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原文传递基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法

专利名称：	基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法
摘要：	本发明公开了一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于包括凝胶变形装置、旋转轴、驱动装置和底座；针对激振频率由零增加至工作频率的过程中因穿越振动锤‑桩‑地基体系的共振频率而导致周围环境振动过大的问题，振动桩锤达到工作频率前都没有偏心激振力，而振动桩锤达到工作频率时才逐渐产生偏心激振力。
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：	CN201910697663.6
公开号：	CN110409446A
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.基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，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、基于凝胶减少振动影响的振动桩锤连接在一起，其中振动桩锤的底座和夹具连接；所述振动桩锤包括凝胶变形装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述凝胶变形装置包括旋转盘、密封的空心管、凝胶、液体、凝胶变形激发装置，所述空心管中含有凝胶和液体；所述凝胶在第一pH值时失液体收缩、在第二pH值吸收液体膨胀，或者凝胶在第一温度时失液体收缩、在第二温度时吸收液体膨胀；旋转轴与旋转盘固定连接并驱动旋转盘旋转，密封的空心管与旋转盘固定连接，凝胶变形激发装置安装在底座上或安装在密封的空心管内；凝胶变形激发装置工作时能改变密封的空心管中的pH或温度值，同时改变凝胶和液体的总质心位置，将空心管中的pH值由第一pH值改变为第二pH值或者将空心管中的温度由第一温度改变为第二温度，同时凝胶吸收液体膨胀，这样凝胶和液体的总质心位置发生改变，从而旋转盘及其附属共同旋转的物体的总质心位置与旋转轴中心的变化关系为由重合改变为不重合；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，在这个过程中振动桩锤不产生激振力，使旋转盘、密封的空心管、凝胶、液体的总质心在旋转轴中心，凝胶变形激发装置不工作；步骤3：当旋转轴转速达到工作转速后，凝胶变形激发装置激发凝胶变形，这样旋转盘在旋转过程中对旋转轴产生不平衡的离心力，旋转盘、密封的空心管、凝胶、液体的总质心不在旋转轴中心，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，凝胶变形激发装置使凝胶恢复初始形状，旋转轴旋转时不产生激振力，旋转盘、密封的空心管、凝胶、液体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所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：凝胶为水凝胶，液体为水，所述凝胶在第一pH值时失水收缩、在第二pH值吸水膨胀，或者凝胶为水凝胶，液体为水，水凝胶在第一温度时失水收缩、在第二温度时吸水膨胀。 3.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述凝胶变形激发装置为改变空心管中的pH值时，凝胶变形激发装置包含第一循环水泵、碱性溶液容器、第二循环水泵和酸性溶液容器，碱性溶液容器固定在旋转盘上，酸性溶液容器固定在旋转盘上；碱性溶液容器中存有碱性溶液，酸性溶液容器中存有酸性溶液；碱性溶液容器、第一循环水泵和空心管之间两两连接，第一循环水泵驱动碱性溶液容器中的碱性溶液和空心管中的液体交换流动；酸性溶液容器、第二循环水泵和空心管之间两两连接，第二循环水泵驱动酸性溶液容器中的酸性溶液和空心管中的液体交换流动；或者所述凝胶变形激发装置为改变空心管中的温度时，凝胶变形激发装置为微波发射装置、或激光发射装置、或电阻加热装置，凝胶变形激发装置工作时发射激光、或发射微波、或电阻加热从而将空心管中的温度由第一温度改变为第二温度；当凝胶变形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，所述磁控管对空心管发射微波；或者凝胶变形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，激光发射器对空心管发射激光，发射激光的方式为激光发射器追踪旋转盘上的空心管且向空心管发射激光、或者空心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空心管加热；或者凝胶变形激发装置为电阻加热装置时，电阻加热装置包含电源和电阻丝，所述电源固定在旋转盘上，电阻丝伸入空心管内且为空心管加热；当凝胶变形激发装置为微波发射装置时，空心管为可透射微波材料，空心管材料为玻璃，所述液体为水；或者凝胶变形激发装置为激光发射装置时，所述液体为水，空心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。 4.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：当凝胶变形激发装置工作时可以改变密封的空心管中的pH值，且凝胶变形由pH值控制时，获取激振力大小的方法为：在凝胶区域划分数值网格，在液体区域划分数值网格，在凝胶上布设监测点，监测点与凝胶数值网格节点重合，在液体和凝胶交界面上布设监测点，涉及一些简写和符号，以下为注解： {uG}：凝胶区域网格节点上的位移列向量，这里用上标G表示凝胶区域上的变量；凝胶区域网格节点上的速度列向量；凝胶区域网格节点上的加速度列向量； {fG}：凝胶区域网格节点上的节点力列向量； [MG]：凝胶区域划分网格后得到的有限元质量矩阵； [CG」：凝胶区域划分网格后得到的有限元阻尼矩阵； [KG]：凝胶区域划分网格后得到的有限元刚度矩阵；凝胶吸水后最大密度；凝胶最小密度；第i个凝胶单元的密度，这里1≤i≤m，且 ρG：凝胶的密度， m：凝胶区域划分网格后单元的数量； n：凝胶区监测点数量； L:凝胶区监测点提取的位移数量； xj：凝胶监测点中提取的第j个位移，当监测点只提取局部坐标系单个方向的位移时，0≤j≤n；当监测点提取局部坐标系两个垂直方向的位移时，0≤j≤2n；凝胶数值模型中对应的监测点提取的第j个位移，当监测点只提取局部坐标系单个方向的位移时，0≤j≤n；当监测点提取局部坐标系两个垂直方向的位移时，0≤j≤2n； cG：由pH值变化引起的凝胶膨胀应变； {QpH}e：由pH值变化引起的第i个凝胶单元应变荷载向量； [B]T：单元节点位移与应变关系的转置矩阵； [D]：应力应变关系矩阵； pH值变化引起的膨胀应变向量； Ωe：凝胶单元的积分域；凝胶区域对旋转轴的总激振力；流体区域对转转轴的总激振力；首先由试验得到pH值变化引起的凝胶膨胀应变cG与凝胶吸收液体后密度ρG的关系：cG＝cG(ρG)，例如设此关系为多项式cG＝A1(ρG)5+A2(ρG)4+A3(ρG)3+A4(ρG)2+A5(ρG)1+A6，这里A1，A2，A3，A4，A5，A6为试验拟合得到的系数；在凝胶上布设监测点，监测点随凝胶一起移动，且监测点标记为与凝胶不同的颜色，通过实时拍照提取凝胶监测点的位移xj(0≤j≤L)；以第i个凝胶单元吸收液体后密度为优化变量，以监测点的实测值xj和数值模拟的差值为最小目标函数，建立如下优化模型：约束条件：每次优化迭代中，通过如下有限元方程求解监测点对应的数值节点上的位移求解过程中将第i个凝胶单元的密度代入第i个凝胶单元的质量矩阵且叠加到总体质量矩阵[MG]；第i个凝胶单元凝胶膨胀应变cG用凝胶吸收液体后密度表示、且代入凝胶单元的应变荷载向量{QpH}e，其中且将第i个凝胶单元应变荷载向量{QpH}e叠加至节点力列向量{fG}；求解上述优化模型后，得到每个单元的密度然后在每个单元上积分得到每个凝胶单元的质量，结合每个单元的质心初始位置和位移、以及旋转角速度，可以得到每个凝胶单元相对初始状态对旋转轴中心增加的离心力，将这些凝胶单元增加的离心力叠加，得到凝胶区域对旋转轴的激振力由凝胶和液体交界面上的监测点，得到液体区域的边界，结合液体单元的密度、质心位置和位移、以及旋转角速度，可以得到每个流体单元相对初始状态对旋转轴中心增加的离心力，将这些流体单元增加的离心力叠加，得到流体区域对旋转轴的激振力记录当前凝胶区域和流体区域对旋转轴的激振力为总激振力，当记录的总激振力达到指定值时使桩下沉；当桩下沉到指定位置后，保持旋转轴转速不变，通过凝胶变形激发装置使总激振力为0，然后降低转速至0。 5.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：当凝胶变形激发装置工作时可以改变密封的空心管中的温度值，且凝胶变形由温度控制时，获取激振力大小的方法为：在凝胶区域划分数值网格，在液体区域划分数值网格，在凝胶上布设监测点，监测点与凝胶数值网格节点重合，在液体和凝胶交界面上布设监测点，涉及一些简写和符号，以下为注解： {uG}：凝胶区域网格节点上的位移列向量，这里用上标G表示凝胶区域上的变量；凝胶区域网格节点上的速度列向量；凝胶区域网格节点上的加速度列向量； {fG}：凝胶区域网格节点上的节点力列向量； [MG]：凝胶区域划分网格后得到的有限元质量矩阵； [CG」：凝胶区域划分网格后得到的有限元阻尼矩阵； [KG]：凝胶区域划分网格后得到的有限元刚度矩阵；凝胶吸水后最大密度；凝胶最小密度；第i个凝胶单元的密度，这里1≤i≤m，且 ρG：凝胶的密度， m：凝胶区域划分网格后单元的数量； n：凝胶区监测点数量； L:凝胶区监测点提取的位移数量； xj：凝胶监测点中提取的第j个位移，当监测点只提取局部坐标系单个方向的位移时，0≤j≤n；当监测点提取局部坐标系两个垂直方向的位移时，0≤j≤2n；凝胶数值模型中对应的监测点提取的第j个位移，当监测点只提取局部坐标系单个方向的位移时，0≤j≤n；当监测点提取局部坐标系两个垂直方向的位移时，0≤j≤2n； cGT：由值温度变化引起的凝胶膨胀应变； {QT}e：由温度值变化引起的第i个凝胶单元应变荷载向量； [B]T：单元节点位移与应变关系的转置矩阵； [D]：应力应变关系矩阵；温度变化引起的膨胀应变向量； Ωe：凝胶单元的积分域；凝胶区域对旋转轴的总激振力；流体区域对转转轴的总激振力；首先由试验得到温度变化引起的凝胶膨胀应变cGT与凝胶吸收液体后密度ρG的关系：cGT＝cGT(ρG)，例如设此关系为多项式cGT＝B1(ρG)5+B2(ρG)4+B3(ρG)3+B4(ρG)2+B5(ρG)1+B6，这里B1，B2，B3，B4，B5，B6为试验拟合得到的系数；在凝胶上布设监测点，监测点随凝胶一起移动，且监测点标记为与凝胶不同的颜色，通过实时拍照提取凝胶监测点的位移xj(0≤j≤L)；以第i个凝胶单元吸收液体后密度为优化变量，以监测点的实测值xj和数值模拟的差值为最小目标函数，建立如下优化模型：约束条件：每次优化迭代中，通过如下有限元方程求解监测点对应的数值节点上的位移求解过程中将第i个凝胶单元的密度代入第i个凝胶单元的质量矩阵且叠加到总体质量矩阵[MG]；第i个凝胶单元凝胶膨胀应变cGT用凝胶吸收液体后密度表示、且代入凝胶单元的应变荷载向量{QT}e，其中且将第i个凝胶单元应变荷载向量{QT}e叠加至节点力列向量{fG}；求解上述优化模型后，得到每个单元的密度然后在每个单元上积分得到每个凝胶单元的质量，结合每个单元的质心初始位置和位移、以及旋转角速度，可以得到每个凝胶单元相对初始状态对旋转轴中心增加的离心力，将这些凝胶单元增加的离心力叠加，得到凝胶区域对旋转轴的激振力由凝胶和液体交界面上的监测点，得到液体区域的边界，结合液体单元的密度、质心位置和位移、以及旋转角速度，可以得到每个流体单元相对初始状态对旋转轴中心增加的离心力，将这些流体单元增加的离心力叠加，得到流体区域对转转轴的激振力记录当前凝胶区域和流体区域对旋转轴的激振力为总激振力，当记录的总激振力达到指定值时使桩下沉；当桩下沉到指定位置后，保持旋转轴转速不变，通过凝胶变形激发装置使总激振力为0，然后降低转速至0。 6.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述凝胶变形激发装置外罩有保温壳，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，这样可以加速空心管的升温过程；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4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，冷气在保温壳内对空心管进行降温。 7.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，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。 8.根据权利要求7所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，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。 9.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，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。 10.根据权利要求1所述的一种基于凝胶精细化变形控制减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述步骤3中凝胶变形激发装置激发凝胶变形，具体过程为凝胶变形激发装置工作时可以改变密封的空心管中的pH值，凝胶在第一pH值时失液体收缩、在第二pH值吸液体膨胀，若第一pH值取为酸性，第二pH值取为碱性，凝胶初始所在液体为第一pH值且为酸性，则第一循环水泵驱动碱性溶液容器中的碱性溶液和空心管中的液体交换流动，则凝胶在第二pH值吸液体膨胀变形；或者凝胶变形激发装置激发凝胶变形，具体过程为凝胶变形激发装置工作时可以改变密封的空心管中的温度，例如通过微波、或激光、或电阻或其他加热方式，将空心管中的温度由第一温度改变为第二温度，凝胶在在第二温度时吸液体膨胀；所述步骤4中凝胶变形激发装置使凝胶恢复初始形状，具体过程为凝胶变形激发装置工作时可以改变密封的空心管中的pH值，例如凝胶在第一pH值时失液体收缩、在第二pH值吸液体膨胀，若第一pH值取为酸性，第二pH值取为碱性，凝胶使旋转轴产生激振力时位于碱性溶液中，则第二循环水泵驱动酸性溶液容器中的酸性溶液和空心管中的液体交换流动，则凝胶在第一pH值失液体收缩，恢复初始形状；或者凝胶变形激发装置使凝胶恢复初始形状，具体过程为凝胶变形激发装置不加热，将空心管中的温度由第二温度改变为第一温度，凝胶在第一温度时失液体收缩，步骤4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，冷气在保温壳内对空心管进行降温。
所属类别：	发明专利