闫晓龙
摘要：含软弱夹层的钻孔孔壁稳定性是制约钻探的关键问题，其稳定性的制约因素众多。在分析圆孔弹塑性理论的基础上，建立软弱夹层三维钻孔模型，采用摩尔-库伦判别准则，研究不同地质钻孔孔径、软弱夹层倾角、厚度以及其弹性模量、内聚力和泊松比条件下，孔周的围岩稳定性系数变化规律。结果表明：（1）完整围岩（软弱夹层厚度0 m）明显高于含软弱夹层孔壁的稳定性系数;（2）孔壁的稳定性随孔径大小增加而降低，随软弱夹层倾角和厚度的增加而降低;（3）孔壁的稳定性随泊松比的增加而降低，随弹性模量和内聚力的增加，变化规律则相反，稳定性系数对泊松比、内聚力、弹性模量的灵敏性依次降低。
关键词：地质钻探;软弱夹层;孔壁;围岩稳定性
中图分类号：TD262
文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0176-06
Analysis of different weak interlayers on the stability influence of geological drilling hole
YAN Xiaolong
（Shaanxi Railway Engineering Survey Co.， Ltd.， Xi"an 710014， China
）
Abstract：The stability of drilling holes wall with weak interlayers is the key issue to restrict geological drilling， and the stability is restricted by many factors. Based on the analysis of the elastic-plastic theory of circular hole， this paper establishes a three-dimensional borehole model of weak intercalation， and uses the Moore-Coulomb criterion to study the variation law of stability coefficient of surrounding rock under the conditions of different geological borehole diameter， dip angle and thickness of weak intercalation， as well as its elastic modulus， cohesion and Poisson"s ratio. The research results show that （1） the stability coefficient of the intact surrounding rock （the thickness of weak interlayer is 0 m） is significantly higher than that of the hole wall with weak interlayer; （2） the stability of the hole wall decreases with the increase of the diameter of the hole， and decreases with the increase of the dip angle and thickness of the weak interlayer; （3） the stability of the hole wall decreases with the increase of Poissons ratio， and the change law is opposite with the increase of the elastic modulus and cohesion. The sensitivity of stability coefficient to Poissons ratio， cohesive force and elastic modulus decreased successively.
Key words：geological drilling; weak interlayer; hole wall; surrounding rock stability
在工程地质钻探过程中，钻孔的稳定性问题是岩土工程中关注的问题之一，直接关系到钻探精度和取芯质量。在天然状态下，自然岩土层的初始应力和孔隙压力的共同作用下，处于平衡状态;而钻孔取样对土层的卸荷作用，使得钻孔壁失去原有的支持，取而代之的是孔内泥浆静水原理，孔壁的应力发生重新分布。在围岩作用下，孔壁的应力短时间内无法达到平衡状态，当孔壁的岩土体的强度不足以抵抗集中的应力，将出现孔壁失穩现象，使得孔内岩土固体颗粒被扰动和悬浮移位，造成扩孔、卡孔、埋钻等危害，为孔内测试工作带来不利影响，甚至废孔，使得钻孔周期增长、钻探成本增加。
有学者对破碎地层的钻探施工进行研究，提出采用LBM冲洗液体系提高孔壁稳定性的措施[1];研究直井和斜井两种工况条件下岩石软弱面产状对井壁稳定性的影响，并给出相应的研究成果[2];采用数值模拟的手段对钻孔周围的应力应变进行分析，并考虑钻孔暴露时间和上覆土压力等因素的影响[3];研究了软弱岩层的流变性对钻孔孔壁的稳定性的影响，指出软弱岩层的埋深和厚度会加剧孔壁的失稳[4-11]。由此可知，现阶段对钻孔壁稳定性研究主要集中在处理手段、软弱围岩的工程性质方面，而对于地质钻孔大小、软弱围岩倾角、厚度以及其力学性质对孔壁稳定的系统定量研究有待深入。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6
本文在分析圆孔弹塑性理论的基础上，建立软弱夹层三维钻孔模型，采用摩尔-库伦判别准则，研究在不同地质钻孔孔径、软弱夹层倾角、厚度以及其弹性模量、内聚力和泊松比条件下，孔周的围岩稳定性系数变化规律，以期为含有软弱夹层转孔的稳定性、安全性评价和地质钻孔防缩孔、扩孔、塌孔方案的确定提供参考。
1软弱夹层对孔壁稳定性影响的弹塑性理论
钻孔弹性力学分析模型，具体如图1所示。
如图1所示，假设地层为弹性半无限空间体，且各向同性;忽略地下水和孔内泥浆的渗透作用;钻孔为垂直、圆形孔洞，其深度远大于孔径;认为初始应力分布均匀，围岩体内任意一点侧向应力系数均相等。根据弹性理论可以求解钻孔壁应力分布：
2数值模型的建立
为研究软弱夹层围岩体的力学行为，将软弱围岩的力学参数与周围正常硬质围岩区分开，岩体的力学参数的选取参考文献[10]、文献[11]，结果如表1所示。
考虑模拟的可操作性和含夹层地层“上下硬、中间软”的特性，采用岩土有限元分析软件MIDAS GTS建立钻孔和地层三维数值模型，具体如图2所示。为避免边界效应和反映模型的变形和受力规律，整体模型选取为150 m×50 m×50 m，其中软弱夹层为水平分布，厚度为2.0 m，位于这个模型的最中间位置;地质钻孔位于模型最中心，为绝对垂直和绝对圆形转孔，孔径为91 mm。除孔口表面为自由表面外，其余表面约束条件均为固定约束。模拟时，忽略暴露时间、地下水和泥浆液渗流、水温度等因素对分析的影响。
3数值模拟成果分析
3.1孔径大小对孔壁稳定性的影响
为考虑钻孔孔径对软弱夹层孔壁稳定性的影响，仅改变钻孔孔径参数，软弱夹层倾角为0°（软弱夹层倾角定义如图7所示），地层特征参数保持不变，分别设置《建筑工程地质勘探与取样技术规程》（JGJT 87—2012）[12]中常用的地质钻孔孔径，即91、110、130、150 mm，模拟结果如图3所示。
从图3可以看出，无论何种钻孔直径，由于模拟力学参数和几何参数的对称性，导致其孔周不同位置处的稳定性系数呈现轴对称的规律。随着孔径的增加，软弱夹层孔壁的稳定性系数也逐渐降低，这是由于孔直径的增加，加大了土体的取出量和对原位土体的扰动程度，因此软弱夹层土体的受到扰动后的塑性区范围变大，抗剪强度变低。最后使得其稳定性系数降低。
由于孔周稳定系数的轴对称性，因此选取孔周角分别为0°、30°、60°、90°的稳定系数分析，具体如图4所示。
从图4可以看出，在孔周角0°～90°内，随着钻孔孔径和孔周角的增加，软弱夹层孔壁的稳定性系数呈拟线性下降规律。
3.2软弱夹层厚度对孔壁稳定性的影响
为考虑软弱夹层厚度对孔壁稳定性的影响，仅通过软弱夹层的厚度，分别设置为0（完整围岩）、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 m，软弱夹层倾角为0°，地层其余特征参数保持不变，模拟结果如图5、图6所示。
从图5可以看到，完整围岩（软弱夹层厚度0 m）明显高于含软弱夹层孔壁的稳定性系数。随着孔周角的变化，完整围岩和含软弱夹层孔壁的稳定性系数均呈现轴对称规律，但前者的变化幅度显著大于后者。随着软弱夹层厚度的变大，钻孔孔壁的稳定性逐渐降低，甚至在软弱夹层厚度等于10.0 m时，孔壁的稳定系数小于1.0，孔壁出现坍塌，钻孔孔周不同位置的稳定性系数也逐渐趋于一致; 在图6中可以得到相同结论。
3.3软弱夹层倾角对孔壁稳定性的影响
为考虑软弱夹层倾角对孔壁稳定性的影响，设置软弱夹层厚度为2.0 m，倾角分别设置为0°、30°、60°、90°，结果如图7所示。地层其余特征参数保持不变，并采用完整围岩（软弱夹层厚度为0 m）的计算结果进行对比，模拟结果如图8、图9所示。
由图8可知，与图5类似，完整围岩（软弱夹层厚度0 m）明显高于含软弱夹层孔壁的稳定性系数，随着孔周角的变化，完整围岩和含软弱夹层孔壁的穩定性系数均呈现轴对称变化，但前者的变化幅度显著大于后者。随着软弱夹层倾角的变大，钻孔孔壁的稳定性逐渐降低，当软弱面倾角增加到某个数值时，分布于最小水平主应力方向的软弱面的稳定性逐渐增强，表现为孔周的最小稳定性系数出现“拔尖”情况。
从图9中也可以看到，在孔周角为90°、软弱夹层倾角为60°时，孔壁的稳定系数开始增加。综上所述，孔壁的稳定性与软弱夹层的倾角密切相关，对于小倾角的孔壁稳定性系数甚至可以达到高倾角的2.0倍以上。
3.4软弱夹层力学参数对孔壁稳定性的影响
软弱夹层的力学参数与孔壁的稳定性息息相关，对影响其力学性质最为重要的3个指标：内聚力c、弹性模量E、泊松比μ进行控制指标的方法进行研究。指标控制结果如表2所示，地层其余特征参数和钻孔参数保持不变。
软弱夹层孔壁稳定系数模拟结果如图10所示。从图10可看出，随着泊松比的增加，软弱夹层孔壁稳定系数最大值和最小值都呈下降趋势;而随着弹性模量和内聚力的增加，则恰好相反。
4结语
（1）完整围岩（软弱夹层厚度0 m）明显高于含软弱夹层孔壁的稳定性系数，随着孔周角的变化，完整围岩和含软弱夹层孔壁的稳定性系数均呈现轴对称的变化规律，但前者的变化幅度显著大于后者;
（2）孔壁的稳定性与孔径大小和软弱夹层倾角、厚度紧密相关，随孔径大小增加而降低，随软弱夹层倾角和厚度的增加而降低，当软弱面倾角增加到某个数值时，分布于最小水平主应力方向的软弱面的稳定性逐渐增强;
（3）力学参数是影响孔壁稳定的最主要因素，孔壁的稳定性随泊松比的增加而降低，随弹性模量和内聚力的增加，变化规律则相反，稳定性系数对泊松比、内聚力、弹性模量的灵敏性依次降低。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6
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