一种仿生结构抗冲刷桩基础的制作方法

本实用新型属于桩基础防护技术领域，涉及桩基础抗冲刷技术，具体涉及一种仿生结构抗冲刷桩基础。

背景技术：

桩基础冲刷是桥梁、码头、海上平台和海上风力发电机等水上结构普遍存在的问题。桩基础冲刷会导致桩基侧向、轴向承载力降低，从而导致结构失稳、结构倾斜甚至整体倒塌等严重后果。据统计资料表明，超过半数的桥梁破坏都与冲刷有关。因此，降低桩基础冲刷能有效保证桥梁等水上结构的安全。

工程上现行的防护方式多以被动防护为主，其中抛石法最为常见。该类方法通过机械或人工抛投块石、卵石等人工或者天然石料,在桩基至水下延伸部分形成一定厚度的连续覆盖层,以保护桩基免受水流淘刷破坏、达到减少冲刷的目的，这种方法虽然操作简便，但只是机械地提高墩周土体的抗冲能力，未能从本质上解决问题，经常需要进行监测维护，工作量大，当水流作用发生变化时，抛石很容易流失，造成严重的经济损失。

经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种主动改变桩基受力和流场分布，从而能减小桩基迎水面下潜水流，进而能降低桩基冲刷的仿生结构抗冲刷桩基础。

本实用新型的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种仿生结构抗冲刷桩基础，其特征在于：包括桩基础本体，在桩基础本体的迎水面上设置有前缘凸起，所述前缘凸起沿桩基础上下方向呈连续波浪形；所述前缘凸起的波峰处横截面形状与前缘凸起的波谷处横截面的形状形同、且与桩基础本体的横截面形状形同，前缘凸起的波峰与对应波谷之间经曲面光滑过渡连接。

而且的，所述桩基础本体的横截面呈水滴形、椭圆形或圆形。

本实用新型具有的优点和积极效果：

本桩基础基于座头鲸胸鳍前缘结节结构特点，在桩基础本体的迎水面上设置有前缘凸起，这种结构可以有效推迟流动分离的作用，主动改变桩基受力和流场分布，减小桩基迎水面下潜水流，从而降低了桩基冲刷。

附图说明

图1是水滴形桩基础结构示意图,其中，1a为传统水滴形桩基础结构示意图，1b为本实用新型水滴形仿生结构抗冲刷桩基础结构示意图；

图2是椭圆形桩基础结构示意图，2a为传统椭圆形桩基础结构示意图，2b为本实用新型椭圆形仿生结构抗冲刷桩基础结构示意图；

图3是圆形桩基础结构示意图；3a为传统圆形桩基础结构示意图，3b为本实用新型圆形仿生结构抗冲刷桩基础结构示意图；

图4是本实用新型水滴形仿生结构抗冲刷桩基础结构侧视图，其中，图4a为波长0.25倍弦长、振幅0.1倍弦长的仿生桩基础；4b为波长0.25倍弦长、振幅0.05倍弦长的仿生桩基础；图4c为波长0.5倍弦长、振幅0.1倍弦长的仿生桩基础；图4d为波长0.5倍弦长、振幅0.05倍弦长的仿生桩基础；

图5是桩基础周围流场分布图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

本仿生结构抗冲刷桩基础的设计启示基于座头鲸胸鳍前缘结节结构特点。座头鲸胸鳍前缘处长有结节(球状突起)，通过实验及数值分析发现，前缘结节可以延迟大攻角时的流动分离，改变结节周围流场的作用。这种前缘结节每个结节都形成了两个旋转方向相反的顺水流方向发展的涡，引起了边界层的混合，从而达到推迟流动分离的效果。

本实用新型在桩基础本体1的迎水面上设置有前缘凸起2，所述前缘凸起沿桩基础上下方向呈连续波浪形。所述前缘凸起的波峰处横截面形状与前缘凸起的波谷处横截面的形状形同、且与桩基础本体的横截面形状形同，前缘凸起的波峰与对应波谷之间经曲面光滑过渡连。该仿生结构抗冲刷桩基础使来流形成了两个旋转方向相反的顺水流方向发展的涡，从而减小下潜水流，马蹄形涡旋和尾涡的冲刷能量，削弱涡旋掏蚀，起到防护冲刷的作用。由于仿生结构抗冲刷桩基础曲面形状比较复杂，采用传统施工方法难以达到，可采用三维建模，施工中拟采用3d打印混凝土方式来实现，可降低人工和施工成本。

本仿生结构抗冲刷桩基础普遍适用于目前常见的桩基础结构，比如桩基础本体横截面呈水滴形、椭圆形或圆形的桩基础等，分别参见图1、图2和图3。

本仿生结构抗冲刷桩基础的前缘凸起的形状由两个参数决定，一个参数为前缘凸起的波长，另一个参数为前缘凸起的振幅。本仿生结构抗冲刷桩基础在实际应用中，可根据桥梁所在位置水流流速特点，通过调整两个参数对前缘凸起的形状进行调整，以达到防护冲刷作用最优化设计。比如，以桩基础本体横截面呈水滴形的仿生桩基础为例，前缘凸起波长分别取水滴形弦长的0.25倍和0.5倍，前缘凸起振幅分别取水滴形弦长的0.1倍和0.05倍，组合得到4种仿生桩形状，参见图4a、4b、4c和4d。

本仿生结构抗冲刷桩基础通过在桩基础本体的迎水面上设置前缘凸起，使迎水面上前缘凸起部分不同部位接触到的水流速度不同，理论上可使来流形成了两个旋转方向相反的顺水流方向发展的涡，从而减小下潜水流、马蹄形涡旋和尾涡的冲刷能量。

为了验证仿生桩实际作用，本研究做了cfd数值模型进行验证，从实验结果可以看出，仿生桩前缘结节能够有效改变其周围流场，减小桩柱迎水面下潜水流，从而降低桩基冲刷。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：

1.一种仿生结构抗冲刷桩基础，其特征在于：包括桩基础本体，在桩基础本体的迎水面上设置有前缘凸起，所述前缘凸起沿桩基础上下方向呈连续波浪形；所述前缘凸起的波峰处横截面形状与前缘凸起的波谷处横截面的形状形同、且与桩基础本体的横截面形状形同，前缘凸起的波峰与对应波谷之间经曲面光滑过渡连接。

2.根据权利要求1所述的仿生结构抗冲刷桩基础，其特征在于：所述桩基础本体的横截面呈水滴形、椭圆形或圆形。

技术总结
本实用新型涉及一种仿生结构抗冲刷桩基础，包括桩基础本体，在桩基础本体的迎水面上设置有前缘凸起，所述前缘凸起沿桩基础上下方向呈连续波浪形；所述前缘凸起的波峰处横截面形状与前缘凸起的波谷处横截面的形状形同、且与桩基础本体的横截面形状形同，前缘凸起的波峰与对应波谷之间经曲面光滑过渡连接。本桩基础基于座头鲸胸鳍前缘结节结构特点，在桩基础本体的迎水面上设置有前缘凸起，这种结构可以有效推迟流动分离的作用，主动改变桩基受力和流场分布，减小桩柱迎水面下潜水流，从而降低了桩基冲刷。

技术研发人员：李家乐;王雪菲
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2019.07.12
技术公布日：2020.07.28