减少地基共振影响周围环境的振动桩锤及沉桩方法

摘要

本发明公开了一种减少地基共振影响周围环境的振动桩锤，包括从上至下依次连接的质量块、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第二螺旋弹簧、调节刚度杆、连接杆和驱动电机。在振动锤的激振频率穿越地基共振频率时，基于第二螺旋弹簧的刚度调节，质量块和第二螺旋弹簧作为减振器抑制振动锤的振动，从而减少地基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，基于第二螺旋弹簧的刚度调节，质量块和第二螺旋弹簧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。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程的振动沉桩领域，尤其涉及一种减少地基共振影响周围环境的振动桩锤。

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地基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地基共振频率时附近时，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地基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簧作为减振器或振动放大器，即振动锤的激振频率穿越地基共振频率时，附加质量块和可调节刚度的弹簧可以作为减振器抑制振动锤的振动，从而减少地基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簧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

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：一种减少共振影响周围环境的振动桩锤，包括从上至下依次连接的质量块、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第二螺旋弹簧、调节刚度杆、连接杆和驱动电机；第二螺旋弹簧和驱动电机从上至下依次连接；调节刚度杆的上部伸入第二螺旋弹簧内，调节刚度杆的底端与驱动电机连接且由驱动电机带动旋转，在旋转过程中调节刚度杆可以沿着杆长度方向在第二螺旋弹簧中上升或下降，调节刚度杆的顶端与连接杆的中部固定连接，连接杆的两端开有第一孔和第二孔，第二螺旋弹簧的钢丝分别穿过第一孔和第二孔且可沿第一孔和第二孔滑动。因此通过调节刚度杆的上升或下降，可以改变第二螺旋弹簧的有效长度，即可以连续调节第二螺旋弹簧的有效刚度。

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，所述振动桩锤配有节能装置，所述节能装置包括压电陶瓷片、储能电路和蓄电池，驱动电机和激振锤之间用压电陶瓷片连接，蓄电池、储能电路和压电陶瓷片依次连接，蓄电池通过储能电路接收压电陶瓷片因电压波动产生的电能，蓄电池也与驱动电机连接从而为驱动电机辅助供电，从而减少驱动电机的能耗。

一种减少共振影响周围环境的振动桩锤的沉桩方法，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、第一螺旋弹簧、激振锤、刚度调节装置、质量块连接在一起；

步骤2：启动激振锤，在激振锤的激振频率穿越地基共振频率过程中抑制激振锤作用在夹具上的激振力，即改变刚度调节装置中第二螺旋弹簧的有效刚度，从而使第二螺旋弹簧和质量块构成减振系统：

各变量的定义如下：

m₁：激振锤和驱动电机的总质量

m₂：质量块质量

k₁：第一螺旋弹簧的刚度

k₂：刚度调节装置中第二螺旋弹簧的有效刚度

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第二螺旋弹簧的有效刚度为k₂＝ω²m₂，因此在激振锤的激振频率穿越地基共振频率过程中，需要刚度调节装置中第二螺旋弹簧的有效刚度k₂随着激振力F₁的频率ω的变化而时时调节，从而保证刚度调节装置中第一螺旋弹簧的有效刚度为k₂＝ω²m₂，这样使夹具上的激振力F₂＝0，从而避免激振振锤的激振频率穿越地基共振频率过程中对周围环境的影响；

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第二螺旋弹簧的有效刚度，使第二螺旋弹簧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，这时要求刚度调节装置中第二螺旋弹簧的有效刚度实时调节为

优选的，所述刚度调节装置中第二螺旋弹簧的有效刚度调节方法为：驱动电机不旋转时可以固定调节刚度杆，驱动电机旋转时带动旋转调节刚度杆，在旋转过程中调节刚度杆可以沿着杆长度方向在第二螺旋弹簧中上升或下降，调节刚度杆带动连接杆在第二螺旋弹簧的钢丝上滑动，因此设第二螺旋弹簧的原长为L₀，设调节刚度杆与第二螺旋弹簧重合部分的长度为L_x且这部分弹簧被调节刚度杆和连接杆固定因而不能伸缩，设第二螺旋弹簧可用于计算刚度的有效长度为L，则有L＝L₀-L_x，若第二螺旋弹簧的初始刚度为k₀，则用有效长度L可以计算第二螺旋弹簧的有效刚度k₂，即有因此有效刚度k₂随调节刚度杆在第二螺旋弹簧中的升降而改变。

优选的，当所述振动桩锤配有节能装置时，所述步骤2和步骤3中振动引起压电陶瓷片上下表面电压波动，蓄电池通过储能电路接收压电陶瓷片因电压波动产生的电能，蓄电池也与驱动电机连接从而为驱动电机辅助供电，从而减少驱动电机的能耗。

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，本发明提供了一种减少地基共振影响周围环境的振动桩锤。

附图说明

图1为本发明的整体组装结构与桩协同作用示意图；

图2为本发明的刚度调节装置的结构示意图；

图3为本发明的刚度调节装置中有效刚度示意图；

图4位本发明的刚度调节装置中调节刚度杆和连接杆示意图；

图5为本发明的驱动电机、压电陶瓷片、振动锤和储存电能装置连接示意图；

图中1.地基，2.桩，3.夹具，4.第一螺旋弹簧，5.激振锤，6.刚度调节装置，7.质量块，8.第二螺旋弹簧，9.驱动电机，10.调节刚度杆，11.连接杆，12.第一孔，13.第二孔，14.压电陶瓷片，15.储能电路，16.蓄电池。

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5中一种减少共振影响周围环境的振动桩锤，包括从上至下依次连接的质量块7、刚度调节装置6、激振锤5、第一螺旋弹簧4；所述刚度调节装置6包括第二螺旋弹簧8、调节刚度杆10、连接杆11和驱动电机9；第二螺旋弹簧8和驱动电机9从上至下依次连接；调节刚度杆10的上部伸入第二螺旋弹簧8内，调节刚度杆10的底端与驱动电机9连接且由驱动电机9带动旋转，在旋转过程中调节刚度杆10可以沿着杆10长度方向在第二螺旋弹簧8中上升或下降，调节刚度杆10的顶端与连接杆11的中部固定连接，连接杆11的两端开有第一孔12和第二孔13，第二螺旋弹簧8的钢丝分别穿过第一孔12和第二孔13且可沿第一孔12和第二孔13滑动。因此通过调节刚度杆10的上升或下降，可以改变第二螺旋弹簧8的有效长度，即可以连续调节第二螺旋弹簧8的有效刚度；

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；

所述振动桩锤配有节能装置，所述节能装置包括压电陶瓷片14、储能电路15和蓄电池16，驱动电机9和激振锤5之间用压电陶瓷片14连接，蓄电池16、储能电路和15压电陶瓷片14依次连接，蓄电池16通过储能电路15接收压电陶瓷片14因电压波动产生的电能，蓄电池16也与驱动电机9连接从而为驱动电机9辅助供电，从而减少驱动电机9的能耗。

本发明一种减少共振影响周围环境的振动桩锤的沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：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、刚度调节装置6、质量块7连接在一起；

步骤2：启动激振锤5，在激振锤5的激振频率穿越地基1共振频率过程中抑制激振锤5作用在夹具3上的激振力，即改变刚度调节装置6中第二螺旋弹簧8的有效刚度，从而使第二螺旋弹簧8和质量块7构成减振系统：

各变量的定义如下：

m₁：激振锤5和驱动电机9的总质量

m₂：质量块7质量

k₁：第一螺旋弹簧4的刚度

k₂：刚度调节装置中第二螺旋弹簧8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6中第二螺旋弹簧8的有效刚度为k₂＝ω²m₂，因此在激振锤5的激振频率穿越地基1共振频率过程中，需要刚度调节装置6中第二螺旋弹簧8的有效刚度k₂随着激振力F₁的频率ω的变化而时时调节，从而保证刚度调节装置6中第一螺旋弹簧4的有效刚度为k₂＝ω²m₂，这样使夹具3上的激振力F₂＝0，从而避免激振振锤5的激振频率穿越地基1共振频率过程中对周围环境的影响；

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6中第二螺旋弹簧8的有效刚度，使第二螺旋弹簧8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，这时要求刚度调节装置6中第二螺旋弹簧8的有效刚度调节为

所述刚度调节装置6中第二螺旋弹簧8的有效刚度调节方法为：如图3所示，驱动电机9不旋转时可以固定调节刚度杆10，驱动电机9旋转时带动旋转调节刚度杆10，在旋转过程中调节刚度杆10可以沿着杆10长度方向在第二螺旋弹簧8中上升或下降，调节刚度杆10带动连接杆11在第二螺旋弹簧8的钢丝上滑动，因此设第二螺旋弹簧8的原长为L₀，设调节刚度杆10与第二螺旋弹簧8重合部分的长度为L_x且这部分弹簧被调节刚度杆10和连接杆8固定因而不能伸缩，设第二螺旋弹簧8可用于计算刚度的有效长度为L，则有L＝L₀-L_x，若第二螺旋弹簧8的初始刚度为k₀，则用有效长度L可以计算第二螺旋弹簧8的有效刚度k₂，即有

当所述振动桩锤配有节能装置时，所述步骤2和步骤3中振动引起压电陶瓷片14上下表面电压波动，蓄电池16通过储能电路15接收压电陶瓷片14因电压波动产生的电能，蓄电池16也与驱动电机9连接从而为驱动电机9辅助供电，从而减少驱动电机9的能耗。