基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤及沉桩方法与流程

本发明属于岩土工程的振动沉桩领域，尤其涉及一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤。

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。因此需要一种振动桩锤，它带有附加质量块和可调节刚度的弹性体作为减振器或振动放大器，即振动锤的激振频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率时，附加质量块和可调节刚度的弹性体可以作为减振器抑制振动锤的振动，从而减少共振对邻近建筑物的影响；而当振动锤激振频率达到工作频率时，附加质量块和可调节刚度的弹性体可以作为振动放大器加大振动桩锤施加在桩上的动载荷，从而加速沉桩。

技术实现要素：

本发明为了克服普通振动桩锤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，以及在工作频率时难以放大振动桩锤振动的问题，本发明提供了一种减少共振影响周围环境的振动桩锤。

本发明的技术方案：一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤，包括质量块、刚度调节装置、激振锤、第一螺旋弹簧；

所述刚度调节装置包括磁致变刚度块、导线、整流电路和电源，导线绕在磁致变刚度块外侧，电源、整流电路和导线依次连接。当导线中的电流改变时磁致变刚度块受到的磁场强度改变，且此时磁致变刚度块等效刚度也随之改变；设磁致变刚度块的等效刚度为k2，杨氏模量为e，水平横截面积为a，竖向高度为l，则等效刚度磁致变刚度块受到的磁场强度加大时，杨氏模量e增加，竖向高度l伸长，横截面积a减小，而且杨氏模量e的增量远大于长度l的伸长量和横截面积a的减小量，因此磁场强度加大时磁致变刚度块的等效刚度k2增大；

所述质量块、磁致变刚度块、激振锤、第一螺旋弹簧从上至下依次连接。

优选的，所述磁致变刚度块配有磁致变刚度块失效监测装置，所述磁致变刚度块失效监测装置包括半导体板、监测电源、电压计，所述半导体板水平放置且其上表面与磁致变刚度块的下表面连接，磁致变刚度块和激振锤之间夹有半导体板，所述电压计与半导体板的上表面和下表面连接、且监测半导体板上表面和下表面的电压，所述监测电源与半导体板的侧面上的两个不同点连接。当监测电源为半导体板通入电流时，由于导线和磁致变刚度块共同产生磁场，基于霍尔效应可知半导体板上表面和下表面产生电压差，因此可以计算半导体板上的磁感应强度，计算磁感应强度的方法为：设磁感应强度为b，监测电源为半导体板通入电流时产生的电流密度为j，电压计测得半导体板上表面和下表面产生电压差为uh，半导体板的厚度为d且霍尔系数为rh，则有磁感应强度b＝uhd/(rhj)。对于磁致变刚度块，预先获得磁致变刚度块失效时对应的磁感应强度，方法为：预先对磁致变刚度块缠绕的导线通入交变电流，同时磁致变刚度块中产生涡电流且温度逐渐上升，在温度上升过程中记录磁致变刚度块由具有磁致变刚度性变为失去磁致变刚度性的转变温度t1，另外记录磁致变刚度块刚失去磁致变刚度性时对应的磁感应强度b1。在实际振动沉桩过程中，磁致变刚度块失效监测装置可以测得磁感应强度b，当磁感应强度b达到磁致变刚度块刚失去磁致变刚度性对应的磁感应强度b1时，暂停振动沉桩然后等待磁致变刚度块冷却，当磁致变刚度块冷却后继续进行沉桩。这里监测得到的磁感应强度b和b1取为一个交变电流周期内测得的磁感应强度峰值。

优选的，所述磁致变刚度块的材料为树脂基掺杂铽镝铁颗粒的复合材料。

优选地，所述激振锤由偏心质量块旋转产生激振力，偏心质量块可以用电或用柴油机驱动旋转。

优选的，所述磁致变刚度块配有散热装置，所述质量块有沿竖向贯通孔，所述磁致变刚度块有沿竖向贯通孔，所述散热装置包括依次连接的冷却液箱、水泵和散热管，所述散热管一端和冷却液箱中的冷却液连接且另一端和水泵连接，所述散热管穿过质量块的贯通孔后贴在磁致变刚度块贯通孔的侧壁上进行散热。水泵驱动冷却液箱里的冷却液流入散热管后，再流回冷却液箱。

优选的，所述散热管内布设有形状记忆合金丝，所述形状记忆合金丝为双程形状记忆效应，室温时为直线，加热时在直线中的转折点发生转折，转折点将形状记忆合金丝分为第一部分直线丝和第二部分直线丝，在室温时形状记忆合金丝呈直线状且贴在散热管内壁，所述第一部分直线丝与散热管内壁固定连接，第二部分直线丝与散热管内壁不固定连接，形状记忆合金丝起到搅拌冷却液的作用；当散热管温度升高时形状记忆合金丝在转折点发生转折，第二部分直线丝转至散热管中部，然后冷却液流经第二部分直线丝且将形状记忆合金丝进行降温，之后形状记忆合金丝又变为直线即第二部分直线丝又转折至散热管内壁，在这个过程中形状记忆合金丝由直线变为折线再变回直线，且这个过程可以自动重复进行，这样形状记忆合金丝起到搅拌冷却液的作用，即通过形状记忆合金丝的反复转折变形加快冷却液带走散热管的热量。

优选的，所述的水泵为流速可调水泵，磁致变刚度块中的贯通孔内壁上贴有温度计，当温度计测得的温度升高时可以加大水泵中流速，从而加快散热管对磁致变刚度块的降温。

优选的，所述冷却液箱配有制冷装置，所述制冷装置包含依次连接的冷却机组、盐水泵和冷却管，所述冷却机组内含有盐水池且对盐水池中的盐水降温，所述冷却管的一端与盐水泵连接且另一端与盐水池连接，盐水池中的盐水由盐水泵驱动流入冷却管后回流至盐水池，所述冷却管插入冷却液箱的冷却液中。

优选的，所述冷却管配有温差发电装置，所述温差发电装置包含温差发电单元、冷端热量传递板、热端热量传递板、正极导线、负极导线和蓄电池，所述温差发电单元嵌在冷却管侧壁上，所述温差发电单元包含依次连接的第一冷端导电板、p型半导体柱、热端导电板、n型半导体柱和第二冷端导电板，第一冷端导电板和正极导线连接，第二冷端导电板和负极导线连接，正极导线和负极导线都与蓄电池连接，所述热端热量传递板与热端导电板连接且与冷却液箱中的冷却液接触，所述冷端热量传递板与第一冷端导电板和第二冷端导电板连接且与冷却管中的盐水接触。温差发电单元产生的电流给蓄电池充电。

一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：对于振动桩锤取样品，预先测定磁致变刚度块由具有磁致变刚度性变为失去磁致变刚度性的转变温度t1、且基于磁致变刚度块失效监测装置记录磁致变刚度块刚失去磁致变刚度性时对应的磁感应强度b1：预先对磁致变刚度块缠绕的导线通入交变电流，同时磁致变刚度块中产生涡电流且温度逐渐上升，在温度上升过程中记录磁致变刚度块由具有磁致变刚度性变为失去磁致变刚度性的转变温度t1，同时记录磁致变刚度块刚失去磁致变刚度性时对应的磁感应强度b1，这里监测得到的磁感应强度b1取为一个交变电流周期内测得的磁感应强度峰值；

步骤2：将桩竖直立于地基土层上面，从下至上将桩、夹具、第一螺旋弹簧、激振锤、半导体板、磁致变刚度块、质量块连接在一起；

步骤3：启动激振锤，在激振锤的激振频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率过程中抑制激振锤作用在夹具上的激振力，即通过改变缠绕在磁致变刚度块外侧导线上的电流强度从而改变磁场强度、从而改变磁致变刚度块的有效刚度，从而使磁致变刚度块和质量块构成减振系统：

各变量的定义如下：

m1：激振锤的质量

m2：质量块质量

k1：第一螺旋弹簧的刚度

k2：磁致变刚度块的有效刚度

f1：作用在激振锤上的激振力，有f1＝f0sin(ωt)

f0：为激振力f1的振幅

ω：为激振力f1的频率

t：为时间

a1：激振锤的振幅

f2：第一螺旋弹簧作用在夹具上的力

则由动力学关系可得到激振力f1引起激振锤的振幅a1为：

显然当激振锤的振幅a1＝0时第一螺旋弹簧作用在夹具上的激振力f2为0，若要使a1＝0则要求刚度调节装置中磁致变刚度块的等效刚度为k2＝ω²m2，因此在激振锤的激振频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率过程中，需要刚度调节装置中磁致变刚度块的等效刚度k2随着激振力f1的频率ω的变化而实时调节，从而保证刚度调节装置中磁致变刚度块的等效刚度为k2＝ω²m2，这样使夹具上的激振力f2＝0，从而避免激振锤的激振频率穿越振动锤-桩-地基体系的共振频率过程中对周围环境的影响；

步骤4：激振锤的激振频率增长到稳定的工作频率时，改变刚度调节装置中磁致变刚度块的等效刚度，使磁致变刚度块和质量块构成动力放大系统：

各变量的定义如步骤2中所示，在激振锤的振幅a1表达式中：

当(k1-ω²m1)(k2-ω²m2)-ω²m2k2＝0时夹具受到第一螺旋弹簧的激振力最大，这时要求将刚度调节装置中磁致变刚度块的等效刚度实时调节为

步骤5：设振动过程中基于磁致变刚度块失效监测装置实时获得磁感应强度为b，当磁感应强度b达到磁致变刚度块刚失去磁致变刚度性对应的磁感应强度b1时，暂停振动沉桩然后等待磁致变刚度块冷却，当磁致变刚度块冷却后继续进行沉桩，这里监测得到的磁感应强度b和b1取为一个交变电流周期内测得的磁感应强度峰值。

优选的，基于磁致变刚度块失效监测装置实时监测磁感应强度的方法为：设磁感应强度为b，监测电源为半导体板通入电流时产生的电流密度为j，电压计测得半导体板上表面和下表面产生电压差为uh，半导体板的厚度为d且霍尔系数为rh，则有磁感应强度b＝uhd/(rhj)。

优选的，当所述冷却液箱配有制冷装置且冷却管配有温差发电装置时，温差发电单元产生的电流给蓄电池充电。

本发明的有益效果是克服普通振动桩锤激振频率由零增加至工作频率的过程中因穿越地基共振频率而导致周围环境振动过大的问题，以及在工作频率时难以放大振动桩锤振动的问题，本发明提供了一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤。

附图说明

图1为本发明的主要结构与桩协同作用示意图；

图2为本发明的刚度调节装置中磁致变刚度块、导线、整流电路和电源布置图；

图3为本发明的散热装置示意图；

图4为本发明的冷却管侧壁上温差发电单元的示意图；

图5为本发明的温差发电装置的示意图；

图6为本发明的磁致变刚度块配有磁致变刚度块失效监测装置时的连接示意图；

图7为本发明的散热管内的形状记忆合金丝示意图。

图中1.地基，2.桩，3.夹具，4.第一螺旋弹簧，5.激振锤，6.磁致变刚度块，7.质量块，8.导线，9.整流电路，10.电源，11.质量块的竖向贯通孔，12.磁致变刚度块的竖向贯通孔，13.冷却液箱，14.水泵，15.散热管，16.冷却液，17.温度计，18.冷却机组，19.盐水泵，20.冷却管，21.盐水池，22.正极导线，23.负极导线，24.蓄电池，25.第一冷端导电板，26.p型半导体柱，27.热端导电板，28.n型半导体柱，29.第二冷端导电板，30.冷却管侧壁，31.冷端热量传递板，32.热端热量传递板，33.半导体板，34.监测电源，35.电压计，36.形状记忆合金丝，37.第一部分直线丝，38.第二部分直线丝。

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7中一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤，包括质量块7、刚度调节装置、激振锤5、第一螺旋弹簧4；

所述刚度调节装置包括磁致变刚度块6、导线8、整流电路9和电源10，导线8绕在磁致变刚度块6外侧，电源10、整流电路9和导线8依次连接，当导线8中的电流加大时磁致伸缩,6受到的磁场强度增大，且此时磁致变刚度块6等效刚度增大；设磁致变刚度块6的等效刚度为k2，杨氏模量为e，水平横截面积为a，竖向高度为l，则等效刚度磁致变刚度块6受到的磁场强度加大时，杨氏模量e增加，竖向高度l伸长，横截面积a减小，而且杨氏模量e的增量远大于长度l的伸长量和横截面积a的减小量，因此磁场强度加大时磁致变刚度块6的等效刚度k2增大；

如图6所示所述磁致变刚度块6配有磁致变刚度块失效监测装置，所述磁致变刚度块失效监测装置包括半导体板33、监测电源34、电压计35，所述半导体板33水平放置且其上表面与磁致变刚度块6的下表面连接，所述电压计35与半导体板33的上表面和下表面连接、且监测半导体板33上表面和下表面的电压，所述监测电源34与半导体板33的侧面上的两个不同点连接；

如图1所示，当磁致变刚度块6配有磁致变刚度块失效监测装置时，所述质量块7、磁致变刚度块6、半导体板33、激振锤5、第一螺旋弹簧4从上至下依次连接；

所述激振锤5由偏心质量块旋转产生激振力，偏心质量块可以用电或用柴油机驱动旋转；

所述磁致变刚度块6配有散热装置，所述质量块7有沿竖向贯通孔11，所述磁致变刚度块6有沿竖向贯通孔12，所述散热装置包括依次连接的冷却液箱13、水泵14和散热管15，所述散热管15一端和冷却液箱13中的冷却液16连接且另一端和水泵14连接，所述散热管15穿过质量块7的贯通孔11后贴在磁致变刚度块6贯通孔12的侧壁上进行散热，水泵14驱动冷却液箱13里的冷却液16流入散热管15后，再流回冷却液箱13；

如图7所示所述散热管15内布设有形状记忆合金丝36，所述形状记忆合金丝36为双程形状记忆效应，室温时为直线，加热时在直线中的转折点发生转折，转折点将形状记忆合金丝36分为第一部分直线丝37和第二部分直线丝38，在室温时形状记忆合金丝36呈直线状且贴在散热管15内壁，所述第一部分直线丝37与散热管15内壁固定连接，第二部分直线丝38与散热管15内壁不固定连接，形状记忆合金丝36起到搅拌冷却液的作用；当散热管15温度升高时，如图7(b)所示形状记忆合金丝36在转折点发生转折，第二部分直线丝38转至散热管中部，然后冷却液流经第二部分直线丝38且将形状记忆合金丝36进行降温，之后如图7(a)所示形状记忆合金丝36又变为直线即第二部分直线丝38又转折至散热管15内壁，在这个过程中形状记忆合金丝36由直线变为折线再变回直线，且这个过程可以自动重复进行，这样形状记忆合金丝36起到搅拌冷却液的作用，即通过形状记忆合金丝36的反复转折变形加快冷却液带走散热管15的热量；

所述水泵14为流速可调水泵，磁致变刚度块6中的贯通孔12内壁上贴有温度计17，当温度计17测得的温度升高时可以加大水泵14中流速，从而加快散热管15对磁致变刚度块6的降温；

所述冷却液箱13配有制冷装置，所述制冷装置包含依次连接的冷却机组18、盐水泵19和冷却管20，所述冷却机组18内含有盐水池21且对盐水池21中的盐水降温，所述冷却管20的一端与盐水泵19连接且另一端与盐水池21连接，盐水池21中的盐水由盐水泵19驱动流入冷却管20后回流至盐水池21，所述冷却管20插入冷却液箱13中。

优选的，所述冷却管20配有温差发电装置，所述温差发电装置包含温差发电单元、冷端热量传递板31、热端热量传递板32、正极导线22、负极导线23和蓄电池24，所述温差发电单元嵌在冷却管20侧壁上，所述温差发电单元包含依次连接的第一冷端导电板25、p型半导体柱26、热端导电板27、n型半导体柱28和第二冷端导电板29，第一冷端导电板25和正极导线22连接，第二冷端导电板29和负极导线23连接，正极导线22和负极导线23都与蓄电池连接，所述热端热量传递板32与热端导电板27连接且与冷却液箱13中的冷却液16接触，所述冷端热量传递板31与第一冷端导电板25和第二冷端导电板29连接且与冷却管20中的盐水接触。

一种基于变刚度起到免共振作用的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：对于振动桩锤取样品，预先测定磁致变刚度块6由具有磁致变刚度性变为失去磁致变刚度性的转变温度t1、且基于磁致变刚度块失效监测装置记录磁致变刚度块6刚失去磁致变刚度性时对应的磁感应强度b1，测试方法为：预先对磁致变刚度块6缠绕的导线8通入交变电流，同时磁致变刚度块6中产生涡电流且温度逐渐上升，在温度上升过程中记录磁致变刚度块6由具有磁致变刚度性变为失去磁致变刚度性的转变温度t1，同时记录磁致变刚度块6刚失去磁致变刚度性时对应的磁感应强度b1，这里监测得到的磁感应强度b1取为一个交变电流周期内测得的磁感应强度峰值；

步骤2：如图1所示将桩2竖直立于地基1土层上面，从下至上将桩2、夹具3、第一螺旋弹簧4、激振锤5、半导体板33、磁致变刚度块6、质量块7连接在一起；

步骤3：启动激振锤5，在激振锤5的激振频率穿越振动锤-桩2-地基1体系的共振频率过程中抑制激振锤5作用在夹具3上的激振力，即通过改变缠绕在磁致变刚度块6外侧导线8上的电流强度从而改变磁场强度并改变磁致变刚度块6的有效刚度，从而使磁致变刚度块6和质量块7构成减振系统：

各变量的定义如下：

m1：激振锤5的质量

m2：质量块7质量

k1：第一螺旋弹簧4的刚度

k2：磁致变刚度块6的有效刚度

f1：作用在激振锤5上的激振力，有f1＝f0sin(ωt)

f0：为激振力f1的振幅

ω：为激振力f1的频率

t：为时间

a1：激振锤5的振幅

f2：第一螺旋弹簧4作用在夹具3上的力

则由动力学关系可得到激振力f1引起激振锤5的振幅a1为：

显然当激振锤5的振幅a1＝0时第一螺旋弹簧4作用在夹具3上的激振力f2为0，若要使a1＝0则要求刚度调节装置中磁致变刚度块6的等效刚度为k2＝ω²m2，因此在激振锤5的激振频率穿越振动锤-桩2-地基1体系的共振频率过程中，需要刚度调节装置中磁致变刚度块6的等效刚度k2随着激振力f1的频率ω的变化而实时调节，从而保证刚度调节装置中磁致变刚度块6的等效刚度为k2＝ω²m2，这样使夹具3上的激振力f2＝0，从而避免激振振锤5的激振频率穿越振动振动锤-桩2-地基1体系的共振频率过程中对周围环境的影响；

步骤4：激振锤5的激振频率增长到稳定的工作频率时，改变刚度调节装置中磁致变刚度块6的等效刚度，使磁致变刚度块6和质量块7构成动力放大系统：

各变量的定义如步骤2中所示，在激振锤5的振幅a1表达式中：

当(k1-ω²m1)(k2-ω²m2)-ω²m2k2＝0时夹具受到第一螺旋弹簧4的激振力最大，这时要求将刚度调节装置中磁致变刚度块6的等效刚度实时调节为

步骤5：设振动过程中基于磁致变刚度块6失效监测装置实时获得磁感应强度为b，当磁感应强度b达到磁致变刚度块6刚失去磁致变刚度性对应的磁感应强度b1时，暂停振动沉桩2然后等待磁致变刚度块6冷却，当磁致变刚度块6冷却后继续进行沉桩2，这里监测得到的磁感应强度b和b1取为一个交变电流周期内测得的磁感应强度峰值。

优选的，基于磁致变刚度块失效监测装置实时监测磁感应强度的方法为：设磁感应强度为b，监测电源34为半导体板33通入电流时产生的电流密度为j，电压计35测得半导体板33上表面和下表面产生电压差为uh，半导体板33的厚度为d且霍尔系数为rh，则有磁感应强度b＝uhd/(rhj)。

优选的，当所述冷却液箱13配有制冷装置且冷却管20配有温差发电装置时，温差发电单元产生的电流给蓄电池24充电。