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原文传递基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤及沉桩方法

专利名称：	基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤及沉桩方法
摘要：	本发明公开了基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤及沉桩方法，包括相变驱动装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述相变驱动装置包括旋转盘、相变装置、相变激发装置；所述相变装置包含相变管、相变物质、和位于相变管内依次连接的第一固定片、相变物质、滑动块、弹簧、固定块、第二固定片，所述第一固定片和第二固定片与相变管固定连接，固定块和第二固定片固定连接，滑动块可沿相变管内滑动；本发明还公开了基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤的沉桩方法，可以让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：	CN201910691937.0
公开号：	CN110409441A
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：	310000 浙江省杭州市西湖区留和路318号
主权项：	1.一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤，其特征在于：包括相变驱动装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述相变驱动装置包括旋转盘、相变装置、相变激发装置；所述相变装置包含相变管、相变物质、和位于相变管内依次连接的第一固定片、相变物质、滑动块、弹簧、固定块、第二固定片，所述第一固定片和第二固定片与相变管固定连接，固定块和第二固定片固定连接，滑动块可沿相变管内滑动，第一固定片与滑动块在相变管内隔出第一腔室，滑动块与固定块在相变管内隔出第二腔室，相变物质被密封于第一腔室且不会逸出第一腔室；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第一腔室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中第一腔室；当相变物质为液态时，旋转盘和旋转盘上附属连接装置的总质心在旋转轴中心，而当相变物质为气态时，相变物质驱动滑动块移动，这时旋转盘和旋转盘上附属连接装置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。 2.根据权利要求1所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤，其特征在于：相变物质为液态时，相变物质充满第一腔室，旋转盘和相变装置的总质心在旋转轴中心，旋转盘和旋转轴接触面上离心力合力为0；相变物质为气态时，相变物质充满第一腔室，旋转盘和相变装置的总质心不在在旋转轴中心，旋转盘和旋转轴接触面上离心力合力不为0；相变物质为液态时，滑动块和固定块的总质心在旋转轴中心，滑动块质心、固定块质心和旋转轴中心成一条直线。 3.根据权利要求1所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤，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。 4.根据权利要求3所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤，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，所述激光吸收材料选择氧化锆或磷酸盐。 5.根据权利要求1所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤，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驱动的减少振动影响振动桩锤，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、微调弹簧、线圈和质心微调电源，所述第一封闭片、微调弹簧、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，微调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，质量块能在圆管内滑动，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，圆管内的微调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驱动的减少振动影响振动桩锤，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，能同时测量水平和竖向的加速度。 8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：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、基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤连接在一起，其中基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤的底座和夹具连接；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，在这个过程中相变激发装置不工作，相变管的第一腔室中的相变物质为液态，旋转盘、相变装置的总质心在旋转轴中心，旋转过程中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，相变激发装置开始工作，且相变管中第一腔室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，而当相变物质为气态时，相变物质驱动滑动块移动且弹簧收缩，且相变调节质心装置和旋转盘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，相变激发装置不工作，相变管中第一腔室的温度由第二温度改变为第一温度，这时相变物质为液态，且旋转盘、相变调节质心装置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。 9.根据权利要求8所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：步骤4中相变调节质心装置和旋转盘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，从而抵消相变调节质心装置和旋转盘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能够判断振动桩锤是否产生激振力，当相变调节质心装置和旋转盘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相变调节质心装置和旋转盘的总质心没有完全恢复至旋转轴中心时产生的离心力；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8所述的一种基于相变驱动的减少振动影响振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：在沉桩的步骤2和步骤4中，旋转轴的旋转频率需要穿越锤-桩-地基的共振频率，而这时要求滑动块位于指定位置，从而使旋转盘和随其旋转的附属结构的总质心位于旋转轴中心，且旋转盘对旋转轴不产生激振力，但实际使用过程中大气温度不同，外界温度低时相变物质向外辐射热量而温度降低，而夏天外界温度高时相变物质吸收外界辐射的热量而温度升高，另外相变管随旋转轴旋转时与外界空气有对流热交换、且此对流热交换程度与旋转速度有显著关系，此对流热交换也影响相变物质的温度，因此在实际现场沉桩时，难以保证相变物质的温度保持在稳定值、从而难以对滑动块施加稳定的压力且使滑动块固定在指定位置，而滑动块受力改变后会移动位置、这样旋转盘及其附属旋转的结构物的总质心会偏移旋转轴中心、导致在穿越锤-桩-地基的共振频率时有激振力而对周围环境有较大影响，因此在沉桩步骤2和4时，对因现场温度波动导致的额外激振力，这里给出精细化计算温度波动产生的额外激振力和抑制此激振力的方法：首先涉及一些符号，一下为注解： x：滑动块在相变管内滑动的位移,滑动块在相变管中位移x＝0时旋转盘及其附属旋转物体的总质心在旋转轴中心 F:力伺服机施加的力 A1,A2,A3,A4,A5,A6：拟合系数 Δ：当滑动块位移x＝0时设弹簧的压缩量 k：弹簧刚度为温度Ti下滑动块在弹簧和相变物质共同作用下的平衡位移 T1,T2,Λ,Ti,Ti+1,Λ,Tn：温度序列 Λ,Λ,滑动块平衡位移序列 T：温度 xT：滑动块平衡位移 M：滑动块质量 Fexcite：温度波动导致的额外激振力 X,Y：直角坐标系中滑动块位于相变管中位移x＝0时的坐标 Δx,Δy：直角坐标系中滑动块因温度波动移动到x＝xT时的坐标偏移量 1)第一步：首先用力伺服机取代相变管中的弹簧，然后对相变管中的相变物质施加温度Ti，在温度值Ti下用力伺服机对滑动块施加逐渐增大的压力，并记录滑动块的位移，设力伺服机测得的力为F，滑动块的位移为x,当滑动块位移x＝0时旋转盘及其附属旋转物体的总质心在旋转轴中心，用多项式拟合滑动块受力F和位移x变化关系： F＝A1x5+A2x4+A3x3+A4x2+A5x+A6 (1) 上式中A1,A2,A3,A4,A5,A6为拟合系数；当滑动块位移x＝0时设弹簧的压缩量为Δ，设弹簧刚度为k,滑动块在相变物质和弹簧共同作用下达到平衡，平衡方程为： F-k(Δ+x)＝A1x5+A2x4+A3x3+A4x2+A5x+A6-k(Δ+x)＝0 (2) 设求解式(2)的方程得到的解为此为温度Ti下滑动块在弹簧和相变物质共同作用下的平衡位移； 2)第二步：然后在不同温度值下重复上述第一步的过程，例如取n个依次增大的温度序列T1,T2,Λ,Ti,Ti+1,Λ,Tn，得到不同温度下对应的滑动块平衡位移序列Λ,Λ,基于上述温度序列和平衡位移序列，设温度为T,滑动块平衡位移为xT，分段插值得到平衡位移xT随温度T的关系如下： 3)第三步：设滑动块质量为M，在实际沉桩过程的步骤2和4中，实时监测相变管中相变物质的温度T，由式(3)计算温度T下滑动块在相变管内的位移xT，从而计算旋转盘及随其旋转的物体的总质心变化，然后计算旋转轴受旋转盘及随其旋转的物体的总激振力，设此激振力的大小为Fexcite，可以配置平衡微调结构抵消此激振力Fexcite，从而在实际沉桩过程的步骤2和4中，避免因温度波动导致旋转轴的旋转频率穿越锤-桩-地基的共振频率时对周围环境的影响。
所属类别：	发明专利