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原文传递一种基于相变的减少振动影响沉桩方法

专利名称：	一种基于相变的减少振动影响沉桩方法
摘要：	本发明公开了一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，将桩竖直立于地基土层上面，从下至上将桩、夹具、振动桩锤连接在一起，其中振动桩锤包括相变装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述相变装置包括旋转盘、相变管、相变物质、相变激发装置，可以在沉桩时振动桩锤达到工作频率前都没有偏心激振力，避免激振力频率穿越锤‑桩‑地基体系的共振频率而产生共振的问题，振动桩锤的旋转轴频率达到工作频率时才逐渐产生偏心激振力使桩沉入土中。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江科技学院
发明人：	金炜枫;陈荣忠;马永航;曲晨;曹宇春;黄扬飞
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910691962.9
公开号：	CN110409444A
代理机构：	杭州赛科专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	付建中
分类号：	E02D7/18(2006.01);E;E02;E02D;E02D7
申请人地址：	310023 浙江省杭州市西湖区留和路318号
主权项：	1.一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，包括下述步骤：步骤1：将桩竖直立于地基土层上面，从下至上将桩、夹具、振动桩锤连接在一起，其中振动桩锤的底座和夹具连接；所述振动桩锤，包括相变装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述相变装置包括旋转盘、相变管、相变物质、相变激发装置，所述相变管中含有相变物质，所述相变物质在第一温度时为液态、在第二温度时为气态，第二温度高于第一温度；旋转轴与旋转盘固定连接并驱动旋转盘旋转，相变管与旋转盘固定连接，相变激发装置安装在底座上或其他任意位置；相变激发装置工作时将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度、且相变物质由液态变为气态；相变物质为气态时充满相变管，相变物质为液态时没有充满相变管且相变管中有空隙；当相变物质为气态时，旋转盘、相变管和相变物质的总质心在旋转轴中心，而当相变物质为液态时，旋转盘、相变管和相变物质的总质心不在旋转轴中心；驱动装置与旋转轴连接且驱动旋转轴旋转，驱动装置和底座固定连接；步骤1中不启动驱动装置，相变激发装置不工作；步骤2：启动驱动装置，驱动装置带动旋转轴从转速为0逐渐增加到工作转速，在这个过程中相变激发装置工作，将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度，这时相变物质为气态，且旋转盘、相变管和相变物质的总质心在旋转轴中心，振动桩锤不产生激振力；步骤3：当旋转轴转速达到工作转速后，相变激发装置停止工作，且相变管中的温度由第二温度改变为第一温度、且相变物质由气态变为液态，而当相变物质为液态时，旋转盘、相变管和相变物质的总质心不在旋转轴中心，这样旋转盘在旋转过程中对旋转轴产生不平衡的离心力，这个不平衡的离心力即激振力，桩在此激振力作用下沉入土中；步骤4：桩沉入土中指定深度后，相变激发装置工作从而将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度，这时相变物质为气态，且旋转盘、相变管和相变物质的总质心在旋转轴中心，这样旋转轴旋转时不产生激振力，然后逐渐降低旋转轴的转速至0。 2.根据权利要求1所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：所述相变激发装置为微波发射装置或激光发射装置，相变激发装置工作时发射激光或微波从而将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度；当相变激发装置为微波发射装置时，所述微波发射装置包括依次连接的电源、整流电路和磁控管，所述磁控管对相变管发射微波；或者相变激发装置为激光发射装置时，所述激光发射装置包括依次连接的电源、整流电路和激光发射器，激光发射器对相变管发射激光，发射激光的方式为激光发射器追踪旋转盘上的相变管且向相变管发射激光、或者相变管随旋转盘转至指定位置时接收激光发射器发射的激光，这样可以集中激光能量为相变管加热。 3.根据权利要求2所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：当相变激发装置为微波发射装置时，所述相变物质为水，相变管为可透射微波材料，相变管材料为玻璃；或者相变激发装置为激光发射装置时，所述相变物质为水，相变管为涂覆激光吸收材料的玻璃管，所述激光吸收材料可以选择为氧化锆或磷酸盐；步骤2中，在这个过程中相变激发装置工作且发射激光或微波从而将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度；步骤4中，相变激发装置工作且发射激光或微波从而将相变管中的温度由第一温度改变为第二温度。 4.根据权利要求1所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：所述相变装置外罩有保温壳，保温壳底部和底座连接，旋转轴穿过保温壳旋转；保温壳配有空调冷气泵，保温壳上开有冷却输入孔和冷却输出孔，空调冷气泵产生的冷气由冷却输入孔输入再由冷却输出孔输出；保温壳的材料为含有气泡的陶瓷，且保温壳内壁涂有二氧化钛，含有气泡的陶瓷可以起到隔热作用，内壁的二氧化钛涂层可以反射热辐射，这样可以加速相变管的升温过程；保温壳内气体只能通过冷却输入孔和冷却输出孔和外界空气进行流通；步骤3中空调冷气泵产生冷气、且冷气由冷却输入孔输入再由冷却输出孔输出，冷气在保温壳内对相变管进行降温。 5.根据权利要求1所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：振动桩锤配有平衡微调结构；所述平衡微调结构包括圆盘和第一质心位置调节器和第二质心位置调节器；第一质心位置调节器和第二质心位置调节器相互呈90度角固定在圆盘上；圆盘固定在旋转轴上。 6.根据权利要求5所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：第一质心位置调节器包含第一封闭片、第二封闭片、圆管、磁致伸缩杆、质量块、弹簧、线圈和质心微调电源，所述第一封闭片、弹簧、质量块、磁致伸缩杆和第二封闭片依次连接且位于圆管内部，弹簧与第一封闭片固定连接，磁致伸缩杆和第二封闭片固定连接，质量块可以在圆管内滑动，所述第一封闭片和第二封闭片分别与圆管固定连接，所述线圈缠绕在圆管外部，线圈与质心微调电源连接；第二质心位置调节器和第一质心位置调节器的结构相同；质心微调电源没有对线圈通电时，圆盘、第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的总质心在旋转轴中心；安放圆管时，圆管内的弹簧比磁致伸缩杆更接近旋转轴中心。 7.根据权利要求1所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：在底座上固定安装加速度传感器，所述加速度传感器为双向加速度传感器，可以同时测量水平和竖向的加速度。 8.根据权利要求5所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：当步骤4中旋转盘、相变管和相变物质的总质心没有位于旋转轴中心时，启动平衡微调结构，分别改变第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的质心位置，这样通过改变呈90度角放置的第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的合成质心的位置，从而抵消旋转盘、相变管和相变物质的总质心偏移旋转轴中心时产生的激振力；由加速度传感器测得的加速度可以判断振动桩锤是否产生激振力，当旋转盘、相变管和相变物质的总质心没有完全恢复至旋转轴中心时，则测得的加速度不为零，这样通过调整平衡微调结构中质心的位置，直至加速度传感器测得的加速度为零，这时表明平衡微调结构中质心产生的离心力抵消了旋转盘、相变管和相变物质的总质心没有完全恢复至旋转轴中心时产生的离心力。 9.根据权利要求5所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：调节第一质心位置调节器和第二质心位置调节器使底座测得的加速度为0的过程为：设旋转轴旋转产生的相位角为a,第一质心位置调节器的圆管的相位角为b，第二质心位置调节器的圆管的相位角为b+90，这里相位角a和b的初始值都为0且单位为角度，若测得的加速度不为0，设t时刻测得的水平向加速度为Ax、竖向加速度为Ay,取第一质心位置调节器中质量块的位移调节系数为C1,第二质心位置调节器中质量块的位移调节系数为C2，则第一质心位置调节器中质量块移动的距离为C1.[Ax.cos(a)+Ay.sin(a)]，则第二质心位置调节器中质量块移动的距离为C2.[Ax.cos(a+90)+Ay.sin(a+90)]；在不同时刻按上述方式调节第一质心位置调节器和第二质心位置调节器中质量块的位置，直至底座的加速度为0。 10.根据权利要求1所述的一种基于相变的减少振动影响沉桩方法，其特征在于：沉桩步骤2和步骤4中需加热使相变物质为气态，且旋转盘和其一起旋转的连接结构的总质心位于旋转轴中心，但相变管在相变物质为气态的高温和高压作用下膨胀、导致相变管质心的细微变化、最终产生细微的激振力，这样不可避免在穿越锤-桩-地基的共振频率时引起共振，为了进一步抑制此细微的激振力，这里提供了此细微激振力的精细化计算及抑制方法：首先涉及一些简写和符号，以下为注解： m：相变管划分网格后，每个单元的节点数 Ni：每个节点上定义插值函数Ni(1≤i≤m) α：相变管热膨胀系数 [D]：应力和应变的关系矩阵 [B]：每个单元上位移和应变的关系矩阵 [B]T：[B]的转置矩阵 Ω：单元的积分区域 T：温度 Px、Py和Pz：压强P在局部坐标系中x、y和z方向的分量和压强P转化至j节点上的力在x、y和z方向的分量 {fe}T：每个单元节点上的组成温度引起的力向量 {fe}：将温度力向量{fe}T和压强节点力和叠加在一起，形成总的力向量 {ue}：单元节点上的位移向量 [Ke]：每个单元的矩阵 uix,uiy,uiz：每个单元节点上x、y和z方向位移(1≤i≤m) ux、uy和uz：单元中坐标为(x,y,z)任意一点的位移，其表达式分别为和 ρ：单元中材料密度 ω：旋转轴旋转角速度每个单元因相变管变形对旋转轴中心在x方向的额外激振力每个单元因相变管变形对旋转轴中心在y方向的额外激振力所有单元因相变管变形对旋转轴中心在x方向的额外激振力所有单元因相变管变形对旋转轴中心在y方向的额外激振力相变物质因相变管变形在x方向产生的额外激振力，相变物质因相变管变形在y方向产生的额外激振力 1)第一步：计算因温度和内压造成相变管的变形相变管中安装有温度计和压力计，实时监测得到相变管内部的温度T和压强P；对于相变管以旋转轴中心为原点建立局部坐标系，此坐标系含x、y和z轴，且xy平面与旋转盘的旋转平面平行，然后对相变管划分网格，每个网格构成一个单元，设每个单元有m个节点，每个节点上定义插值函数Ni(1≤i≤m),Ni是单元中任意一点坐标(x,y,z)的函数；设相变管热膨胀系数为α，应力和应变的关系矩阵[D]，设每个单元上位移和应变的关系矩阵为[B]，[B]T为[B]的转置矩阵，通过在单元区域Ω积分得到每个单元的矩阵设温度为T，每个单元节点上的组成温度引起的力向量{fe}T，求{fe}T的方法为：压强P在相变管内表面转化至节点力的方法为：设压强P在局部坐标系中x、y和z方向的分量为Px、Py和Pz，每个单元与相变物质的接触面设为A，则此接触面上任意j节点定义插值函数压强P转化至j节点上的力在x、y和z方向分量分别为和通过在接触面A上积分得到其表达式为：将温度引起的力向量{fe}T和压强转化至任意j节点的力和叠加在一起，形成总的力向量{fe}；基于[Ke]将单元节点上的位移向量{ue}和力向量{fe}联系起来，若不考虑单元之间的相互影响，如下所示： [Ke]{ue}＝{fe} (3) 考虑单元之间的相互作用力，将相变管的所有单元都列出如式(3)所示的方程组，联立求解这些方程组即可得到每个单元节点上的位移；设求解得到的每个单元节点上x、y和z方向位移分别为uix,uiy,uiz(1≤i≤m)，设单元中任意一点坐标为(x,y,z)，这样可得到单元中任意一点(x,y,z)的位移ux、uy和uz,其表达式分别为和 2)第二步：计算因相变管温度和内压变形产生的额外激振力设单元中材料密度为ρ，旋转轴旋转角速度为ω，然后可计算因温度和内压变形产生的额外激振力，即每个单元对旋转轴中心在x和y方向的额外激振力分别为和单元在x方向的额外激振力：单元在y方向的额外激振力：将所有单元的额外激振力和分别在x方向和y方向叠加在一起，得到相变管对旋转轴中心产生的额外激振力和由相变管网格的变形位移可以方便计算相变管内相变物质质心的变化，这样可以计算得到相变物质因相变管变形产生的额外激振力，设在x和y方向分别为和 3)第三步：抑制相变管和相变物质的额外激振力沉桩步骤2和步骤4中需要对桩施加的激振力为0，这时可通过增设平衡微调结构来抵消x方向的总额外激振力以及y方向的总额外激振力
所属类别：	发明专利