孔孔道轴线、钻头轴线及合力作用线都 在一个垂直平面内。 这样，便可以利用矩阵和坐标变换来推导二维模式。 在图3 2 中，有三个坐标系x o y 、x o y 和x ”缈”。其中，x 代表0 点( 钻头处) 的孔道斜方向，f 代表钻头轴线方向：x ”代表地层法线方向。 。 等 出 图3 2 钻头与土层的相互作用 【可蝗塑些线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 由坐标变换，可得： 式中： 防盥 悱l c s o 加s o p 伽s i n o 汐 为转换矩阵。 ( 3 1 4 ) 防陋v f x 协5 ， 式中： 陋】：fc 0 2 卯刀y1 为转换矩阵； t s i i y c o s vl p 钻头偏转角( 。) ； y = 9 一a e 地层倾角( 。) ； 口一孔道斜角( 。) 。 利用速度( 或位移) 与力的关系，有： 艚0 蚓= 污黛北) 仔，6 ， 式中： t ，、b ，分别为合速度在x o y 下的分速度，m h ； c ，、c ，分别为合力在r 哕下的分力，i 2 q ： e 、巨分别为钻头在z 和j ，方向上的钻进效率。 上式中的k ，、屯分别为岩石在工、y 方向上的可钻性。习惯上常用岩石层面 内和垂直层面的可钻性表示，所以可得： 鼢陋 协7 ， ( k 。i ? ) ( z ) = 陋( 台乏) 陋r ( 置：) c 3 一8 ， ! 里丝旦堕堡窒塾塑盟理复! ! 壁噬查鲤究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 式中： 也。、七旷分别为合速度在x ”缈”下的分速度，觚。 将式( 3 1 8 ) 代人式( 3 1 6 ) ，得： ( 乏? = ( 台兰 陋( 台) 陋r ( 笔： c3 9 ， 将式( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 代入式( 3 1 9 ) ，并简化得： 鼢嘶) ( 3 - 2 0 ) 式中： 七与地层和钻头有关的系数； l d 】= i “c o s 2 j r 江+ s i 加r s 厂i n 伽2 y 7g ( l - 7 1 + ) s i n 伽r c ：o 厂s 五) 为钻和岩石各向异性的 综合矩阵。 再利用式( 3 1 4 ) ，式( 3 2 0 ) 将变为： ( 乏 = 七k ，【d ，l r ( 置 c 3 2 ， 式中： t 、b 分别为钻头合速度在x 缈下的分速度，m h 3 只、分别为钻头合力在x o y t 的分力，k n 。 这是考虑了钻头各向异性和地层各向异性后的模式。 3 3 4 几种情况的分析 1 、钻头为各向同性，地层为各向异性 钻头各向同性，就是厶= 1 ，这时，钻头可简化为圆球( 图3 - 3 ) 。 可取冽与x 7 0 3 , 重合，则9 = 0 ，= p - a ，矩阵- 】就变成了单位矩阵，式 ( 3 2 1 ) 就变为： 阱七p 净2 2 ， 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 舯囟】= ( 爱寥二：捌)“s i n 名端二劫变为实对称2 一口) + c 傩2 一口) j 一“”一。 矩阵。 在这种情况下，穿孔前进方向决定于地层法向，穿孔层合力方向，而与钻头 无关。 图3 3各向同性钻头钻进各向异性地层 2 、钻头为各向异性，地层为各向同性 地层各向同性时，有l = 。这时钻头前进方向与地层因素无关，只取决于钻 头轴向和钻头合力，可简化成图3 - 4 的模型。 x 7 尺 f l 簦l3 4 各向异性钻头进各向同性地层 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】 第三章- i - i 约特性分析及其对钻头的作用 式( 3 - 2 1 ) 变为： 鼢叫刳 2 3 ， 舯【d ”】= c o s z0 ，+ 1 b s i n e 0 ，! ：葛小实对称脯 3 、地层为各向异性，钻头为极端各向异性 钻头为极端各向异性，就是厶= 0 ，这时，钻头侧面速度比起轴向速度可忽略， 应简化成图3 5 的模型，式( 3 2 0 ) 变成 盼七r 儿秽吖捌 协2 4 ， 由式( 3 - 2 4 ) 看出b = 0 ，说明在这种情况下，钻孔头只沿着自身轴线前进。 图3 5 极端各向异性钻头钻进各向异性地层 3 3 5 地层造斜力及钻头异性造斜力 研究地层各向异性与钻头各向异性，目的是要找出它们所产生的后果。一般 情况下可用它们所产生的异性力来表示，同时也为实际穿孔时定量控制轨迹偏斜 提供依据。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及其对钻头的作用 1 、地层造斜力 在式( 3 2 2 ) 中，当r 。= 0 时，地层产生的力正好与钻头侧向力互相抵消，从 而可推出地层造斜力为： 2 端嵩e 2 5 ， 一 s 拥2 一口) + 伽一口) 4 。 一 由此可看出，地层造斜力与各向异性指数，相对地层倾角( 地层倾角与穿孔 前进方向斜角之差) 有关。 对于各向同性地层f = 0 。 2 、钻头异性造斜力 同样，在式( 3 2 3 ) 中，当r ，= 0 时，求出钻头异性造斜力为： e = j 2 ( 1 - - l b ) s i n 2 塑t 9 + 1 三b l c o s 2 0 c ( 3 2 6 )以2 ，jl j 。z o ， 比较式( 3 2 5 ) 和式( 3 2 6 ) 可以看出，它们有相同的形式，但由于秒值比较 小( 一般p 2 。) ，使得l 的变化范围常常小于毋的变化范围。可是瓦确实是存在 的，而且有时会很大。 3 3 6 穿孔前进方向预测 在式( 3 2 1 ) ，合速度的方向就是穿孔机前进方向。因此当式( 3 2 1 ) 中的参 数都确定后，就可以预测前进方向。 利用几何关系： 培。口) = 生r x ( 3 - 2 7 ) 式中： a a 穿孔方向改变增量，( o ) 。 则穿孔前进方向为： 口= 口一a a ( 3 2 8 ) 式中： 口穿孔前进方向改变增量，( o ) 。 3 8 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第三章土的特性分析及e 对钻头的作用 本节讨论穿孔机钻头与土层的相互关系，主要考虑到本论文中假设理想状态 下钻头与土壤均按各向同向性考虑。实际钻孔前，必须充分调查土壤的特性，加 上可控向穿孔机运行时根据不同情况进行调整，这样可使因之产生的误差在许可 范围内。 本章小结 曲线穿孔机是利用土壤的反推力进行控向和曲线运行的，为此本章分析和探 讨了土壤的特性及其对钻头的作用。在对土的变形特性、土的强度特性简析的基 础上，分析与建立了土的本构关系模型，包括弹性模型，弹塑性模型和粘弹塑性 模型，从而为分析钻头与地层的相互作用和设计钻头打下了基础。在此分析中， 对钻头为各向同性，地层为各向异性；钻头为各向异性，地层为各向同性；地层 为各向异性，钻头为极端各向异性等各种都作了考虑，同时对地层造斜力及钻头 异性造斜力作了分析，推导出地层造斜力为： 只了1 蒜等赫c 由此得到地层造斜力与各向异性指数，相对地层倾角( 地层倾角与穿孔前进方向 斜角之差) 有关。 经过推导得出钻头异性造斜力为： 圪2 2 ( 1 - i b ) s i n 20 + i bc o s 20 ，x 1s i n 2 9 n 以上两者有相同的形式，但由于p 值比较小( 一般矽 2 。) ，使得l 的变化范 同常常小于一的变化范围。从而得出了e 确实存在的，而且有时会很大的结论， 为实际穿孔时定量控制轨迹偏斜提供了依据，也为预测穿孔前进方向提供了依据。 3 9 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第四章气动穿孔机的基础理论及受力分析 第四章气动穿孔机的基础理论及受力分析 s d h 7 0 曲线穿孔机与d h 7 0 直线穿孔机都是通过冲击活塞撞击冲击头产生冲击 力使穿孔机向前运动的，运动过程牵涉撞击原理，为了了解与分析穿孔机运行机 理，为曲线穿孔机的运行原理分析打下了基础，这里对气动穿孔机运行理论作较 详细分析。 4 1 气动穿孔机撞击原理分析 4 1 1 碰撞理论 碰撞指物体运动时突然受到冲击( 包括突然受到约束) ，以至它的速度在极短 时间内发生有限的改变，其基本特征是物体速度的变化是在极短时间内进行的， 通常以千分之一秒或万分之一秒来计算。 碰撞的过程大致可分为两个阶段：第一阶段，从两物体开始接触，互相挤压， 直到接触点的相对速度在公法线上的投影减小到零为止。在这一阶段中，物体主 要发生变形，故称为变形阶段。第二阶段，从第一阶段结束的瞬时开始，物体由 于弹性而恢复原来的形状，直到两物体重新分离为止，这个阶段称为恢复阶段。 设y ，和y ：为碰撞开始时第一个和第二个物体接触点的绝对速度：u ，和“，为碰 撞结束时相应的绝对速度，牛顿假设：两物体碰撞后与碰撞前的接触点相对速度 的法向分量大小比为一常数，这一常数与碰撞时的速度以及物体的大小形状无关， 而与材料的性质有关，常数的数值不大于1 ，用数学表达式为： 坚：e ( 4 1 ) v 1 。一v 2 。 常数e 称为恢复常数，0 e 1 ，它决定于碰撞物体的弹性、塑性和硬度等机 械性质。 如物体是完全弹性碰撞，则p = l ，在这种情况下，两物体在碰撞前后接触点 的相对速度的法向分量是相等的。 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第四章气动穿孔机的基础理论及受力分析 如物体是完全塑性的，则p = 0 ，在这种情况下，在碰撞后两物体接触点具有 共同的速度，它们之间的相对速度等于0 ，称为塑性碰撞。 0 e 塑性区 一 ：j ，弹性区 一。 图4 2 圆柱形挤压孔的弹塑性模型 4 3 o r 、，、r ， 、 、，“r心、 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第四章气动穿孔机的基础理论及受力分析 无限土体中扩张出一个半径为r 的孔道时，在孔道四周形成一个应力影响区， 如图4 2 所示。 图中： r 影响区的半径或塑性区的半径，m ； r 扩张半径( 即气动冲击式轨迹可控穿孔机的半径) ，m ； p 所求应力点与扩张中心线之间的径向距离，m ； 见穿孔机与土之间界面上的总径向力，即扩张应力，n ： o r 所求应力点的径向总应力，n m 2 ； o r 所求应力点的切向总应力，n m 2 ： 仃，所求应力点的竖向总应力，n m 2 ； 影响区边界的径向位移，m ； 为了建立应力平衡方程式，在离扩张孔中心线p 处取一个单元体。因为是无 限长孔的扩张，所以径向应力盯，、切向应力o r ，和竖向应力仃，都是主应力。由图 4 - 3 ，从径向应力的平衡条件得 卜誓和卜和胁1 p d o d z d p d o d z = 。 略去高阶微分，得出应力平衡方程式 一d o r + 生二! ! ：0 ( 4 1 4 ) d pp 在塑性边界上必须满足莫尔一库伦破坏理论，饱和粘性土在不排水条件下有 矽= 0 ，式( 4 - - 1 4 ) 变为 仃，一盯= 2 c ( 4 15 ) 仃，一盯f2z e l 1 ) j 考虑到平面应变状态微分方程的解，可求得塑性区域内任一点三个方向的总 应力增量： 【可控向曲线穿孔机机理与关键技术研究】第四章气动穿孔机的基础理论及受力分析 0 r 瞰 詈划矧p j + 乞 詈矧1 1 ( 爿p t巳 詈矧蚓巳p ( a ) 轴对称塑性变形土体单元的应力状态 a 。西献p g 。瞰铋p ( b ) 作用在单元体上的力系 图4 3 塑性区内一点的应力状态 4 5 ( 4 1 6 ) o r + 孕和 + _ a p 和 一+ 等司( p