详情

原文传递基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤及沉桩方法

专利名称：	基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤及沉桩方法
摘要：	本发明公开了基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤及沉桩方法，振动桩锤包括凝胶铰接杆结构装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述凝胶铰接杆结构装置包括铰接杆结构、凝胶、重量块、液体、密封的空心管、旋转盘、凝胶变形激发装置，所述空心管中含有铰接杆结构、凝胶、重量块和液体，空心管的底面、铰接杆结构和重量块依次连接，铰接杆结构为若干刚性杆铰接且可绕铰接点旋转。本发明还公开了基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，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。
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：	CN201910691935.1
公开号：	CN110409440A
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：	1.一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，包括凝胶铰接杆结构装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述凝胶铰接杆结构装置包括铰接杆结构、凝胶、重量块、液体、密封的空心管、旋转盘、凝胶变形激发装置，所述空心管中含有铰接杆结构、凝胶、重量块和液体，空心管的底面、铰接杆结构和重量块依次连接，铰接杆结构为若干刚性杆铰接且能绕铰接点旋转、且若干杆铰接后围住凝胶，凝胶和液体以及杆接触，凝胶膨胀或收缩能使杆绕铰接点旋转，从而使杆推动重量块移动；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，同时使围住凝胶的杆绕铰接点转动从而推动重量块移动，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，这样杆在凝胶驱动下绕铰接点旋转、且杆推动重量块移动，从而旋转盘及与其共同旋转的附属物体的总质心位置由与旋转轴中心重合改变为不重合；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。 2.根据权利要求1所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，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铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，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，这样能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，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铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，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反射热辐射，这样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。 5.根据权利要求1所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，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1所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤，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，同时测量水平和竖向的加速度。 7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的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、振动桩锤连接在一起，其中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，在这个过程中振动桩锤不产生激振力，使旋转盘及旋转盘上附属共同旋转的物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，从而使杆绕铰接点旋转且推动重量块移动，这样旋转盘在旋转过程中对旋转轴产生不平衡的离心力，旋转盘及旋转盘上附属共同旋转的物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，旋转盘及旋转盘上附属共同旋转的物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。 8.根据权利要求7所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：当凝胶由pH值控制其变形时，计算并控制重量块产生激振力的方法为：对于单个铰接杆结构和其包围的凝胶，单个铰接杆结构有两个点是用于连接其他铰接杆结构、或重量块、或空心管，设这两个点为第一连接点和第二连接点，具体步骤如下； 1)第一步：获取单个包围凝胶的铰接杆结构的性质；将单个铰接杆结构和其包围的凝胶放在在不同pH值的溶液中，测试第一连接点和第二连接点的距离L，这时第一连接点和第二连接点之间不承受外部荷载压力，得到L与pH值之间的关系，例如取多项式关系： L＝A1(αpH)5+A2(αpH)4+A3(αpH)3+A4(αpH)2+A5(αpH)1+A6 (1) 这里A1，A2，A3，A4，A5，A6为拟合系数，αpH为pH值；将单个铰接杆结构和其包围的凝胶放在相同的pH值的溶液中，这时第一连接点和第二连接点承受外部荷载压力F由0逐渐增大，取第一连接点和第二连接点之间相对位移为Δ，设等效刚度k＝F/Δ，绘出等效刚度k随相对位移Δ的变化曲线，基于多项式拟合此曲线，例如取等效刚度k(pH)i＝Bi1Δ2+Bi2Δ+Bi3，这里k(pH)i(1≤i≤n)的上标i表示第i种pH值，Bi1,Bi2,Bi3为拟合系数，如果取n种pH值，且其中第i+1种pH值大于第i种pH值，得到n个等效刚度k(pH)i随位移Δ变化的多项式，这n个多项式表示为矩阵形式： 2)第二步：获取重量块的位移设空心管中有m个相同铰接杆结构串联，且每个铰接杆结构包围相同凝胶，串联的铰接杆结构的两端分别和空心管和重量块连接，这样共有m+1个连接点(两个铰接杆结构的重合点只算一个连接点)，设第1个连接点为铰接杆结构与空心管的连接点，第m+1个连接点为铰接杆结构与重量块的连接点；设第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的刚度为kj，kj的确定方法为首先由当前pH值确定式(2)中对应的第i种pH值和第i+1种pH值，且要求当前pH值介于第i种pH值和第i+1种pH值之间，然后基于pH值的插值关系由系数Bi1,Bi2,Bi3和B(i+1)1,B(i+1)2,B(i+1)3插值得到相应的系数B1,B2,B3，最后取kj＝B1Δ2+B2Δ+B3；取单元刚度矩阵为[K(e)]j，其表达式为：串联的铰接杆结构及凝胶的总体刚度矩阵为[K](m+1)×(m+1)，这里[K](m+1)×(m+1)为m+1阶方阵，总体刚度矩阵为[K](m+1)×(m+1)由每个包围凝胶的铰接杆结构的单元刚度矩阵[K(e)]j(1≤j≤m)叠加而成；设m+1个连接点上的节点力向量为{f}(m+1)×1，相应的节点位移向量为{u}(m+1)×1，这里下标(m+1)×1表示矩阵为m+1行1列的向量，[K](m+1)×(m+1)将节点力向量{f}(m+1)×1和节点位移向量为{u}(m+1)×1联系起来，如式(4)所示： [K](m+1)×(m+1){u}(m+1)×1＝{f}(m+1)×1 (4) 然后求解式(4)表示的方程组得到节点位移向量{u}(m+1)×1，提取{u}(m+1)×1中第m+1连接点的位移um+1，此位移um+1即重量块的位移； 3)第三步：计算重量块产生的激振力由式(1)得到当前pH值下每个包围凝胶的铰接杆结构在不受外载荷下的初始长度L，计算当前重量块距离铰接杆与空心管连接点的距离为x＝L×m-um+1；最后记重量块距离铰接杆与空心管连接点的初始距离为x0，这里“初始”指旋转盘及与其共同旋转的附属物体的总质心位置与旋转轴中心重合，记重量块质量为mmass，记旋转轴转动角速度为ω，最后重量块移动产生的激振力为Fexcite＝mmassω2(x-x0)；选取不同的pH值后，重复第二步至第三步的过程，通过不同的pH值来试算重量块产生的激振力Fexcite，能绘出在指定旋转角速度下pH值与重量块激振力Fexcite的变化曲线，利用此曲线，即可由设定的重量块激振力Fexcite来求得需要的溶液pH值，从而通过调控pH值来控制重量块激振力Fexcite的大小；其中， L：单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点的距离； αpH：pH值； A1，A2，A3，A4，A5，A6:拟合系数； F:单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点承受外部荷载压力； Δ:单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点之间相对位移； k:包围凝胶的单个铰接杆的等效刚度，k＝F/Δ； k(pH)i：表示第i种pH值下的等效刚度，1≤i≤n，n为试验取的pH值个数； Bi1,Bi2,Bi3：拟合系数； m:空心管中串联的铰接杆结构的数量； kj：第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的等效刚度； [K(e)]j：第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的单元刚度矩阵； [K](m+1)×(m+1)：串联的铰接杆结构及凝胶的总体刚度矩阵，由[K(e)]j(1≤j≤m)叠加而成； {f}(m+1)×1：串联的铰接杆结构的节点力向量； {u}(m+1)×1：串联的铰接杆结构的节点位移向量； um+1：重量块的位移，等于{u}(m+1)×1中第m+1连接点的位移； x：当前重量块距离铰接杆与空心管连接点的距离，x＝L×m-um+1； x0：重量块距离铰接杆与空心管连接点的初始距离； mmass：重量块质量； ω：旋转轴转动角速度 Fexcite：重量块移动产生的激振力。 9.根据权利要求7所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：当凝胶由温度控制其变形时，计算并控制重量块产生激振力的方法为：对于单个铰接杆结构和其包围的凝胶，单个铰接杆结构有两个点是用于连接其他铰接杆结构、或重量块、或空心管，设这两个点为第一连接点和第二连接点，具体步骤如下； 1)第一步：获取单个包围凝胶的铰接杆结构的性质；将单个铰接杆结构和其包围的凝胶放在在不同温度的溶液中，测试第一连接点和第二连接点的距离L，这时第一连接点和第二连接点之间不承受外部荷载压力，得到L与温度之间的关系，例如取多项式关系： L＝C1(αT)5+C2(αT)4+C3(αT)3+C4(αT)2+C5(αT)1+C6 (5) 这里C1，C2，C3，C4，C5，C6为拟合系数，αT为温度值；将单个铰接杆结构和其包围的凝胶放在相同的温度的溶液中，这时第一连接点和第二连接点承受外部荷载压力F由0逐渐增大，取第一连接点和第二连接点之间相对位移为Δ，设等效刚度k＝F/Δ，绘出等效刚度k随相对位移Δ的变化曲线，基于多项式拟合此曲线，例如取等效刚度k(T)i＝Di1Δ2+Di2Δ+Di3，这里k(T)i(1≤i≤n)的上标i表示第i种温度值，Di1,Di2,Di3为拟合系数，如果取n种温度值，且其中第i+1种温度值大于第i种温度值，得到n个等效刚度k(T)i随位移Δ变化的多项式，这n个多项式表示为矩阵形式： 2)第二步：获取重量块的位移设空心管中有m个相同铰接杆结构串联，且每个铰接杆结构包围相同凝胶，串联的铰接杆结构的两端分别和空心管和重量块连接，这样共有m+1个连接点，两个铰接杆结构的重合点只算一个连接点，设第1个连接点为铰接杆结构与空心管的连接点，第m+1个连接点为铰接杆结构与重量块的连接点；设第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的刚度为kj，kj的确定方法为首先由当前温度值确定式(6)中对应的第i种温度值和第i+1种温度值，且要求当前温度值介于第i种温度值和第i+1种温度值之间，然后基于温度值的插值关系由系数Di1,Di2,Di3和D(i+1)1,D(i+1)2,D(i+1)3插值得到相应的系数D1,D2,D3，最后取kj＝D1Δ2+D2Δ+D3；取单元刚度矩阵为[K(e)]j，其表达式为：串联的铰接杆结构及凝胶的总体刚度矩阵为[K](m+1)×(m+1)，这里[K](m+1)×(m+1)为m+1阶方阵，总体刚度矩阵为[K](m+1)×(m+1)由每个包围凝胶的铰接杆结构的单元刚度矩阵[K(e)]j(1≤j≤m)叠加而成；设m+1个连接点上的节点力向量为{f}(m+1)×1，相应的节点位移向量为{u}(m+1)×1，这里下标(m+1)×1表示矩阵为m+1行1列的向量，[K](m+1)×(m+1)将节点力向量{f}(m+1)×1和节点位移向量为{u}(m+1)×1联系起来，如式(8)所示： [K](m+1)×(m+1){u}(m+1)×1＝{f}(m+1)×1 (8) 然后求解式(8)表示的方程组得到节点位移向量{u}(m+1)×1，提取{u}(m+1)×1中第m+1连接点的位移um+1，此位移um+1即重量块的位移； 3)第三步：计算重量块产生的激振力由式(5)得到当前温度值下每个包围凝胶的铰接杆结构在不受外载荷下的初始长度L，计算当前重量块距离铰接杆与空心管连接点的距离为x＝L×m-um+1；最后记重量块距离铰接杆与空心管连接点的初始距离为x0(这里“初始”指旋转盘及与其共同旋转的附属物体的总质心位置与旋转轴中心重合)，记重量块质量为mmass，记旋转轴转动角速度为ω，最后重量块移动产生的激振力为Fexcite＝mmassω2(x-x0)；选取不同的温度值后，重复第二步至第三步的过程，通过不同的温度值来试算重量块产生的激振力Fexcite，可以绘出在指定旋转角速度下温度值与重量块激振力Fexcite的变化曲线，利用此曲线，即可由设定的重量块激振力Fexcite来求得需要的溶液温度值，从而通过调控温度值来控制重量块激振力Fexcite的大小；其中， L：单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点的距离； αT：温度值； C1，C2，C3，C4，C5，C6:拟合系数 F:单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点承受外部荷载压力； Δ:单个铰接杆结构第一连接点和第二连接点之间相对位移 k:包围凝胶的单个铰接杆的等效刚度，k＝F/Δ； k(T)i：表示第i种温度值对应下等效刚度，1≤i≤n，n为试验取的温度值个数； Di1,Di2,Di3：拟合系数； m:空心管中串联的铰接杆结构的数量； kj：第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的等效刚度； [K(e)]j：第j(1≤j≤m)个包围凝胶的铰接杆结构的单元刚度矩阵； [K](m+1)×(m+1)：串联的铰接杆结构及凝胶的总体刚度矩阵，由[K(e)]j(1≤j≤m)叠加而成； {f}(m+1)×1：串联的铰接杆结构的节点力向量； {u}(m+1)×1：串联的铰接杆结构的节点位移向量； um+1：重量块的位移，等于{u}(m+1)×1中第m+1连接点的位移； x：当前重量块距离铰接杆与空心管连接点的距离，x＝L×m-um+1； x0：重量块距离铰接杆与空心管连接点的初始距离； mmass：重量块质量； ω：旋转轴转动角速度； Fexcite：重量块移动产生的激振力。 10.根据权利要求7所述的一种基于凝胶铰接杆结构减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，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能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能改变密封的空心管中的温度，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能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，旋转盘及其附属共同旋转物体不产生离心力；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，旋转盘及其附属共同旋转物体不产生离心力，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