阅读说明：本技术 一种基于根系仿生的新型基础及施工方法 (A kind of novel foundation and construction method based on root system bionic ) 是由 刘羿 陈美琳 韦石兰 陈适才 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：一种基于根系仿生的新型基础及施工方法,属于基础工程抗震领域。要解决传统桩基础在地震中存在的单桩下沉、桩帽与承台连接失效、随土体侧移破坏等问题。目前国内外关于仿生抗震结构的创新仅限于上部结构,尚没有对根系仿生基础的相关研究,更没有相关理论公式、实验及仿真数据。通过仿生技术,可以改进建筑基础的结构设计、加强相关方面的研究与设计。本发明通过在桩基础的特定位置设置不同方向、长度的根系仿生结构来离散基桩的受力部位分布,实现多传力路径。相对于桩基础具有更好的鲁棒性,可以很好解决深基础在强震中的破坏。(A kind of novel foundation and construction method based on root system bionic, belongs to foundation engineering seismic resistance field.The problems such as solving the sinking of traditional pile foundation single pile present in earthquake, pile cover and cushion cap Joint failure, being destroyed with lateral soil movement.It is only limitted to superstructure about the innovation of bionical anti-seismic structure both at home and abroad at present, the still not correlative study to root system bionic basis does not have correlation theory formula, experiment and emulation data more.By bionics techniques, the structure design of building foundation can be improved, reinforce the research and design of related fields.Different directions are arranged by the specific position in pile foundation in the present invention, the root system bionic structure of length is distributed come the force part of discrete foundation pile, realize more Path of Force Transfer.There is better robustness relative to pile foundation, destruction of the deep foundation in macroseism can be solved very well.)

一种基于根系仿生的新型基础及施工方法

技术领域

本发明涉及一种仿生抗震基础，属于基础工程抗震领域。

背景技术

随着基础的上部结构高层化、空间不规则化的发展，建筑基础的形式逐渐多样化，深基础的应用越来越广泛。现有的深基础主要为桩基础，尽管桩基在承载力、稳定性、抗差异沉降等方面优于一般基础，但在强震中仍然会出现严重的破坏问题，例如：(1)单桩下沉会导致应力重分布，从而引起应力集中现象，而桩基承载力设计时仅考虑上部荷载均布于各基桩，因此应力集中时使得桩基整体承载力下降，进而导致结构基础失效；(2)桩帽与承台连接失效，是由于上部结构惯性力以及土体运动在桩帽位置发生剪切和弯曲破坏，将意味着桩完全失去了承载作用，此时外部荷载仅由承台承受，而桩基中承台并非主要承重构件，导致基础承载力大大降低，进而破坏；(3)水平地震作用下，土体发生水平滑移，为满足变形的协调，置于土中的桩也将随之发生侧移，导致基础与上部结构产生附加应力，从而加剧基础和结构的破坏程度。

因此可以通过仿生设计，针对桩基存在的缺陷，在其基础上进一步改进，发明一种抗震性能更好的“根系仿生基础”。仿生学是近年来发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科，充分利用生物进化中自然环境选择的合理结构形式。通过模拟树根的结构、构造来分析和研究其在受力性能上具有的优势，从而简化得到可应用于结构基础中的数学模型。基于根系仿生的基础通过其根仿结构可以离散基桩的受力部位分布，实现多传力路径，相对于桩基础具有更好的鲁棒性。

目前国内外关于仿生抗震结构的创新仅限于上部结构，尚没有对根系仿生基础的相关研究，更没有相关理论公式、实验及仿真数据。通过仿生技术，可以改进建筑基础的结构设计、加强相关方面的研究与设计。

发明内容

本发明的目的是设计一种新型根系仿生基础，解决传统桩基础在地震中存在的单桩下沉、桩帽与承台连接失效、随土体侧移破坏等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种基于根系仿生的新型抗震基础模型，包括桩基础的桩身部分和根系仿生结构；所述的根系仿生结构设计应按如下步骤：

(1)选定竖直桩身，记桩身长度为L；

(2)在沿桩身长度L方向上设计多层斜桩根系结构，每层斜桩根系均建立在桩基础的桩身(2)的上面，与竖直桩身相连，每层斜桩根系在水平面的四个正交方向上各设计一个自水平面开始斜向下的斜桩；不同层的斜桩根系分布在沿桩身长度L方向上不同的水平面上；每个斜桩在各自所述的水平面上与竖直桩身的侧面固定连接在一起，沿斜桩长度方向延伸的延伸线交到竖直桩身顶面的直径对点，所述的直径对点是：记沿斜桩长度方向延伸的延伸线与竖直桩身顶面的一个直径相交，交点记为O，斜桩长度方向延伸的延伸线在竖直桩身顶面的投影为一个直径端点为上述交点O的直径，所述的斜桩与竖直桩身的固定连接点记为固定交点，每层斜桩根系的固定交点分布在同一水平面的四个正交方向上；即斜桩末端与固定交点的距离＝n倍固定交点与交点O之间的距离；每层斜桩根系越靠竖直桩身上端的斜桩n的取值越大，n的取值范围为1至5；

斜桩的直径为竖直桩身直径的五分之一至二分之一。

每个竖直桩身和每个斜桩均设有至少一根对应长度方向的钢筋；每个斜桩的钢筋与竖直桩身的钢筋连接在一起。

多层斜桩根系中相邻两层斜桩根系在水平面方向的投影可以叠合也可以交错。

上述设计过程例举的仅是一种方案，所述的根系仿生结构根据不同的水文地质条件与土的分层情况下可以有不同的根系仿生结构设计方案(通过调整根系结构在桩身的位置、截面尺寸与长度等)。竖向桩的数量可以是1个或多个(通常为4—8个)。根据具体的水文地质条件和土的分层情况计算仿真出抗震效果最佳的根系仿生结构的位置、长度以及截面尺寸，对于根系仿生群桩，根据已知条件可得最佳桩距。

根系仿生斜桩以不同角度、长度分布在单桩桩身周围。不同入土深度位置的根系仿生斜桩(3)的倾角由其深度所确定。

具体施工过程：

(1)根据设计规范与要求开挖桩身；

(2)在桩井口处使用钻头或抽土设备，根据具体的根系仿生结构设计方案，在不同角度开钻或者用抽土法来实现；

(3)放置桩身和根系仿生结构所需的钢筋。

(4)浇筑混凝土；

(5)群桩根系仿生基础的模型建立与之同理，具体桩距需通过具体水文地质条件以及土的分层情况确定。

与现有深基础的形式和理论相比，本发明通过模拟树根的结构、构造来分析和研究其在受力性能上具有的优势，从而简化得到可应用于结构基础中的数学模型。基于根系仿生的基础通过其根仿结构可以离散基桩的受力部位分布(见图7、图8)，实现多传力路径，相对于桩基础具有更好的鲁棒性，可以很好解决深基础在强震中的破坏。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明实施例1单桩根系仿生基础的作图说明示意图。

图2是本发明施例1单桩根系仿生基础和承台部分的立体模型示意图。

图3是本发明施例1单桩根系仿生基础和承台部分的主视图。

图4是本发明施例1单桩根系仿生基础和承台部分的侧视图。

图5是本发明施例1单桩根系仿生基础和承台部分的俯视图。

图6是本发明施例1单桩根系仿生基础和承台部分的仰视图。

图7是施例1单桩基础相同位移下应力分布云图。

图8是施例1根系仿生基础相同位移下应力分布云图。

附图标记：1——单桩根系仿生基础承台

2——单桩根系仿生基础的根系仿生结构

3——单桩根系仿生基础的桩身。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

取竖直桩身长度L方向上为例(从上端面开始)，固定交点分别记为B、D、F(如图1所示)。

1、将B、D、F分别与端点O连接，并延长OB至点A，使得AB＝4OB；延长OD

至点C，使得CD＝3OD；延长OF至E，使得EF＝OF(如图1所示)。

2、在步骤3确定根系仿生结构位置的基础上建立截面半径为的根系结构。在四个正交方向上重复上述步骤，完成单桩根系仿生基础模型的建立。

有限元分析信息：

不排水条件下，两个基础均设置于密实黏土地基，黏土不排水强度C_u＝100KPa，饱和重度γ_sat＝18KN/m³，水平压力系数取1.0。地基土泊松比ν＝0.49，弹性模量E＝100MPa；桩体采用弹性模型，泊松比ν＝0.15，弹性模量E＝20GPa。不排水强度采用摩尔库伦模型模拟，摩擦角取为0°(摩尔库伦模型退化为Tresca模型)。两模型施加相同竖向位移0.01m。