旋转触探数学模型及其试验分析.pdf

第 4 O卷 第 6期 2 0 1 2年 l2 月 煤 田地质 与勘探 C C l ALGE 0 L GY 唧0R A 1 1 0 N Vl 01 4 0NO 6 De c 2 01 2 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 2 0 6 0 0 8 5 0 4 旋转触探数学模型及其试验分析 李田军 鄢泰宁 梅 爽 石 奎 1 中国地质大学 武汉 工程学院 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 2 中国地质大学 武汉 机 电学院 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 通过对旋转触探用双螺旋探头的受力分析 建立 了螺旋探头的贯入 阻力和扭矩与贯入速度 和转速 以及岩土的力学性能参数间的数 学模型 结合数 学模型和试验数据对旋转触探技术的影 响因素进行 了分析 为设计探头结构和进一步理解该技术的力学机理提供 了理论依据 关键词 旋转触探 模型 试验分析 中图分类号 P 6 3 4 文献标识码 A D OI 1 0 3 9 6 9 is s n 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 2 0 6 0 2 0 M a t h e ma t ica l mo de l an d e x pe r im e nt a l r e s e a r ch f or r o t a r y pe ne t r a t io n L I T ia n j u n Y A N T a in i n g ME I S h u a n g S H I K u i 1 F a cu lty o fE n g i n e e r in g C h i n a U n i v e r s i ty ofG e o s cie n ce s W u h a n 4 3 0 0 7 4 C h in a 2 F a cu l t y o f Me ch a n i ca l E l e ct r o n ic I n f o r m a t i o n C h i n a U n i v e r s ity ofG e o s ci e n ce s W u h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a ct Th is p a p e r s t u d ie d t h e r e la t io n s h ip be t we e n p e n e t r a t io n r e s is t a n ce o r t o r q u e a n d p e n e t r a t io n s p e e d t h e g e o t e ch n ica l p a r a me t e r s o f t h e me ch a n ica l p r o p e r t ie s t h r o u g h e s t a b lis h i n g t h e ma t h e ma t ica l mo d e l wit h t h e me ch a n ica l a n a l ys is o f t h e d o u b l e h e l ix p r o b e Co mb in e d wi t h ma t h e ma t i c a l mo d e ls a n d e x p e r ime n t a l d a t a t h e f a ct o r s o n t h e i mp a ct o f t h e p e n e t r a t io n t e ch n o lo g y a r e a n a ly z e d T h e co n cl us io n ma y a f f o r d t h e o r e t ic b a s is f o r d e s ig n in g t h e p r o b e s t r u ct u r e a n d u n d e r s t a n d in g t h e me ch a n ic me ch a n is m o f t h e p e n e t r a t i o n t e ch n iq u e Ke y wo r d s r o t a t i o n p e n e t r a t io n mo d e l e x p e r i me n t a l a n a l y s i s 静力触探是一种常用的原位测试方法 因其具有 快速 准确 经济等优点 在岩土工程勘察 中得到广 泛应用 但是 静力触探过程是靠机械压力将探头压 入土层 的 在土层较硬时 贯入阻力较大 由于触探 机功率及 自重和反力有限 使得静力触探不能在硬土 层和软岩中应用 因此不适用于深层触探 旋转触探技术是借鉴 回转钻进技术理论 采用压 人加旋转的贯进方式代替原有直接压入的方式 使土 的破坏形态除了原有的挤压破坏 还包含有切削刃对 土的剪断作用 可以从根本上解决静力触探不能深探 的问题 这种触探方法的实质就是钻探和触探的有机 结合 文献 1 5 均对旋转触探技术可以极大提高触探 机的贯人能力给予了肯定 并对相关问题进行了一定 研究 得到了一些有意义的结论 但是 由于贯入方式不同 所用探头结构不同 使得旋转触探的力学机理比静力触探更复杂 如文献 3 5 提到的探头结构与在天津某地区进行旋转触探 所用探头结构就不一样 因此得到的结果与前者是有 些 区别 的 本文对天津某地区使用的一种螺旋探头 图 1 1 进行了受力分析 建立了螺旋探头的轴向阻力 和扭矩与贯人速度和转速 以及岩土物理力学参数间 的数学模型 并结合试验数据对数学模型的可行性和 旋转触探技术的影响因素进行了分析 这可为更好地 发展旋转触探技术 进一步理解其力学机理 为设计 出更合理的螺旋探头提供参考 图 1 螺旋探头 Fig 1 Dou ble he lix pr o be 收稿 日期 2 0 l1 1 1 0 4 作者简介 李田 军 1 9 7 7 一 男 湖南郴州人 博士 讲师 从事工程力学教学和钻探工程力学研究工作 8 6 煤田地质与勘探 第 4 0卷 1 螺旋探 头受力分析及数 学模型 如图 1 所示 本文所分析的螺旋探头是锥形双螺 旋探头 设螺纹类型为矩形 厚度为 b 上升角为 a 螺距为 锥高为 日 锥角为 0 同时设土与探头间 的摩擦系数为 摩擦角为 一 般来说 在旋转触探的过程 中 作用于螺旋探 头 的力 有 a 作用于切削刃 螺旋叶片外缘 上的切削阻力 b 切削刃 螺旋叶片外缘 与孔壁间的压力 c 被掘削下的土在螺旋表面上运动所产生的阻 力 d 回转运动使被掘削下的土产生离心力和随之 而产生的土与孔壁间的摩擦阻力 e 被掘削下的土与螺旋轴之间的摩擦阻力 在图 1 所示探头结构中 螺旋叶片深度小 因而 螺旋表面上的土颗粒少 在分析受力时 主要的就是 a和 b两种力 即作用于切削刃 螺旋叶片外缘 上的 切削阻力和孔壁压力 设触探过程中 探头轴线与水平面垂直 贯入速 度为 v 旋转角速度为 C O 则探头边缘一点的绝对速 度为 v r 方向 与水平向 成夹角 如图 2 所示 作用在探头某处工作面元上的法向 反力 与孔壁间 的压力 和摩擦力 切削阻力 分别为 和 则 AF s AF n AF n t a n 力沿探头轴线 z方向的投影之和为 AF z AF n C OS s ing C O S a ta n go 7 r一 v r 沿水平周向的投影之和为 C O S g A Fn t a n p 下 4v 则力对 z轴的力矩为 r t a n 了 4 v 国 r 通过沿螺旋线的螺纹面 把所有的力和力矩增量累加 后 就得到旋转触探过程的贯入阻力和扭矩 C O S t an go 下 1 v c t a n fp 下 2L a 1 1 1 r 根据 钻探工程 学有关理 论分析 6 法 向压力 A F r lb H t a n p h 式中的切削宽度 b就是螺旋钻 的螺旋面厚度 切削深度 h即为旋向进尺 出 切削 具 刃角 等 于螺旋升 角 6 c 叩为无量纲 系数 为土 的压入硬度 因此 A F n r lb Hy t ana d s 代人式 1 式 2 并将求和改成沿螺旋线积分 再考虑到双螺 旋曲线 于是有 2 y tan c t ds c o an 南 3 M z 2 f 懈 t a n a d s ta n 丽 o r 2 4 由式 3 和式 4 可以解出 2 y f 5 1 锄 锄 2r lb Hy t an ct t 锄 s in O 一 0 2 H t a n O c o 虿 6 v2 去 2 H ta曲 v2 H tan M 一 j FN 1 图2 工作面元受力 Fig 2 Th e f o r ce o n t he e le me n t f a ce 2 旋转触探试验结果和影响因素分析 试验是在天津某地区软硬土层中进行的 获得的 试验数据经过E x ce l处理后的参数关系如图3 一图5 根据式 5 和式 6 影响旋转触探过程钻杆上的 触探阻力与扭矩的因素主要有 a 探 头结构形式 切削刃宽度 螺旋面厚度 和 切削具刃角 螺旋升角0 c 以及探头高度 这些几 何量是影响探头接触面积的主要因素 与触探参数有 着重要关系 因此是影响测试成果的主要因素 本文 针对的是一种双螺旋型探头分析 所建立的数学模型 与文献 3 给出的模型是有较大的区别 对于双螺旋 探头 在旋转贯入条件下 探头对土体除了压入作用 外 还包含有切削刃对土的剪断作用 致使土的破坏 形态发生了变化 这与传统静力触探技术是有根本区 别的 也不同于文献 3 提到的探头对土体的破坏 第 6 期 李田军等 旋转触探数学模型及其试验分析 8 7 Z 薰 耋 辞 至 嘉 矗 曼 耱 天然含水撼 k N m 3 一 冀人阻力 一一 旋转扭转 一排 t 水 力 一 多项式 贯入阻力 一 多项式 旋转挝矩 一多项式 排土水 力 图3 天然含水量与触探参数间的关系 Fig 3 The r e la t ion s h ip be t we e n t he na t u r a l wa t e r co nt e n t a nd t he pe ne io n p a r a me t e r s 舟 毫 筐 鼓 最力街皮 k N m一 3 一 贺人 力 一旋转 转 一排 卜 水压力 一 多项武 甜入m 一 多项式 旋转扭矩 一 多项式 排土水压力 图 4 重力密度与触探参数间的关系 Fig 4 The r e la t io n s h ip be t wee n t h e g r a v it y d e ns it y a nd t he p e ne t r a t io n p ara me t e r s Z 垂曼 萋 荽 要 塞 b 探入岩土材料的力学性能包括压人硬度Hv 和摩擦指标 摩擦系数和摩擦角 这两方面的指标对 旋转触探时的阻力和扭矩的影响都是重要的 压入硬 度和摩擦指标越大 旋转触探过程中的贯入阻力和扭 矩就越大 当然 摩擦指标还与探头材料有关 主要 影响探头与岩样间的摩擦 因数 而压入硬度指标又 与土的重力密度 天然含水量 孔隙比 塑性及液性 等息息相关 图3 与图5 表明 天然含水量和孔隙比越 大 即压人硬度越小 触探阻力和扭矩越小 图4 表 明 重力密度越大 即压入硬度越大 触探阻力和扭 矩越大 这与式 5 和式 6 得到的关系是吻合的 c 探头运动参数探头贯人速度和转速 这两项指 标主要影响贯入时的每转切削深度h 一般来说 每 转切削深度越大 贯入阻力和扭矩也会越大 但它们 并不是完全的纷l 生 关系 对螺旋探头而言 切削深度h 为旋向进尺 与贯入速度和转速之间的换算关系受 一 山 z l 簿 羔 篷 拳 9 8 7 6 5 4 3 2 8 8 煤 田地质与勘探 第 4 0 卷 到探头结构尺寸的影响 因此贯入阻力和扭矩的关系 和切削深度与两个触探指标的关系曲线是不一样的 d 其他因素如触探深度 探杆与土间的摩擦 性能 探杆的抗夸 I生能等 试验数据表明 随着触探 深度增加 贯人阻力和扭矩成非线性增长 此外 根 据钻探资料 在旋转贯进过程中探头会产生较大的摩 擦热 这也是影响测试精度的一个重要原 因 这里须说明的是 本文建立的模型是在准静态条 件下分析的 为使触探杆能旋转贯入 驱动力和力偶 矩必须超过式 5 和式 6 计算的结果值 3 结 论 a 对于硬质土层或较深土层 旋转触探 的探人 方法能较顺利的实施 而传统静力触探则很困难 旋 转触探与传统静力触探 比较 由于土层的受力形式发 生了变化 使得两者在触探能力和触探机理上完全不 同 显然 理解旋转触探技术的力学机理需要从探头 结构和探头受力进行分析 b 由于探入方法的不同和探头型式的各异 必须 分析探头的受力 本文是借用钻探工艺学理论对一种 双螺旋探头的受力状态进行分析 建立数学模型 计 算探头在旋转贯人岩土层的过程中致使土体发生强度 破坏的最小贯入力和扭矩 为使触探杆能顺利旋转贯 入 驱动力和力偶矩必须超过计算的结果值 于是得 到了岩土体的力学性质指标与测试参数间的关系 c 旋转触探技术的影响因素较多 主要涉及探 头结构形式 被贯人岩土体的力学性质指标和机械运 行参数 而且与探头和岩土体间的摩擦性能有关 由 于探头结构形式是一个重要影响因素 要将旋转触探 技术推广普及应用 需要进行标准化统一 因各项试 验还在进行中 目前还没有得到具体的尺寸参数对贯 入最有利 但笔者认为 双螺旋结构 比文献 3 采用 的角片式探头更容易吃入土层 是旋转触探技术采用 标准化探头形式的首选结构 参考文献 1 毛玉坤 刘奉银 李宁 等 C P T理论分析及提高触探能力的 新思路 J 西北 地震 学报 2 0 0 7 2 9 1 4 O 4 4 2 刘奉银 罗士梅 李宁 西安黄土地新型旋转触探室内试验研 究 J 西安理工大学学报 2 0 0 8 2 4 3 3 l6 r 3 1 9 3 宋玲 李宁 刘奉银 旋进式触探机制研究 J 岩石力学与工 程学报 2 0 1 0 2 9 增 2 3 5 1 9 3 5 2 5 4 宋玲 李宁 刘奉银 较硬地层中旋进触探技术应用可行性研 究 J 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 3 2