技术领域
[0001] 本
发明属于岩土工程的振动沉桩领域，尤其涉及一种基于刚度调节起到免共振作用的振动桩锤。
背景技术
[0002] 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。
发明内容
[0003] 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，本发明提供了一种基于刚度调节起到免共振作用的振动桩锤。
[0004] 本发明的技术方案：一种基于刚度调节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；
[0005] 所述刚度调节装置包括电源和电致变刚度装置，所述电致变刚度装置包含从下至上依次连接的第一绝缘板、第一金属板、电致变刚度块、第二金属板和第二绝缘板，所述电源分别和第一金属板和第二金属板连接。当电源施加在第一金属板和第二金属板之间的
电压差改变时，即电致变刚度块受到的
电场强度改变时，电致变刚度块的等效刚度也随之改变；设电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 电致变刚度块受到的电场强度加大时，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，因此电场强度加大时电致变刚度块的等效刚度k2增大；
[0006] 所述质量块、电致变刚度装置、激振锤、第一
螺旋弹簧从上至下依次连接。
[0007] 优选地，所述电致变刚度块的材料为压电陶瓷。
[0008] 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。
[0009] 优选的，所述电致变刚度装置配有电容检测系统和位移监测系统，所述电容检测系统分别与第一金属板和第二金属板连接，位移监测系统包含第一
加速度计和第二加速度计，第一加速度计位于电致变刚度块侧面底部，第二加速度计位于电致变刚度块侧面顶部。电容检测系统可以监测第一金属板和第二金属板间的电容C；通过积分第一加速度计测得的加速度得到电致变刚度块侧面底部的位移s1，通过积分第二加速度计测得的加速度得到电致变刚度块侧面顶部的位移s2。
[0010] 优选的，所述电致变刚度块配有
散热装置，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，所述散热管贴在电致变刚度块侧面进行散热；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。
[0011] 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。
[0012] 优选的，所述的水泵为流速可调水泵，电致变刚度块的侧面贴有
温度计，当实时监测得到电致变刚度块的温度升高时可以加大水泵中流速，从而加快散热管对电致变刚度块的降温。
[0013] 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冻管后回流至盐水池，所述冷却管插入冷却液箱的冷却液中。
[0014] 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。
[0015] 一种基于刚度调节起到免共振作用的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：
[0016] 步骤1：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、电致变刚度装置、质量块连接在一起；
[0017] 步骤2：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，即通过改变第一金属板和第二金属板之间的电压差，即通过改变电致变刚度块受到的电场强度，使电致变刚度块的等效刚度也随之改变，从而使电致变刚度块和质量块构成减振系统：
[0018] 各变量的定义如下：
[0019] m1：激振锤的质量
[0020] m2：质量块质量
[0021] k1：第一螺旋弹簧的刚度
[0022] k2：电致变刚度块的有效刚度
[0023] F1：作用在激振锤上的激振力，有F1＝F0sin(ωt)
[0024] F0：为激振力F1的振幅
[0025] ω：为激振力F1的频率
[0026] t：为时间
[0027] A1：激振锤的振幅
[0028] F2：第一螺旋弹簧作用在夹具上的力
[0029] 则由动力学关系可得到激振力F1引起激振锤的振幅A1为：
[0030]
[0031] 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电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电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电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；
[0032] 步骤3：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电致变刚度块的等效刚度，使电致变刚度块和质量块构成动力放大系统：
[0033] 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：
[0034]
[0035] 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电致变刚度块的等效刚度实时调节为
[0036] 优选的，基于电容监测电致变刚度块温度的方法为：预先通过实验记录电致变刚度块相对
介电常数εr随温度的变化曲线；电容检测系统监测第一金属板和第二金属板间的电容C；通过积分第一加速度计测得的加速度得到电致变刚度块侧面底部的位移s1，通过积分第二加速度计测得的加速度得到电致变刚度块侧面顶部的位移s2，这样结合电致变刚度块的初始竖向长度L0，可以实时得到电致变刚度块的竖向长度L为L＝L0+s2-s1；设电致变刚度块的水平横截面积为A，ε0为
真空介电常数，εr为第一金属板和第二金属板间夹持的电致变刚度块的相对介电常数，则相对介电常数εr的计算公式为 根据实时监测得到的振动桩锤运行过程中电致变刚度块相对介电常数εr，然后结合相对介电常数随温度的变化曲线可以实时得到电致变刚度块的温度。
[0037] 优选的，基于温度计监测电致变刚度块的温度、或基于电容监测电致变刚度块温度时，当监测得到电致变刚度块的温度升高时可以加大水泵中流速，从而加快散热管对电致变刚度块的降温。
[0038] 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。
[0039] 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刚度调节起到免共振作用的振动桩锤。
附图说明
[0040] 图1为本发明的主要结构与桩协同作用示意图；
[0041] 图2为本发明的刚度调节装置中电致变刚度装置的示意图；
[0042] 图3为本发明的散热装置示意图；
[0043] 图4为本发明的冷却管侧壁上温差发电单元的示意图；
[0044] 图5为本发明的温差发电装置的示意图；
[0045] 图6为本发明的散热管中的形状记忆合金丝的示意图；
[0046] 图中1.地基，2.桩，3.夹具，4.第一螺旋弹簧，5.激振锤，6.电致变刚度装置，7.质量块，8.第一绝缘板，9.第一金属板，10.电致变刚度块，11.第二金属板，12.第二绝缘板，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.电容检测系统，34.第一加速度计，35.第二加速度计，36.电源，37.形状记忆合金丝，38.第一部分直线丝，39.第二部分直线丝。
具体实施方式
[0047] 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。
[0048] 如图1-图5中一种基于刚度调节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；
[0049] 所述刚度调节装置包括电源36和电致变刚度装置6，所述电致变刚度装置6包含从下至上依次连接的第一绝缘板8、第一金属板9、电致变刚度块10、第二金属板11和第二绝缘板12，所述电源36分别和第一金属板9和第二金属板11连接。当电源36施加在第一金属板9和第二金属板10之间的电压差增大时，即电致变刚度块10受到的电场强度加大时，电致变刚度块10的等效刚度也随之增大；设电致变刚度块10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 电致变刚度块10受到的电场强度加大时，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，因此电场强度加大时电致变刚度块10的等效刚度k2增大；
[0050] 所述质量块7、电致变刚度装置6、激振锤5、第一螺旋弹簧4从上至下依次连接；
[0051] 所述电致变刚度块10的材料为压电陶瓷或聚
氨酯弹性体；
[0052] 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；
[0053] 所述电致变刚度装置6配有电容检测系统33和位移监测系统，所述电容检测系统33分别与第一金属板11和第二金属板12连接，位移监测系统包含第一加速度计34和第二加速度计35，第一加速度计34位于电致变刚度块10侧面底部，第二加速度计35位于电致变刚度块10侧面顶部。电容检测系统33可以监测第一金属板9和第二金属板11间的电容C；通过积分第一加速度计34测得的加速度得到电致变刚度块10侧面底部的位移s1，通过积分第二加速度计35测得的加速度得到电致变刚度块10侧面顶部的位移s2；
[0054] 所述电致变刚度块10配有散热装置，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贴在电致变刚度块10侧面进行散热。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；
[0055] 如图6所示，所述散热管15内布设有形状记忆合金丝37，所述形状记忆合金丝37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37分为第一部分直线丝38和第二部分直线丝39，在室温时形状记忆合金丝37呈直线状且贴在散热管15内壁，所述第一部分直线丝38与散热管15内壁固定连接，第二部分直线丝39与散热管15内壁不固定连接，形状记忆合金丝37起到搅拌冷却液的作用；
[0056] 所述的水泵14为流速可调水泵，电致变刚度块10的侧面贴有温度计17，当实时监测得到电致变刚度块10的温度升高时可以加大水泵14中流速，从而加快散热管15对电致变刚度块10的降温；
[0057] 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的冷却液16中；
[0058] 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24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。温差发电单元产生的电流给蓄电池24充电。
[0059] 一种基于刚度调节起到免共振作用的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：
[0060] 步骤1：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、电致变刚度装置6、质量块7连接在一起；
[0061] 步骤2：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，即通过改变第一金属板9和第二金属板10之间的电压差，即通过改变电致变刚度块10受到的电场强度，使电致变刚度块10的等效刚度也随之改变，从而使电致变刚度块10和质量块7构成减振系统：
[0062] 各变量的定义如下：
[0063] m1：激振锤5的质量
[0064] m2：质量块7质量
[0065] k1：第一螺旋弹簧4的刚度
[0066] k2：电致变刚度块10的有效刚度
[0067] F1：作用在激振锤5上的激振力，有F1＝F0sin(ωt)
[0068] F0：为激振力F1的振幅
[0069] ω：为激振力F1的频率
[0070] t：为时间
[0071] A1：激振锤5的振幅
[0072] F2：第一螺旋弹簧4作用在夹具上的力
[0073] 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：
[0074]
[0075] 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电致变刚度块10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电致变刚度块10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电致变刚度块10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对周围环境的影响；
[0076] 步骤3：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电致变刚度块10的等效刚度，使电致变刚度块10和质量块7构成动力放大系统：
[0077] 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：
[0078]
[0079] 当(k1-ω2m1)(k2-ω2m2)-ω2m2k2＝0时夹具3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电致变刚度块10的等效刚度实时调节为
[0080] 优选的，基于电容监测电致变刚度块温度的方法为：预先通过实验记录电致变刚度块10相对介电常数εr随温度的变化曲线；电容检测系统33监测第一金属板9和第二金属板11间的电容C；通过积分第一加速度计34测得的加速度得到电致变刚度块10侧面底部的位移s1，通过积分第二加速度计35测得的加速度得到电致变刚度块10侧面顶部的位移s2，这样结合电致变刚度块10的初始竖向长度L0，可以实时得到电致变刚度块10的竖向长度L为L＝L0+s2-s1；设电致变刚度块10的水平横截面积为A，ε0为真空介电常数，εr为第一金属板9和第二金属板11间夹持的电致变刚度块10的相对介电常数，则相对介电常数εr的计算公式为然后根据实时监测得到的振动桩锤运行过程中电致变刚度块10相对介电常数εr，然后结合相对介电常数随温度的变化曲线可以实时得到电致变刚度块10的温度。
[0081] 优选的，散热管15中的形状记忆合金丝37起到搅拌冷却液的作用：当散热管15温度升高时形状记忆合金丝37在转折点发生转折，如图6(b)所示第二部分直线丝39转至散热管15中部，然后冷却液流经第二部分直线丝39且将形状记忆合金丝37进行降温，之后如图6(a)所示形状记忆合金丝37又变为直线即第二部分直线丝39又转折至散热管15内壁，在这个过程中形状记忆合金丝37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37起到搅拌冷却液的作用，即通过形状记忆合金丝37的反复转折变形加快冷却液带走散热管15的热量。
[0082] 优选的，基于温度计17监测电致变刚度块10的温度、或基于电容监测电致变刚度块10温度时，当监测得到电致变刚度块10的温度升高时可以加大水泵14中流速，从而加快散热管15对电致变刚度块10的降温。
[0083] 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。
