朱丽红， 邹德永， 陈新勇， 王京印

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266555；2.中石油渤海钻探工程有限公司，天津 300000)

0 引 言

随着海洋油气资源开发力度的不断加大，在冰冻地层以及复杂地质条件下设计和建造石油平台桩基已成为海洋工程中一个重大的科技挑战[1-4]。在桩基工程建设中，冰冻、钙质砂等复杂地层出现频率和沉桩难度随着水深的增加呈指数形式增加，探寻高效稳定的沉桩方法是亟待解决的难题之一[5-6]。国内外各油田在海洋石油平台桩基建设中普遍存在冰冻、钙质砂等复杂地层难于沉桩，土塞效应导致沉桩阻力增大等问题，桩基建设周期延长、施工成本增加，制约着勘探开发的整体效益，因此研究海洋石油平台复杂地层高效沉桩新方法势在必行[7-10]。实践表明，在不增加地面沉桩机械能力的前提下，探寻其他辅助沉桩技术，是当前提高海洋平台复杂地层桩基建设最可行的途径之一[11-15]。高压水射流技术已成功应用于切割、清洗、钻井、破碎、研磨等作业。随着海洋石油工业的发展，水射流技术在海洋石油工业中展现出广泛应用前景。

水射流辅助沉桩技术是在桩基动力沉桩施工过程中，利用水射流消除桩体内部土塞，降低沉桩摩擦阻力，扰动桩端土体，降低地层强度。采用高压水射流辅助沉桩是合理利用水力能量，提高桩基建设速度的重要方式。基于射流辅助沉桩教学模型实验装置进行有射流和无射流条件下沉桩效率测试，表明用水射流技术辅助沉桩，可显著提高沉桩效率。证明该教学模型实验装置可用于水射流辅助沉桩实践教学研究。

1 教学模型实验装置

水射流辅助动力沉桩技术是一种辅助桩穿越冰冻、钙质砂等复杂地层，有效处理土塞问题使桩达到标准贯入深度的辅助沉桩方法，如图1所示，其可行性还有待于实验验证。该项技术的关键是射流对土塞的破坏，而增大射流流量和射流压力可提高水射流破土能力。因此拟通过模型实验改变射流流量和压力，分析水射流辅助沉桩技术的可行性。研制的水射流辅助沉桩教学模型实验装置，如图2所示，实验设备包括高压水泵、泥浆泵(根据实验室现有条件)、试验箱、高压胶管、导向架、龙门架、重锤、桩头保护器、半膜桩、全桩、经纬仪、绳索、大头钉、卷尺、泡沫、塑料薄膜、弹性棉土工织布等。

导向架用于沉桩过程中，扶正桩体，如图3所示。导向架分为全桩导向和半桩导向。全桩导向时，导向架固定于试验箱中央，桩体从导向架中心方形框穿；半桩导向时，导向架固定于观察窗一侧，桩体从导向架凸出角钢的位置穿过。保护器分为三层结构, 如图4所示：底层用于保护器与桩体的固定，采用螺栓夹住桩头；中间层设置两个圆孔，用于引入进水管和排水管；上层设有两个导向轴，用于重锤自由落体时的导向。桩头保护器主要功能：保护桩头、引入进水管和排水管、为重锤导向。如图5所示，重锤由一定厚度铁板叠焊，根据单次落锤深度确定重锤的重量。

图1 水射流辅助沉桩方法

图2 实验装置

图3 导向架

图4 桩头保护器

图5 重锤

2 实验准备

射流辅助沉桩教学模型实验装置如图6所示。采用砂、土混合方式模拟实验地层，设定砂、土比例为3∶2并均匀混合。向模拟用试验箱内填充混合物，控制每次夯实力度，保持一致，每填0.1 m厚度后运用重量3 kg的木棒均匀夯实两遍，直到实验箱内填土达到设定地层高度1.3 m。为使模拟地层在自重下固结，静置48 h。根据实验内容模拟桩分为∅0.011 4 m半模拟桩(半圆形)和∅0.011 4 m全桩(圆形)两种，桩长0.12 m。采用10 kg重锤进行锤击，装上导向架后，把10 kg重模拟钢管装入导向架内。利用重锤自由落体产生的冲击能力沉桩，单次锤击时间2 s。然后装上桩头保护器，利用桩头保护器上设有的导向杆导向，重锤提升高度0.035 m，利用滑轮提拉开展模型实验。

图6 教学模型实验装置

3 实验结果分析

没有射流辅助条件下利用重锤锤击冲击力沉桩0.035 m，再利用水射流对桩内土塞进行边破坏边沉桩。将水射流喷头下入桩体内，喷头下入指定位置后，打开高压水泵，待桩体内泥浆返出后，再沉桩。改变射流压力和射流排量，模拟桩体每进尺0.015 m记录一次沉桩需要的锤击数。当桩体到达0.095 m后，将水射流喷头提出桩体。不同射流压力下沉桩锤击数见表1。不同射流流量下辅助沉桩所需锤击数如表2所示。

表1 不同射流压力下锤击数

表2 不同射流流量锤击数

由表1、2知，无射流辅助沉桩0.06 m(从0.035～0.095 m)需要锤击数为263次，有射流辅助沉桩条件下，当射流压力为0.02 MPa时，需要186次锤击完成沉桩，当射流压力为0.57 MPa时，需要113次锤击完成沉桩，两者相差73次。当射流流量为25 L/min时需要锤击数为199次，而流量30 L/min时需要锤击数为113次，两者相差86次。可见有水射流辅助沉桩的沉桩效率比无射流辅助沉桩的沉桩效率高。通过实验说明在模拟地层、桩径、喷头等相同条件下，增大射流压力和流量沉桩所需锤击数较少，进而说明，该教学模拟实验装置可用于水射流辅助沉桩技术研究。

4 结 语

针对水射流辅助沉桩技术设想，研制了射流辅助沉桩教学模型实验装置。通过模型实验知，水射流辅助动力沉桩条件下沉桩效率比无射流沉桩时显著提高，且随着射流压力和射流流量的增大，沉桩效率均增加。为开展水射流辅助沉桩实践教学研究提供了重要依据。

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