CN113914390B - 一种基于变强度支承材料的桩顶刚度调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变强度支承材料的桩顶刚度调节装置，包括：盖板以及缸体，缸体为上部开口、下部密封的结构形式，在缸体内设置有变强度金属支承材料；盖板设置在缸体上并与变强度金属支承材料上端接触；变强度金属支承材料的刚度大于缸体侧壁的刚度。本发明有效利用变强度金属支承材料的外观参数改变其自身的压缩性能，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定、制备工艺简单、制造成本较低、安装方便，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载‑位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。

Description

一种基于变强度支承材料的桩顶刚度调节装置
技术领域
本发明属于地基基础技术领域，涉及一桩顶刚度调节装置。
背景技术
桩筏基础作为高层建筑的重要基础形成，在实际工程中得到了广泛应用，但仍存在一些工程难题，典型如：大支承刚度桩的桩土共同作用、大底盘高层建筑的变刚度调平设计、废旧桩基的再生利用、复杂地质条件建设高层建筑等，当遇到上述两种或多种情况组合的工况时，常规桩筏基础通常无法解决或需付出较大代价。
为了解决上述难题，南京工业大学周峰课题组先后研制出设置于桩顶与筏板之间的第一代桩端位移调节装置(ZL200510040316.4)和第二代刚度调节装置(ZL200810123871.7)，这种刚度调节装置在上部荷载作用下呈近似线性的应力-应变关系，可用于调节端承桩顶部支承刚度，从而优化桩筏基础支承刚度的大小与分布。需要说明的是，第一代刚度调节装置通过内部多个刚性伸缩元件的逐级压溃而产生了可控的变形，从而调节支承刚度；而第二代刚度调节装置内部为密实填充物，不具备可压缩性，本质上是通过一定方式减少材料的体积来产生变形，从而调节支承刚度。
然而现有的桩顶刚度调节装置，其内部支承材料自身的体积并没有变化，刚度调节装置竖向位移的产生主要来源于材料的压溃或排出，造成现有刚度调节装置存在荷载-位移变化曲线易波动、运行不稳定、调节精度低、制备工艺复杂、制造成本较高、支承构件在地下水环境易腐蚀等一系列问题，在一定程度上限制了可控刚度桩筏基础的理论研究与工程应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供桩顶刚度调节装置，在上部荷载作用下其竖向变形是由变强度金属支承材料自身的变形而产生的，可以通过定制变强度金属自身的外观参数而获得不同的压缩性能，从而使得刚度调节装置呈现非常良好的线性受力的特点，其荷载-位移变化曲线不会波动、运行稳定、调节精度高、制备工艺简单、制造成本较低，有利于推动桩筏基础主动控制理论的发展，从而进一步促进可控刚度桩筏基础的推广应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种桩顶刚度调节装置，包括：盖板以及缸体，所述缸体为上部开口、下部密封的结构形式，其特征在于：在所述缸体内设置有变强度金属支承材料；所述盖板设置在所述缸体上并与所述变强度金属支承材料上端接触；所述变强度金属支承材料的刚度大于所述缸体侧壁的刚度。
通过采用上述技术方案，有效利用变强度金属支承材料的外观参数改变其自身的压缩性能，以此进一步改进现有的桩顶刚度调节装置，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定、制备工艺简单、制造成本较低、安装方便，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载-位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。
优选的，所述变强度金属支承材料为泡沫金属，所述泡沫金属为柱体、空心柱体、锥体、截头锥体、空心截头锥体或上述几种叠加、并列组合而成，所述变强度金属支承材料与缸体底部、盖板下表面“双向”抵触，所述变强度金属支承材料与缸体之间接触面、变强度金属支承材料与变强度金属支承材料之间接触面均固定连接。所述泡沫金属在制备过程中通过设计不同的孔隙分布来实现相应压缩值的线性关系，所述泡沫金属可采用制备工艺1或制备工艺2。
所述制备工艺1如下：
工艺流程：确定配比，原材料称量--拌制混合料--冷压模具处理--自动数显型压力试验机单轴冷压--发泡模具处理(淬火工艺)--采用“二次发泡工艺”进行受限发泡--冷却处理--模具拆除，取出泡沫金属--切割成型。
S1、取以下原料按重量份称量：钢粉48-75份、铝粉35-45份、镁粉25-30份、硅粉2-4份、铜粉1-3份、铁粉1-2份、氢化钛粉3-5份、石墨烃基润滑脂10-15份、环氧树脂脱模剂8-15份；
S2、将称量好铝粉、镁粉、硅粉、铜粉、铁粉、氢化钛粉加入轴向混料机进行搅拌，混料时间为120-150min,搅拌速度为60-80r/min，制得混合粉末；
S3、在钢制冷压模具内壁均匀涂抹石墨烃基润滑脂；
S4、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为1-5mm/min，直至挤压至指定位置；
S5、在经过淬火处理的钢制发泡模具内壁均匀涂抹环氧树脂脱模剂；
S6、将步骤S4中装有冷压成型金属的发泡模具放入发泡炉中进行受限发泡，采用“二次发泡工艺”，即第一次发泡温度控制在1000～1200℃，发泡时间为1～2h，然后静停45min，再进行第二次发泡，发泡温度控制在1200～1300℃，发泡时间为2～3h。
S7、使用水雾喷射装置在发泡模具四周外表面进行水冷；
S8、将发泡模具旋转底座快速拆卸，取出泡沫金属；
S9、采用切割机床切割所需尺寸规格的泡沫金属，平整泡沫金属上、下表面，以此制得用作刚度调节装置支承材料的变强度金属；
所述制备工艺2如下：
工艺流程：Pro/Engineer软件设计模拟--Cura软件三维模型“切片”处理--优化配比，原材料称量--拌制混合料--混合粉末装入3D打印机粉槽--逐层3D打印处理--重复步骤S6，直至所有切片文件打印完毕--表面处理--变强度金属成型。
S1、采用高性能计算机运行三维建模软件设计泡沫金属的孔隙特征以及具体尺寸，本发明采用Pro/Engineer软件；
S2、采用3D打印切片软件将步骤S1所建立的三维模型沿模型水平方向自上而下的进行切片，每次切片后的文件按照设计好的3D打印路径进行存储，本发明采用Cura软件；
S3、取以下原料按重量份称量：钢粉48-75份、铝粉35-45份、镁粉25-30份、硅粉2-4份、铜粉1-3份、铁粉1-2份、氢化钛粉3-5份；
S4、将称量好铝粉、镁粉、硅粉、铜粉、铁粉、氢化钛粉加入轴向混料机进行搅拌，混料时间为120-150min,搅拌速度为60-80r/min，制得混合粉末；
S5、启动3D打印机，将步骤S2中存储的文件传输至3D打印机，将步骤S4制得混合粉末装入3D打印机粉槽内；
S6、在氩气或氮气环境中，3D打印机自动将步骤S4制得混合粉末均匀平铺于打印平台上，加热至烧结状态，激光束按照打印策略扫描烧结状态的混合粉末，制得具有设计孔隙特征的金属截面；
S7、每层打印完后，打印平台下降一定高度，3D打印机重复步骤S6；
S8、待步骤S2中所有的切片文件打印完毕，采用喷砂处理泡沫金属上、下表面，使得泡沫金属上、下表面平整且具有一定的抗疲劳性，本发明喷砂处理采用铜矿砂；
S9、以此制得用作刚度调节装置支承材料的变强度金属。
需要说明的是，所述变强度金属制备过程中添加氢化钛粉可以显著提升聚合反应的速率和效率。
通过采用上述技术方案，变强度金属支承材料可为刚度调节装置提供刚度，变强度金属支承材料的外观参数可依据实际工况定制，当需要改变桩基支承刚度时，定制所需支承刚度的泡沫金属，便于刚度调节装置支承刚度的精准调节。从理论上来讲，定制的变强度金属的最小支承刚度可与软粘土的支承刚度相等、最大支承刚度可与型钢的支承刚度相等。变强度金属支承材料的制备工艺简单、成本低、污染少，制备的泡沫金属容易成型且强度较高，孔隙率和孔径可人为控制，内部孔隙连通性高。
优选地，所述缓冲材料为不同粒径的颗粒状材料，所述缓冲材料可采用岩土体粗粒料、混凝土骨料、橡胶颗粒、陶瓷颗粒或上述材料混合料，所述缓冲材料放置于缸体内空隙部分，所述缓冲材料填筑采用分层填筑并振荡密实，所述缓冲材料在不破坏颗粒状材料完整性的条件下分层击实，所述缓冲材料压实后的填筑高度与泡沫金属高度相等。
通过采用上述技术方案，便于快速填充缸体内的空隙部分，在变强度金属支承材料压缩变形过程中，缓冲材料可提供一定的阻尼，防止竖向位移增长过快。具有一定密实度的缓冲材料还可提供一定的支承刚度，为泡沫金属支承材料提供一定的安全储备，提升了刚度调节装置的安全性。
优选地，所述缸体与所述盖板均由合金钢材质制成，所述缸体的侧板顶部侧壁表面设有螺纹，所述盖板与所述缸体俯视平面图均为圆形，所述盖板下表面设有凹槽，所述凹槽为圆弧形，所述凹槽侧壁设有与所述螺纹相匹配的螺纹孔，所述缸体的侧板通过旋转进入所述盖板下表面的凹槽以进行初步固定连接，所述缸体的侧板顶部与凹槽内壁相抵触，所述缸体与所述盖板通过焊接进行二次固定连接。
通过采用上述技术方案，缸体与盖板具有较好的强度与刚度，从而保证刚度调节装置整体具有较好的安全性与可靠性。凹槽与螺纹的设置，便于缸体的侧板顶部侧壁与盖板快速固定连接，焊接使得缸体与盖板所组成的刚度调节装置外部结构成为一个密闭空间，使得刚度调节装置具有一定的防水性能。
优选地，所述刚度调节装置外表面还设有防护层，所述防护层由如下方法制备：
工艺流程：确定配比，原材料称量备用--拌制混合溶液--粉碎研磨，混合粉末物料--混合溶液、混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中搅拌，制得防护层涂料--刚度调节装置外表面处理--喷涂防护层涂料--刚度调节装置低温烘干成膜--最终固化处理。
S1、取以下原料按重量份称量：纳米氧化铝粉末18-25份、二月桂酸二丁基锡1-2份、辛酸亚锡1-3份、轻质碳酸钙粉末5-8份、C9石油树脂2-5份、硅藻土22-30份、陶瓷微粒14-22份、聚乙烯15-20份、乙醇22-28份、丙烯酸乳液14-18份、酚醛树脂5-8份、二乙基硫脲1-3份、液体石蜡2-4份；
S2、将称量好的丙烯酸乳液、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二乙基硫脲、液体石蜡和乙醇加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为30-40min，搅拌速率为350-550r/min,制得混合溶液；
S3、将干燥的纳米氧化铝粉末、C9石油树脂、硅藻土、陶瓷微粒、轻质碳酸钙粉末、聚乙烯和酚醛树脂加入粉碎机中进行研磨，直至颗粒直径不大于0.1um，制得混合粉末物料；
S4、将步骤S2中制得的混合溶液和步骤S3中制得的混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中进行搅拌，搅拌时间30-40min，搅拌速率为650-750r/min，搅拌温度控制在50-75℃，以此制得防护层涂料；
S5、采用水枪冲洗固定连接完毕的刚度调节装置外表面，洗净后采用可加热吹风机或烘箱使其外表面干燥；
S6、将防护层涂料装入高压喷雾装置内，利用喷枪将步骤S4制得的防护层涂料均匀喷涂至经步骤S5干燥后的刚度调节装置外表面上；
S7、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置放入烘箱内进行低温烘干、快速成膜，烘箱内的温度设置为60-80℃，时间为100-120min；
S8、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置继续置于烘箱中进一步固化，烘箱内的温度升高至160-220℃，时间为8-15min，以此制得刚度调节装置外表面的防护层；
通过采用上述技术方案，防护层涂料的制备工艺简单、成本低、绿色环保，制备的防护层涂料粘度适中、便于喷涂、成膜效果良好、综合性能优越，喷涂后不易产生气泡或裂纹，制备的刚度调节装置外表面防护层具有良好的防水性、防腐性、耐磨性、抗老化性、拉伸性等，尤为重要的是可避免工作状态下的刚度调节装置在地下水渗流环境中出现内部积水、腐蚀、老化的现象。
本发明的有益效果是：
1.本发明桩顶刚度调节装置，在缸体内设置有变强度金属支承材料。变强度金属支承材料通过形状变化而获得不同的压缩性能，从而使得刚度调节装置呈现非常良好的线性受力的特点，以达到位移调节的较佳效果，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载-位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。
2.本发明桩顶刚度调节装置，泡沫金属具有不同的形状和孔隙率分布，来实现相应压缩值的线性关系。当需要改变桩基支承刚度时，可依据实际工况采用不同的孔隙率、不同的形状、不同的组成形式，通过定制的方式而获取特定支承刚度的泡沫金属，便于实现刚度调节装置支承刚度的精准调控。
3.本发明桩顶刚度调节装置，作为变强度金属支承材料的泡沫金属的制备工艺简单、成本低、污染少，制备的泡沫金属容易成型且强度较高，孔隙分布可人为控制。当需要改变桩基支承刚度时，可依据实际工况采用不同的孔隙率、不同的形状、不同的组成形式，通过定制的方式而获取特定支承刚度的泡沫金属，便于实现刚度调节装置支承刚度的精准调控。
4.本发明桩顶刚度调节装置具有防护层，防护层涂料的制备工艺简单、成本低、绿色环保，制备的防护层涂料粘度适中、便于喷涂、成膜效果良好、综合性能优越，喷涂后不易产生气泡或裂纹，制备的刚度调节装置外表面防护层具有良好的防水性、防腐性、耐磨性、抗老化性、拉伸性等，尤为重要的是可避免工作状态下的刚度调节装置在地下水渗流环境中出现锈蚀、老化的现象，显著提升了刚度调节装置在地下水渗流环境中的耐久性。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的结构示意图之一；
图2是本发明一种实施方式的剖视结构示意图之一；
图3是本发明一种实施方式的结构示意图之二；
图4是本发明一种实施方式的剖视结构示意图之二；
图5是本发明一种实施方式的结构示意图之三；
图6是本发明一种实施方式的结构示意图之四；
图7是本发明一种实施方式的结构示意图之五；
图8是本发明一种实施方式的结构示意图之六；
图9为实施例1-6的刚度调节装置荷载-位移曲线。
其中，1-盖板 2-缸体 3-变强度金属支承材料 4-缓冲材料。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种桩顶刚度调节装置，如图1、图2所示，包括盖板1、缸体2、变强度金属支承材料3和缓冲材料4。缸体2为上部开口、下部密封的结构形式，盖板1安装于缸体2上部，变强度金属支承材料3立于缸体2内部，缓冲材料4填筑刚度调节装置内部空隙。
变强度金属支承材料3利用外观参数差异改变自身的压缩性能，以此进一步改进现有的桩顶刚度调节装置，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定、制备工艺简单、制造成本较低，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载-位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。
优选地，变强度金属支承材料3采用泡沫金属。泡沫金属为圆柱体，圆柱体高度为120mm，直径为200mm。变强度金属支承材料3与缸体底部、盖板下表面相抵触，变强度金属支承材料3与缸体之间接触面、变强度金属支承材料与变强度金属支承材料之间接触面均固定连接。
泡沫金属的孔隙率为30％。泡沫金属采用的制备工艺如下：
S1、取以下原料按重量份称量：钢粉70份、铝粉40份、镁粉25份、硅粉3份、铜粉2份、铁粉1份、氢化钛粉3份、石墨烃基润滑脂12份、环氧树脂脱模剂10份；
S2、将称量好铝粉、镁粉、硅粉、铜粉、铁粉、氢化钛粉加入轴向混料机进行搅拌，混料时间为120min,搅拌速度为75r/min，制得混合粉末；
S3、在钢制冷压模具内壁均匀涂抹石墨烃基润滑脂；
S4、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置1；
S5、在经过淬火处理的钢制发泡模具内壁均匀涂抹环氧树脂脱模剂；
S6、将步骤S4中装有冷压成型金属的发泡模具放入发泡炉中进行受限发泡，采用“二次发泡工艺”，即第一次发泡温度控制在1000℃，发泡时间为1h，然后静停45min，再进行第二次发泡，发泡温度控制在1200℃，发泡时间为2h，制得孔隙率为30％的泡沫金属。
S7、使用水雾喷射装置在发泡模具四周外表面进行水冷；
S8、将发泡模具旋转底座快速拆卸，取出泡沫金属；
S9、采用切割机床切割所需尺寸规格的泡沫金属，平整泡沫金属上、下表面，以此制得用作刚度调节装置支承材料的变强度金属；
优选地，缓冲材料4为不同粒径的颗粒状材料，在本实施例中，缓冲材料4为不同粒径的橡胶颗粒混合制成，橡胶颗粒的最小目数不低于8目。
缓冲材料4放置于缸体2内空隙部分，通过振荡法以及圆环形定制压头提高缓冲材料的压实度，硬质橡胶颗粒均由废旧轮胎、废旧塑胶跑道等处理而得，为固废资源化利用提供了一种新途径。
便于快速填充缸体2内的空隙部分，在变强度金属支承材料3压缩变形过程中，缓冲材料4可提供一定的阻尼，防止竖向位移增长过快。具有一定密实度的缓冲材料4还可提供一定的支承刚度，为变强度金属支承材料3提供一定的安全储备，提升了刚度调节装置的安全性。
优选地，盖板1与缸体2均由合金钢材质制成，盖板1与缸体2厚度均为15mm。缸体2的侧板顶部侧壁表面设有螺纹，盖板1与缸体2俯视平面图均为圆形，盖板1下表面设有凹槽，凹槽为圆弧形，凹槽侧壁设有与螺纹相匹配的螺纹孔，缸体2的侧板通过旋转进入盖板1下表面的凹槽以进行初步固定连接，缸体2的侧板顶部与凹槽内壁相抵触，缸体2与盖板1通过焊接进行二次固定连接。
盖板与缸体2具有较好的强度与刚度，从而保证刚度调节装置整体具有较好的安全性与可靠性。凹槽与螺纹的设置，便于缸体2的侧板顶部侧壁与盖板1快速固定连接，焊接使得缸体2与盖板1所组成的刚度调节装置外部结构成为一个密闭空间，使得刚度调节装置具有一定的防水性能。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于变强度金属支承材料3的形状，如图3、图4所示。变强度金属支承材料3为泡沫金属，形状为空心圆柱体。空心圆柱体的高度为120mm，上部截面直径为200mm、内直径为60mm，
实施例3：
与实施例1的不同之处在于所述变强度金属支承材料3的形状，如图5所示。变强度金属支承材料3为泡沫金属，形状为截头圆锥体。截头圆锥体的高度为120mm，上部截面直径为150mm、下部截面直径为250mm。
实施例4：
与实施例1的不同之处在于所述变强度金属支承材料3的形状，如图6所示，变强度金属支承材料3为泡沫金属，形状为空心截头圆锥体。空心截头圆锥体的高度为120mm，上部截面外直径为150mm、内直径为60mm，下部截面外直径为250mm、内直径为60mm。
实施例5：
与实施例1的不同之处在于变强度金属支承材料3的形状及孔隙分布，如图7所示。孔隙分布密切影响着泡沫金属的压缩性能和力学特性。变强度金属支承材料3为泡沫金属，形状为圆柱体，圆柱体高度为120mm，直径为200mm，圆柱体为20％、40％孔隙率的两层圆柱形泡沫金属构件叠加组成，每层圆柱形泡沫金属构件高度为60mm、直径为60mm，两层圆柱形泡沫金属构件的排列按照孔隙率自上而下依次减小，泡沫金属采用的制备工艺如下：
S1、取以下原料按重量份称量：钢粉70份、铝粉40份、镁粉25份、硅粉3份、铜粉2份、铁粉1份、氢化钛粉3份、石墨烃基润滑脂12份、环氧树脂脱模剂10份；
S2、将称量好铝粉、镁粉、硅粉、铜粉、铁粉、氢化钛粉加入轴向混料机进行搅拌，混料时间为120min,搅拌速度为75r/min，制得混合粉末；
S3、在钢制冷压模具内壁均匀涂抹石墨烃基润滑脂；
S4-1、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末1，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置1，制得冷压成型金属1；
S4-2、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末2，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置2，制得冷压成型金属2；
S5、在经过淬火处理的钢制发泡模具内壁均匀涂抹环氧树脂脱模剂；
S6、将步骤S4中装有冷压成型金属1、冷压成型金属2的发泡模具放入发泡炉中进行受限发泡，采用“二次发泡工艺”，即第一次发泡温度控制在1000℃，发泡时间为1h，然后静停45min，再进行第二次发泡，发泡温度控制在1200℃，发泡时间为2h，分别制得孔隙率为20％的泡沫金属、孔隙率为40％的泡沫金属。
S7、使用水雾喷射装置在发泡模具四周外表面进行水冷；
S8、将发泡模具旋转底座快速拆卸，取出泡沫金属；
S9、采用切割机床切割所需尺寸规格的泡沫金属，平整泡沫金属上、下表面，以此制得用作刚度调节装置支承材料的变强度金属；
实施例6：
与实施例1的不同之处在于所述变强度金属支承材料(3)的形状及孔隙分布，如图8所示，孔隙分布密切影响着泡沫金属的压缩性能和力学特性，变强度金属支承材料3为泡沫金属，形状为圆柱体，圆柱体高度为120mm，直径为200mm，圆柱体为20％、30％、40％孔隙率的三层圆柱形泡沫金属构件叠加组成，每层圆柱形泡沫金属构件高度为40mm、直径为200mm，三层圆柱形泡沫金属构件的排列按照孔隙率自上而下依次减小，泡沫金属采用的制备工艺如下：
S1、取以下原料按重量份称量：钢粉70份、铝粉40份、镁粉25份、硅粉3份、铜粉2份、铁粉1份、氢化钛粉3份、石墨烃基润滑脂12份、环氧树脂脱模剂10份；
S2、将称量好铝粉、镁粉、硅粉、铜粉、铁粉、氢化钛粉加入轴向混料机进行搅拌，混料时间为120min,搅拌速度为75r/min，制得混合粉末；
S3、在钢制冷压模具内壁均匀涂抹石墨烃基润滑脂；
S4-1、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末1，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置1，制得冷压成型金属1；
S4-2、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末2，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置2，制得冷压成型金属2；
S4-3、称取一定重量的步骤S2中制得的混合粉末3，将混合粉末倒入定制冷压模具内，在自动数显型压力试验机上进行单轴冷压，压入速率为2mm/min，直至挤压至指定位置3，制得冷压成型金属3；
S5、在经过淬火处理的钢制发泡模具内壁均匀涂抹环氧树脂脱模剂；
S6、将步骤S4中装有冷压成型金属1、冷压成型金属2、冷压成型金属3的发泡模具放入发泡炉中进行受限发泡，采用“二次发泡工艺”，即第一次发泡温度控制在1000℃，发泡时间为1h，然后静停45min，再进行第二次发泡，发泡温度控制在1200℃，发泡时间为2h，分别制得孔隙率为20％的泡沫金属、孔隙率为30％的泡沫金属、孔隙率为40％的泡沫金属。
S7、使用水雾喷射装置在发泡模具四周外表面进行水冷；
S8、将发泡模具旋转底座快速拆卸，取出泡沫金属；
S9、采用切割机床切割所需尺寸规格的泡沫金属，平整泡沫金属上、下表面，以此制得用作刚度调节装置支承材料的变强度金属；
实施例7：
与实施例1的不同之处在于刚度调节装置外表面设有防护层，防护层由如下方法制备：
S1、取以下原料按重量份称量：纳米氧化铝粉末18份、二月桂酸二丁基锡1份、辛酸亚锡1份、轻质碳酸钙粉末5份、C9石油树脂2份、硅藻土22份、陶瓷微粒14份、聚乙烯15份、乙醇22份、丙烯酸乳液14份、酚醛树脂5份、二乙基硫脲2份、液体石蜡2份；
S2、将称量好的丙烯酸乳液、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二乙基硫脲、液体石蜡和乙醇加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为30min，搅拌速率为350r/min,制得混合溶液；
S3、将干燥的纳米氧化铝粉末、C9石油树脂、硅藻土、陶瓷微粒、轻质碳酸钙粉末、聚乙烯和酚醛树脂加入粉碎机中进行研磨，直至颗粒直径不大于0.1um，制得混合粉末物料；
S4、将步骤S2中制得的混合溶液和步骤S3中制得的混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中进行搅拌，搅拌时间30min，搅拌速率为650r/min，搅拌温度控制在50℃，以此制得防护层涂料；
S5、采用水枪冲洗固定连接完毕的刚度调节装置外表面，洗净后采用可加热吹风机或烘箱使其外表面干燥；
S6、将防护层涂料装入高压喷雾装置内，利用喷枪将步骤S4制得的防护层涂料均匀喷涂至经步骤S5干燥后的刚度调节装置外表面上；
S7、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置放入烘箱内进行低温烘干、快速成膜，烘箱内的温度设置为60℃，时间为100min；
S8、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置继续置于烘箱中进一步固化，烘箱内的温度升高至160℃，时间为8min，以此制得刚度调节装置外表面的防护层；实施例8：
与实施例1的不同之处在于刚度调节装置外表面设有防护层，防护层由如下方法制备：
S1、取以下原料按重量份称量：纳米氧化铝粉末20份、二月桂酸二丁基锡2份、辛酸亚锡2份、轻质碳酸钙粉末6份、C9石油树脂3份、硅藻土22份、陶瓷微粒20份、聚乙烯18份、乙醇25份、丙烯酸乳液15份、酚醛树脂6份、二乙基硫脲1份、液体石蜡4份；
S2、将称量好的丙烯酸乳液、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二乙基硫脲、液体石蜡和乙醇加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为35min，搅拌速率为450r/min,制得混合溶液；
S3、将干燥的纳米氧化铝粉末、C9石油树脂、硅藻土、陶瓷微粒、轻质碳酸钙粉末、聚乙烯和酚醛树脂加入粉碎机中进行研磨，直至颗粒直径不大于0.1um，制得混合粉末物料；
S4、将步骤S2中制得的混合溶液和步骤S3中制得的混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中进行搅拌，搅拌时间35min，搅拌速率为700r/min，搅拌温度控制在60℃，以此制得防护层涂料；
S5、采用水枪冲洗固定连接完毕的刚度调节装置外表面，洗净后采用可加热吹风机或烘箱使其外表面干燥；
S6、将防护层涂料装入高压喷雾装置内，利用喷枪将步骤S4制得的防护层涂料均匀喷涂至经步骤S5干燥后的刚度调节装置外表面上；
S7、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置放入烘箱内进行低温烘干、快速成膜，烘箱内的温度设置为70℃，时间为110min；
S8、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置继续置于烘箱中进一步固化，烘箱内的温度升高至200℃，时间为10min，以此制得刚度调节装置外表面的防护层；
实施例9：
与实施例1的不同之处在于刚度调节装置外表面设有防护层，防护层由如下方法制备：
S1、取以下原料按重量份称量：纳米氧化铝粉末25份、二月桂酸二丁基锡2份、辛酸亚锡3份、轻质碳酸钙粉末8份、C9石油树脂5份、硅藻土30份、陶瓷微粒22份、聚乙烯20份、乙醇28份、丙烯酸乳液18份、酚醛树脂8份、二乙基硫脲3份、液体石蜡4份；
S2、将称量好的丙烯酸乳液、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二乙基硫脲、液体石蜡和乙醇加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为40min，搅拌速率为550r/min,制得混合溶液；
S3、将干燥的纳米氧化铝粉末、C9石油树脂、硅藻土、陶瓷微粒、轻质碳酸钙粉末、聚乙烯和酚醛树脂加入粉碎机中进行研磨，直至颗粒直径不大于0.1um，制得混合粉末物料；
S4、将步骤S2中制得的混合溶液和步骤S3中制得的混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中进行搅拌，搅拌时间40min，搅拌速率为750r/min，搅拌温度控制在75℃，以此制得防护层涂料；
S5、采用水枪冲洗固定连接完毕的刚度调节装置外表面，洗净后采用可加热吹风机或烘箱使其外表面干燥；
S6、将防护层涂料装入高压喷雾装置内，利用喷枪将步骤S4制得的防护层涂料均匀喷涂至经步骤S5干燥后的刚度调节装置外表面上；
S7、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置放入烘箱内进行低温烘干、快速成膜，烘箱内的温度设置为80℃，时间为120min；
S8、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置继续置于烘箱中进一步固化，烘箱内的温度升高至220℃，时间为15min，以此制得刚度调节装置外表面的防护层；
对实施例1-6中泡沫金属支承的桩顶刚度调节装置的承载性能进行了测试，试验在南京工业大学高性能土木工程实验室开展，利用大型加载设备模拟了变强度金属的桩顶刚度调节装置压缩变形的全过程，最大上部荷载达到480t，荷载-位移曲线见图9，各实施例的线性度情况统计如下表：
实施例 荷载-位移曲线线性度情况
实施例1 线性度较高
实施例2 线性度较高
实施例3 线性度高
实施例4 线性度高
实施例5 线性度高
实施例6 线性度非常高
从上表测试结果对比分析可知，实施例6为最优实施例，采用上述技术方案制备变强度金属支承材料的工艺简单、成本低、污染少，制备的泡沫金属容易成型且强度较高，孔隙分布可人为控制，有效利用变强度金属支承材料的外观参数改变其自身的压缩性能，以此进一步改进现有的桩顶刚度调节装置，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载-位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。
对实施例1与实施例7-9中的变强度金属的桩顶刚度调节装置的防水性、防腐性、外表面耐磨性进行测试，试验均在南京工业大学高性能土木工程实验室中开展，在相同的条件下，分别将桩顶刚度调节装置浸泡于弱酸性水、弱碱性水中，以测试其防水性与防腐蚀，采用通用耐磨性试验仪测试桩顶刚度调节装置外表面的耐磨性，测试结果如下表：
实施例 浸泡一年的统计结果 浸泡一年的统计结果 测试80个小时的结果
实施例1 装置内部有积水 明显腐蚀 明显划痕
实施例7 装置内部几乎无渗水 轻微腐蚀 轻微划痕
实施例8 装置内部未渗水 轻微腐蚀 轻微划痕
实施例9 装置内部几乎无渗水 几乎无腐蚀 几乎无划痕
从上表测试结果对比分析可知，实施例6为最优实施例，采用上述技术方案制备防护层涂料的技术工艺简单、成本低、绿色环保，制备的防护层涂料粘度适中、便于喷涂、成膜效果良好、综合性能优越，喷涂后不易产生气泡或裂纹，制备的刚度调节装置外表面防护层具有良好的防水性、防腐性、耐磨性、抗老化性等，尤为重要的是可避免工作状态下的刚度调节装置在地下水渗流环境中出现内部积水、腐蚀、老化的现象。
工作原理：该变强度金属的桩顶刚度调节装置有效利用变强度金属支承材料的外观参数改变其自身的压缩性能，以此进一步改进现有的桩顶刚度调节装置，克服了现有桩顶刚度调节装置内部支承材料自身体积无法改变、仅能通过支承材料的压溃或排出而产生竖向位移的弊端，调节精度高、运行稳定、制备工艺简单、制造成本较低，上部荷载作用下刚度调节装置的荷载-位移变化曲线具有显著的线性变化特征，无任何波动现象出现，有利于进一步推动可控刚度桩筏基础的工程实践。
使用步骤：
第一步、按照高层建筑物桩筏基础设计方案，依据规范确定桩顶刚度调节装置的支承刚度；
第二步、基于计算所得的支承刚度，制备特定孔隙率以及特定组合形式的变强度金属支承材料；
第三步、将变强度金属的桩顶刚度调节装置安装于桩筏基础之间。
安装方法：
第一步、将变强度金属支承材料安装于缸体内部，并使得变强度金属支承材料与变强度金属支承材料之间接触面、变强度金属支承材料与缸体之间接触面进行焊接固定；
第二步、将配比好的缓冲材料分五层放入缸体内空隙处，在每一层到达指定位置后，均进行振动密实与轻微击实，直至缓冲材料填筑高度与泡沫金属支承材料高度相等；
第三步、将盖板安装于缸体上，先采用螺纹固定连接，随后利用焊接进行二次固定；
第四步、在刚度调节装置外表面均匀喷涂防护层涂料，随后养护防护层；
第五步、将组装完成的刚度调节装置安装于桩顶上，即可用于可控刚度桩筏基础的工程实践。
综上所述，本发明为有效、主动、精准、经济地干预桩筏基础的整体刚度提供了可能，扩大了桩筏基础的应用领域，可有效解决以下常规桩筏基础通常难以处治或需付出较大代价才能处治的工程难题：①大支承刚度桩的桩土共同作用；②大底盘高层建筑的变刚度调平设计；③废旧桩基的再生利用；④复杂地质条件建设高层建筑；⑤上述两种或多种情况的组合。
本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.一种桩顶刚度调节装置，包括：盖板以及缸体，所述缸体为上部开口、下部密封的结构形式，其特征在于：在所述缸体内设置有变强度金属支承材料；所述盖板设置在所述缸体上并与所述变强度金属支承材料上端接触；所述变强度金属支承材料的刚度大于所述缸体侧壁的刚度；在所述缸体内还设置有缓冲材料，所述缓冲材料与所述变强度金属支承材料接触并同高度设置；所述变强度金属支承材料为泡沫金属，所述泡沫金属为变截面形状，截面面积从上而下逐渐变大；所述泡沫金属的中心设置有沿高度方向的内孔；所述泡沫金属包括至少两层，每层的孔隙率不同，且孔隙率自上而下依次减小；所述泡沫金属由以下材料按重量份制备而成；钢粉48-75份、铝粉35-45份、镁粉25-30份、硅粉2-4份、铜粉1-3份、铁粉1-2份、氢化钛粉3-5份、石墨烃基润滑脂10-15份、环氧树脂脱模剂8-15份；所述泡沫金属采用二次发泡工艺制备：第一次发泡温度控制在1000℃～1200℃，发泡时间为1～2h，然后静停30～60min；第二次发泡，发泡温度控制在1200℃～1300℃，发泡时间为2～3h，制得孔隙率为20-40%的泡沫金属；在所述刚度调节装置外表面还设有防护层，所述防护层由如下方法制备： S1、取以下原料按重量份称量：纳米氧化铝粉末18-25份、二月桂酸二丁基锡1-2份、辛酸亚锡1-3份、轻质碳酸钙粉末5-8份、C9石油树脂2-5份、硅藻土22-30份、陶瓷微粒14-22份、聚乙烯15-20份、乙醇22-28份、丙烯酸乳液14-18份、酚醛树脂5-8份、二乙基硫脲1-3份、液体石蜡2-4份； S2、将称量好的丙烯酸乳液、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二乙基硫脲、液体石蜡和乙醇加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为30-40min，搅拌速率为350-550r/min,制得混合溶液； S3、将干燥的纳米氧化铝粉末、C9石油树脂、硅藻土、陶瓷微粒、轻质碳酸钙粉末、聚乙烯和酚醛树脂加入粉碎机中进行研磨，直至颗粒直径不大于0.1um，制得混合粉末物料； S4、将步骤S2中制得的混合溶液和步骤S3中制得的混合粉末物料加入电加热同心双轴反应釜中进行搅拌，搅拌时间30-40min，搅拌速率为650-750 r/min，搅拌温度控制在50-75℃，以此制得防护层涂料； S5、将步骤S4制得的防护层涂料均匀喷涂至干燥后的刚度调节装置外表面上； S6、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置放入烘箱内进行低温烘干、快速成膜，烘箱内的温度设置为60-80℃，时间为100-120 min； S7、将喷涂有防护层涂料的刚度调节装置继续置于烘箱中进一步固化，烘箱内的温度升高至160-220℃，时间为8-15 min，以此制得刚度调节装置外表面的防护层。
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