[发明专利]一种基于根系仿生的基础及施工方法

说明书

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。

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。