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原文传递基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法

专利名称：	基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法
摘要：	本发明公开了基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，通过控制变形囊包裹固液转换物质的状态，固液转换物质为液态时可从变形囊通过流动开关流入腔室，而变形囊、固液转换物质和腔室随旋转轴旋转，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：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910691961.4
公开号：	CN110438992A
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：	1.一种基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，包括：在桩顶上安放振动桩锤；振动桩锤里有固液态转换变形囊，固液态转换变形囊中有固液转换变物质；旋转轴的旋转频率从0逐渐增长至工作频率的过程中，旋转频率会穿越振动桩锤-桩-地基的共振频率，其特征是，振动沉桩方法按如下步骤： (1)步骤1，在旋转轴的旋转频率没有达到工作频率时，固液转换物质为固态，旋转盘的质心在旋转轴中心，这样旋转盘不对旋转轴产生离心力，振动桩锤不产生激振力； (2)步骤2，当旋转轴的旋转频率达到工作频率时，固液转换物质为液态、且在离心力作用下固液转换物质向远离旋转轴中心方向积聚，使变形囊发生变形，旋转盘的质心不在旋转轴中心，旋转轴带动旋转的物体的总质心不在旋转轴中心，这样旋转轴受激振力，桩在此激振力作用下沉入土中； (3)桩沉入到指定深度后，固液转换物质为液态、且流入指定腔室，使旋转轴带动旋转的物体的总质心在旋转轴中心，旋转轴不受激振力，振动桩锤不产生激振力，旋转轴的转速逐渐降低至0。 2.根据权利要求1所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：振动桩锤包含驱动装置、旋转轴、底座和旋转盘，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，旋转盘与旋转轴固定连接；旋转盘包含载物盘、变形囊、固液转换物质、流动开关、腔室，变形囊、流动开关和腔室固定在载物盘上，载物盘和旋转轴固定连接，变形囊包裹固液转换物质，固液转换物质为液态时可从变形囊通过流动开关流入腔室，变形囊、流动开关和腔室依次连接，载物盘和旋转轴固定连接。 3.根据权利要求2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：(1)步骤1中，在旋转轴的旋转频率没有达到工作频率时，固液转换物质为固态，流动开关为关闭状态，旋转盘的质心在旋转轴中心，这样旋转盘不对旋转轴产生离心力，振动桩锤不产生激振力；(2)步骤2，当旋转轴的旋转频率达到工作频率时，固液转换物质为液态、且在离心力作用下使变形囊发生变形，变形囊距离旋转轴近的一端发生收缩、且远离旋转轴的一端膨胀，流动开关为关闭状态，固液转换物质不进入腔室，旋转盘的质心不在旋转轴中心，这样旋转盘对旋转轴产生离心力，振动桩锤产生激振力，桩在此激振力作用下沉入土中；(3)桩沉入到指定深度后，固液转换物质为液态，打开流动开关，固液转换物质从变形囊经流动开关进入腔室，这时旋转盘的质心在旋转轴中心，这样旋转盘不对旋转轴产生离心力，振动桩锤不产生激振力，旋转轴的转速逐渐降低至0。 4.根据权利要求2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：固液态转换物质为悬浮有可磁化颗粒的液体，这时固液态转换激发装置为磁场施加装置，施加磁场后可磁化颗粒沿磁场方向连接、且变形囊中的固液转换物质表现为具有抵抗变形能力的刚性固体，当不施加磁场后可磁化颗粒悬浮在液体中、且变形囊中的固液转换物质表现为具有流动性的液体。步骤1中，磁场施加装置工作，变形囊和其中的固液转换物质组合表现为可抵抗变形的固定形状；步骤2和步骤3中，磁场施加装置不工作，变形囊中的固液转换物质表现为可流动液体。 5.根据权利要求2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：磁场施加装置包括依次连接的磁场电源和线圈，磁场电源对线圈通电后产生静磁场；或磁场施加装置包括三套依次连接的磁场电源和线圈，所述三个线圈两两之间呈90度夹角放置，且通过这三个线圈施加三个垂直方向且各自磁场强度可实时调节的磁场，这三个垂直的磁场合成后的磁场矢量大小和方向都可实时调节，从而使合成后的磁场矢量随载物盘旋转，且合成后的磁场矢量方向与可磁化颗粒受离心力方向相同，从而使可磁化颗粒抵抗离心力变形的能力最大。 6.根据权利要求2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：固液转换物质为第一温度时为固态，第二温度为液态，第二温度高于第一温度，固液转换激发装置为加热装置，在步骤1中固液转换激发装置不工作、且固液转换物质为固态，在步骤2和3中固液转换激发装置工作、且固液转换物质为液态。 7.根据权利要求4所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：固液转换激发装置为直接产生热量的装置，例如固液转换激发装置为电阻丝加热装置、或喷油燃烧加热装置、或其他直接产生热量的装置，旋转盘和固液转换激发装置外罩有保温壳，保温壳安装在底座上，旋转轴穿过保温壳壁面旋转；或者固液转换激发装置为交变磁场发生装置，变形囊为导电材料掺杂在可变形材料中制成，例如导电丝掺杂在橡胶膜中制成变形囊，变形囊在交变磁场下产生电涡流且发热，最终将固液转换物质由固态变为液态。 8.根据权利要求2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，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。 9.根据权利要求8所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：当步骤3中载物盘及其附属连接结构的总质心没有位于旋转轴中心时，变形囊中固液转换物质有残余，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，从而抵消载物盘及其附属连接结构的总质心偏移旋转轴中心时产生的激振力；由底座上安装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，当载物盘及其附属连接结构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载物盘及其附属连接结构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2所述的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，其特征在于：当固液态转换物质为悬浮有可磁化颗粒的液体时，步骤1中需使变形囊和其中的固液转换物质组合表现为可抵抗变形的固定形状，旋转盘的质心在旋转轴中心，避免旋转轴的旋转频率穿越锤-桩-地基的共振频率时引起共振，但是固液转换物质的每一个点在旋转轴加速旋转过程中的离心力都在变化、且引起固液转换物质的不断细微变形、导致其质心的细微变化、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： 1)第一步：磁场作用下的固液转换物质呈固态，对此固态的固液转换物质进行压缩和扭转试验，得到磁场作用下的固液转换物质的模量E和泊松比υ； 2)第二步：计算渐变转速下固液态转换物质产生的额外激振力；对步骤1中的固液转换物质以旋转轴中心为原点建立局部坐标系，且对固液转换物质划分网格，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)的函数，设旋转轴旋转角速度为ω，旋转过程中重力对单元中任意一点在x方向的作用力为bx、在y方向的作用力为by，对单元区域Ω积分得到因为旋转对单元节点的等效荷载：对单元第i节点的x方向等效荷载: 对单元第i节点的y方向等效荷载: 将fix和fiy组合为单元节点力列向量{fe}，其表达式为：设每个单元节点上x和y方向位移分别为uix,uiy(1≤i≤m)，将uix,uiy组合得到单元节点位移向量{ue}，其表达式为：由模量E和泊松比υ得到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[Ke]将{fe}和{ue}联系起来，如下式所示： [Ke]{ue}＝{fe} (1) 每个单元都可列出如式(1)所示的方程，将所有单元的方程都联立在一起可求解得到固液态转换物质每个单元节点上的位移uix和uiy(1≤i≤m)，这样可得到单元中任意一点(x,y)的位移ux和uy,其表达式分别为和然后计算每个单元在细微变形后对旋转轴中心在x和y方向的作用力分别为和单元在x方向的作用力：单元在y方向的作用力：将所有单元的作用力和分别在x方向和y方向叠加在一起，得到固液态转换物质在同一磁场强度下因细微变形后产生的作用力和由和的表达式可知，和随旋转角速度变化； 3)第三步：抑制渐变转速下固液态转换物质产生的额外激振力；在旋转轴的旋转频率穿越共振频率附近时，为了避免共振影响，实时施加微调力来抵消额外激振力和的影响；其中， E：模量； υ：泊松比； m：固液态转换物质划分网格后，每个单元的节点数； Ni：每个单元第i个节点上定义的插值函数，且为单元中每个点坐标的函数，这里1≤i≤m； ω：旋转轴旋转角速度； bx：重力对单元中任意一点在x方向的作用力； by：重力对单元中任意一点在y方向的作用力； Ω：单元积分区域； fix：对单元第i节点的x方向等效荷载， fiy：对单元第i节点的y方向等效荷载， {fe}：单元节点力列向量，由fix和fiy组合而成； uix,uiy：每个单元节点上x和y方向位移，且1≤i≤m； {ue}：单元节点位移向量{ue}，由uix,uiy组合得到； [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； [Ke]：将{fe}和{ue}联系起来的矩阵，有[Ke]{ue}＝{fe}； ux,uy：单元中任意一点(x,y)在x和y方向的位移其表达式分别为和每个单元在细微变形后对旋转轴中心在x方向的作用力；每个单元在细微变形后对旋转轴中心在y方向的作用力；将所有单元的作用力在x方向叠加在一起，得到固液态转换物质在同一温度下因细微变形后产生的x方向作用力；将所有单元的作用力在y方向叠加在一起，得到固液态转换物质在同一温度下因细微变形后产生的y方向作用力。
所属类别：	发明专利