有孔型地锚桩的研制与应用

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【摘要】油田进入高含水期，油水井数逐年增加，作业施工井数也越来越多。地锚桩的用量也随之增加，由于从前地锚桩结构的不合理，使地锚桩抗打击力不够强，造成地锚桩顶部断裂或碎片飞溅。研制后的地锚桩受力均匀，安全系数高，抗击力强，使用寿命长。本文通过SolidWorks实体建模，利用有限元分析软件ANSYS，建立有限元模型，运用ANSYS进行力学分析，得出接触压力等力学参量的分布规律。

【关键词】地锚桩 安全 寿命 有限元

1 有孔地锚桩设计过程

1.1 现状调查

现阶段地锚桩结构不合理，产生一下几点问题：

（1）在使用一段时间之后出现疲劳，容易打堆或裂，由此产生飞铁片的不安全隐患，并且使用20-30次之后，地锚桩必定要维修或报废，维修费用大，损耗量大，使得生产成本提高。

（2）受力不均匀，容易出现裂纹。

（3）地锚桩尖头太锋利，在地下管线走向不明的情况下容易击穿管线。1.2 有孔地锚桩的设计

针对现运行地锚桩结构不合理产生的一系列问题进行一下几点改进：

（1）对地锚桩顶部进行重新设计：地锚桩加强头是用圆钢整体加工出来的，比用钢板加工强度大，不易产生变形。

（2）对地锚桩管体材料进行更新：

管体改用油管，原来桩子大部分是用泵筒加工的，特别是在冬季打桩泵筒在受到冲击时极其容易产生变形导致破裂。油管的弹性和韧性以及强度都适合用来做地锚桩的管体。

（3）考虑到大锤对地锚桩桩头进行冲击时，单独靠管体来承载冲击力时会产生较大的变形，易导致管体产生裂纹，所以在管体上焊接了两片加强半片。这样相当于管壁加厚，产生的变形小，不易在管体上产生裂纹。

（4）对地锚桩尖头进行重新设计：新型地锚桩的尖头用圆弧来代替小平面。在打桩的过程中，如碰见地下有管线的时候，圆弧的尖头对管线造成挤压减少击穿地下管线的概率。图1是新型地锚桩结构图。

1.3 新型地锚桩实体建模

本文通过SolidWorks软件对有孔型地锚桩零部件及整体装配图实体建模，以便对地锚桩结构合理性进行受力分析进行基础工作。地锚桩受力主要是桩头部分，本文只表地锚桩桩头部分。

2 新型地锚桩有限元模型2.1 单元选择与网格划分

有限元模型可以由点单元、线单元、面单元或实体单元组成，也可将不同的类型的单元混合使用，但要保证单元的相容性。地锚桩桩头是决定使用寿命的关键部件，因此地锚桩桩头是本文研究的主要对象，为了减少计算量，桩头整体采用四面体单元SOLID45生成。单元选择之后，要合理地确定有限元网格的疏密程度保证影响精度的结构部位都具有理想的单元网格。经过大量的尝试得出较合理的网格尺寸，即桩头网格为5mm。笔者采用自由网格的方法在实体模型中进行划分。

2.2 材料常数、施加约束和载荷

模型主要是刚性接触、线性分析，定义材料时不用考虑材料非线性，只需定义弹性模量与主泊松比，本文材料为圆钢。弹性模量2e11，主泊松比为0.3。为了能够反映地锚桩的实际工作状态，在桩头X、Z方向施加固定约束，对Y方向不施加约束。经过计算确定出大锤下落，对桩头产生最大的压力为27.4Mpa。建立有限元模型的主要步骤为：

①定义分析类型，激活菜单“分析类型”，从分析类型菜单中选取“静态分析”，完成分析类型的定义。

②指定材料，给定材料的特性参数。如弹性模量、泊松比等。

③施加约束以及载荷；

④有限元网格生成，激活有限元网格控制菜单，对整个模型进行剖分，生成有孔型地锚桩桩头有限元模型（见图2）。

3 新型地锚桩模型有限元分析

有孔型地锚桩加强头是45#圆钢材料，管体是45#钢，相互接触是刚性接触，属于线性接触。根据现场工况、工作参数，即压力以及温度，建立了有限元模型，运用ANSYS进行力学分析，得出接触压力力学参量的数值，从而分析地锚桩桩头在工作状态下易发生断裂的部位，接触压力最大值会不会超过疲劳强度。大锤下落对加强头作用力最大，为了节省计算，只对加强头进行受力分析，管体和加强半片与加强头是焊接在一起的，因此受力是一样的。

3.1 接触压力分析

经有限元分析得出最大的接触压力为43.4Mpa，见图3加强头接触压力受力图。加强头材料为圆钢，其最大抗拉强度为650Mpa，管体材料为45号钢，其最大抗拉强度为552Mpa，最大接触压力均小于加强头和管体的最大拉力强度，因此对加强头和管体不会产生裂纹。由有限元分析得出，新型地锚桩的结构设计是完全合理的。

4 结论

（1）建立了有孔型地锚桩三维有限元模型。对有孔型地锚桩系统进行了有限元力学分析。为继续优化地锚桩提供依据。

（2）有孔型地锚桩在试运行的一年时间内，无论打拔，桩子无一例损坏，也避免了工作时产生的飞碎铁片这一不安全隐患，此桩安全性高，抗击打能力强，产生变形小。

（3）有孔型地锚桩既解决了在打拔桩过程中的不安全问题，也降低了生产运行成本，具有广泛的使用及推广价值。

参考文献

[1] 博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2006

[2] 苏翼林.材料力学上册[M].北京：高等教育出版社，1984