CN110438992A - 基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
本发明属于岩土工程的振动沉桩领域，尤其涉及基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法。
背景技术
岩土工程打桩施工中，可以在桩顶部静力加载从而将桩压入土层中，也可以在桩顶部用冲击载荷将桩打入土层，但冲击载荷作用下对周围环境影响较大，因此在建筑物林立的市区这种冲击打桩的方法往往禁止使用。目前也有在桩顶夹持振动锤从而带动桩产生一定频率的竖向持续振动，在这个过程中桩和土的侧摩阻力和桩端阻力降低，从而将桩沉入地基中，这种方法相对而言对周围环境影响较小，但是这种振动锤是依靠成对的偏心质量块转动产生竖向激振力，在启动的过程中偏心质量块的转动频率由零逐渐增加、并且要穿越地基的共振频率、直至达到稳定的工作转动频率，而偏心质量块的转动频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率时地基振动明显增加，特别在市区会对邻近建筑物造成过大振动，因此限制了这种振动锤在市区的使用。因此人们也开发出了免共振桩锤，即多组偏心质量块转动频率在振动锤 -桩-地基体系共振频率附近时，偏心质量块产生的竖向和水平向激振力相互抵消，这样在偏心质量块加速转动穿越共振频率时就不会对地基产生振动影响，而偏心质量块转速达到稳定的工作频率后多组偏心质量块产生的水平向激振力相互抵消而竖向激振力相互叠加，从而带动桩振动下沉进入地基。这种免共振桩锤因为对邻近建筑物影响很小，因此在建筑物密集的市区中得到成功应用，但是这种免共振桩锤价格高昂且远超过普通的振动锤价格。因此需要一种振动沉桩方法，其振动桩锤具有改变质心的结构，在振动桩锤启动后由零逐渐增加至工作频率的过程中，振动锤旋转部分的总质心在旋转轴中心且不会产生偏心力，当振动桩锤的频率达到工作频率时，振动锤旋转部分的总质心位置偏离旋转轴中心，从而产生偏心力，这个偏心力即振动锤的激振力，这样可以避免因启动频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率时导致邻近建筑物振动过大的问题。
发明内容
本发明为了克服普通振动桩锤启动时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，为了让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，本发明提供了基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法。
本发明的技术方案：基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，在桩顶上安放振动桩锤，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；
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，分如下三步沉桩：(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，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，例如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。
优选的，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。优选的，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。优选的，线圈固定在底座上，或磁场电源和线圈固定在底座上，或者磁场电源和线圈不与振动桩锤连接。优选的，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。
优选的，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。固液转换激发装置为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，保温壳和固液转换激发装置安装在底座上，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。例如固液转换物质为石蜡或盐类物质。当固液转换激发装置为直接产生热量的装置时，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。
优选的，所述驱动装置为电机或柴油机。
优选的，本发明的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。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、调节器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，所述调节器线圈缠绕在圆管外部，调节器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调节器线圈通电时，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。
优选的，当不安装圆盘时，第一质心位置调节器和第二质心位置调节器相互呈90度角固定在载物盘上。
优选的，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。
优选的，沉桩时振动桩锤成对使用，且每对振动桩锤产生的激振力在水平方向相互抵消而在竖向相互叠加。为了产生这样的振动效果，可以使每对振动桩锤中的两个振动桩锤的旋转方向相反。
优选的，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，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，在调节器线圈中通过电流产生磁场从而改变磁致伸缩杆的长度，进而改变质量块的位置，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。
优选的，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。
优选的，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：
涉及一些简写和符号，以下为注解：
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
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。
例如抵消额外激振力和的方法为：振动桩锤配置平衡微调结构，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，圆盘固定在旋转轴，旋转轴驱动圆盘旋转，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；在旋转平面上将额外激振力和分解投影到呈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上，这样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从而产生离心力抵消额外激振力和的影响。
举例说明应力应变关系矩阵[D]的形式，若模量为E，泊松比为v 取KE＝E/[3(1-2v)]，G＝E/[2(1+v)]，则[D]的形式为：
举例说明如图9(b)所示的四节点单元可取的一种插值函数形式和对应的位移和应变关系矩阵[B]，设单元左下角为第1节点，其他节点按逆时针排序，a为单元水平向长度的一半，b为单元竖向长度的一半，则各节点i对应的插值函数Ni为：
N1＝(x-a)(y-b)/4
N2＝(x+a)(y-b)/4
N3＝(x+a)(y+b)/4
N4＝(x-a)(y+b)/4
设[N]1×4的表达式为：[N]1×4＝[N1,N2,N3,N4]，则位移和应变关系矩阵[B]的表达式为：
附图说明
图1为本发明的载物盘上变形囊的示意图
图2为本发明的振桩锤的配有加速度传感器时的侧视图；
图3为本发明的固液转换激发装置为直接产生热量的装置且配有保温壳结构截面示意图；
图4为本发明的固液转换激发装置为磁场施加装置时的示意图；
图5为本发明的沉桩的总体示意图；
图6为本发明的平衡盘上质心微调结构示意图
图7第一质心位置调节器的结构示意图
图8第一质心位置调节器的圆管内部剖面示意图
图9固液转换物质上划分的网格及单元节点示意图
图中1.地基，2.桩，3.夹具，4.振动桩锤，5.竖向循环激振方向，6.载物盘，7.旋转轴，8.驱动装置，9.底座，10.变形囊， 11.固液转换物质，12.圆盘，13.保温壳，14.流动开关，15.腔室，16.磁场电源，17.线圈，18.固液转换激发装置，19.第一质心位置调节器，20.第二质心位置调节器，21.第一封闭片，22.第二封闭片，23.圆管,24.磁致伸缩杆，25.质量块，26.弹簧，27.调节器线圈，28.质心微调电源，29.加速度传感器，30.固液转换物质上划分的网格，31.单元，32.单元上的节点
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-图8所示的基于固液态转换变形囊减少振动影响的振动沉桩方法，如图5所示在地基1上安放桩2，桩2和振动桩锤4之间用夹具3连接，如图2所示振动桩锤4包含驱动装置8、旋转轴7、底座9和旋转盘，驱动装置8与旋转轴7连接且驱动旋转轴7旋转，驱动装置8和底座9固定连接，旋转盘与旋转轴7固定连接；如图1 所示旋转盘包含载物盘6、变形囊10、固液转换物质11、流动开关 14、腔室15，变形囊10、流动开关14和腔室15固定在载物盘上，载物盘6和旋转轴7固定连接，变形囊10包裹固液转换物质11，固液转换物质11为液态时可从变形囊10通过流动开关14流入腔室15，变形囊10、流动开关14和腔室15依次连接，载物盘6和旋转轴7 固定连接；
旋转轴7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4-桩2-地基1的共振频率，分如下三步沉桩2：(1) 步骤1，在旋转轴7的旋转频率没有达到工作频率时，如图1(a)所示，固液转换物质11为固态，流动开关14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7产生离心力，振动桩锤4不产生激振力；(2)步骤2，如图1(b)所示，当旋转轴7的旋转频率达到工作频率时，固液转换物质11为液态、且在离心力作用下使变形囊10发生变形，离心力作用下变形囊10距离旋转轴7近的一端发生收缩、且远离旋转轴7的一端膨胀，流动开关14为关闭状态，固液转换物质11不进入腔室15，旋转盘的质心不在旋转轴7中心，这样旋转盘对旋转轴7产生离心力，振动桩锤4产生激振力，桩2在此激振力作用下沉入土中；(3)桩2沉入到指定深度后，如图1(c)所示，固液转换物质11为液态，打开流动开关14，固液转换物质11从变形囊10经流动开关14进入腔室15，这时旋转盘的质心在旋转轴7 中心，这样旋转盘不对旋转轴7产生离心力，振动桩锤4不产生激振力，旋转轴7的转速逐渐降低至0。
固液态转换物质11为悬浮有可磁化颗粒的液体，这时固液态转换激发装置18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10中的固液转换物质11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10 中的固液转换物质11表现为具有流动性的液体。优选的，如图4所示，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。优选的，线圈固定在底座上，或磁场电源和线圈固定在底座上，或磁场电源和线圈不与振动振动桩锤连接。优选的，磁场施加装置包括三套依次连接的磁场电源16和线圈17，所述三个线圈17两两之间呈90度夹角放置，且通过这三个线圈17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6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。
优选的，固液转换物质11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11为固态，在步骤2 和3中固液转换激发装置18工作、且固液转换物质18为液态。固液转换激发装置18为直接产生热量的装置时，如图3所示，旋转盘和固液转换激发装置18外罩有保温壳13，保温壳13安装在底座9上，旋转轴7穿过保温壳13壁面旋转；或者固液转换激发装置18为交变磁场发生装置，变形囊10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10在交变磁场下产生电涡流且发热，最终将固液转换物质11由固态变为液态。例如固液转换物质11为石蜡或盐类物质。当固液转换激发装置18为直接产生热量的装置时，固液转换激发装置18为电阻丝加热装置、或喷油燃烧加热装置。
所述驱动装置8为电机或柴油机。
本发明的振动桩锤4配有平衡微调结构。所述平衡微调结构包括圆盘12和第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20；第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20相互呈90度角固定在圆盘12上；圆盘12固定在旋转轴7上。第一质心位置调节器19包含第一封闭片21、第二封闭片22、圆管23、磁致伸缩杆24、质量块 25、弹簧26、调节器线圈27和质心微调电源28，所述第一封闭片 21、弹簧26、质量块25、磁致伸缩杆24和第二封闭片22依次连接且位于圆管23内部，弹簧26与第一封闭片21固定连接，磁致伸缩杆24和第二封闭片22固定连接，质量块25可以在圆管23内滑动，所述第一封闭片21和第二封闭片22分别与圆管23固定连接，所述调节器线圈27缠绕在圆管12外部，调节器线圈27与质心微调电源 28连接；第二质心位置调节器20和第一质心位置调节器19的结构相同。质心微调电源28没有对调节器线圈27通电时，圆盘12、第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20的总质心在旋转轴7 中心。安放圆管12时，圆管12内的弹簧26比磁致伸缩杆24更接近旋转轴7中心。
优选的，当不安装圆盘12时，第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20相互呈90度角固定在载物盘6上。
优选的，在底座9上固定安装加速度传感器29，所述加速度传感器29为双向加速度传感器，可以同时测量水平和竖向的加速度。
优选的，沉桩2时振动桩锤4成对使用，且每对振动桩锤4产生的激振力在水平方向相互抵消而在竖向相互叠加。为了产生这样的振动效果，可以使每对振动桩锤4中的两个振动桩锤的旋转方向相反。
优选的，当步骤3中载物盘6及其附属连接结构的总质心没有位于旋转轴7中心时，启动平衡微调结构，分别改变第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20的质心位置，在调节器线圈27中通过电流产生磁场从而改变磁致伸缩杆24的长度，进而改变质量块25 的位置，这样通过改变呈90度角放置的第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20的合成质心的位置，从而抵消载物盘6及其附属连接结构的总质心偏移旋转轴7中心时产生的激振力。由加速度传感器29测得的加速度可以判断振动桩锤4是否产生激振力，当载物盘6及其附属连接结构的总质心没有完全恢复至旋转轴7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29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7中心时产生的离心力。
优选的，调节第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20 使底座9测得的加速度为0的过程为：设旋转轴7旋转产生的相位角为a,第一质心位置调节器19的圆管23的相位角为b，第二质心位置调节器20的圆管23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19中质量块25的位移调节系数为C1,第二质心位置调节器20中质量块25 的位移调节系数为C2，则第一质心位置调节器19中质量块25移动的距离为C1.[Ax.cos(a)+Ay.sin(a)]，则第二质心位置调节器20中质量块25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19和第二质心位置调节器 20中质量块25的位置，直至底座9的加速度为0。
优选的，当固液态转换物质11为悬浮有可磁化颗粒的液体时，步骤1中需使变形囊10和其中的固液转换物质11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7中心，避免旋转轴7的旋转频率穿越锤4-桩2-地基1的共振频率时受到激振力而引起共振，但是固液转换物质11的每一个点在旋转轴7加速旋转过程中的离心力都在变化、且引起固液转换物质11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4-桩 2-地基1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：
涉及一些简写和符号，以下为注解：
E：模量
υ：泊松比
m：固液态转换物质11划分网格后，每个单元31的节点32数
Ni：每个单元31第i个节点32上定义的插值函数，且为单元31中每个点坐标的函数，这里1≤i≤m
ω：旋转轴7旋转角速度
bx：重力对单元31中任意一点在x方向的作用力
by：重力对单元31中任意一点在y方向的作用力
Ω：单元积分区域
fix：对单元31第i节点的x方向等效荷载，
fiy：对单元31第i节点的y方向等效荷载，
{fe}：单元节点32力列向量，由fix和fiy组合而成
uix,uiy：每个单元节点32上x和y方向位移，且1≤i≤m
{ue}：单元节点32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31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31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31在细微变形后对旋转轴7中心在x方向的作用力
每个单元31在细微变形后对旋转轴7中心在y方向的作用力
将所有单元31的作用力在x方向叠加在一起，得到固液态转换物质11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31的作用力在y方向叠加在一起，得到固液态转换物质11在同一温度下因细微变形后产生的y方向作用力
1)第一步：磁场作用下的固液转换物质11呈固态，对此固态的固液转换物质11进行压缩和扭转试验，得到磁场作用下的固液转换物质11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11产生的额外激振力；对步骤1中的固液转换物质11以旋转轴7中心为原点建立局部坐标系，且对固液转换物质11划分网格32，每个网格构成一个单元 31，设每个单元31有m个节点32，每个节点32上定义插值函数Ni (1≤i≤m),Ni是单元31中任意一点坐标(x,y)的函数，设旋转轴 7旋转角速度为ω，旋转过程中重力对单元31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31区域Ω积分得到因为旋转对单元节点32的等效荷载：
对单元31第i节点32的x方向等效荷载:
对单元31第i节点32的y方向等效荷载:
将fix和fiy组合为单元节点32力列向量{fe}，其表达式为：
设每个单元节点32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32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 31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31区域Ω积分得到每个单元31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31都可列出如式(1)所示的方程，将所有单元31的方程都联立在一起可求解得到固液态转换物质11每个单元节点32上的位移uix和uiy(1≤i≤m)，这样可得到单元31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 31在细微变形后对旋转轴7中心在x和y方向的作用力分别为和
单元31在x方向的作用力：
单元32在y方向的作用力：
将所有单元31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11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11产生的额外激振力；在旋转轴7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。
例如抵消额外激振力和的方法为：振动桩锤4配置平衡微调结构，平衡微调结构包括圆盘和第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20，圆盘12固定在旋转轴7，旋转轴7驱动圆盘 12旋转，第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20相互呈90度角固定在圆盘12上；在旋转平面上将额外激振力和分解投影到呈90度角放置的第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器20上，这样改变第一质心位置调节器19和第二质心位置调节器 20的质心位置从而产生离心力抵消额外激振力和的影响。
举例说明应力应变关系矩阵[D]的形式，若模量为E，泊松比为v 取KE＝E/[3(1-2v)]，G＝E/[2(1+v)]，则[D]的形式为：
举例说明如图9(b)所示的四节点单元可取的一种插值函数形式和对应的位移和应变关系矩阵[B]，设单元左下角为第1节点，其他节点按逆时针排序，a为单元水平向长度的一半，b为单元竖向长度的一半，以单元中心为原点建立局部坐标系，则各节点i对应的插值函数Ni为：
N1＝(x-a)(y-b)/4
N2＝(x+a)(y-b)/4
N3＝(x+a)(y+b)/4
N4＝(x-a)(y+b)/4
设[N]1×4的表达式为：[N]1×4＝[N1,N2,N3,N4]，则位移和应变关系矩阵[B]的表达式为：
Claims (10)
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。
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2019
- 2019-07-30 CN CN201910691961.4A patent/CN110438992B/zh active Active
Patent Citations (6)
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