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1、第七章 地基与基础1.地基与基础的概念2.地基土分类3.基础的分类和适应性4.地基计算 4.1承载力计算 4.2变形计算 4.3稳定性计算 地基是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。作为建筑地基的土层分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。地基有天然地基和人工地基两类。天然地基是不需要人加固的天然土层；若天然地基无法满足承载需要，通常需要人工加固处理，常见有石屑垫层、砂垫层、混合灰土回填再夯实等。基础指建筑底部与地基接触的承重构件，它的作用是把建筑上部的荷载传给地基。因此基础必须坚固、稳定而可靠。1.地基与基础的概念 根据地基复杂程度、建筑物规则和功能特征，以及由于地基问题可能造成建筑物
2、破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计划分为三个设计等级。常见的基础下土层分六大类：（1）岩石：是指颗粒间牢固联结，呈整体性或具有节理裂隙的岩体。一般情况下根据坚硬程度划分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩五类。通常风化程度越高，承载力越弱；完整性越差，承载力约弱。2.地基土分类（2）碎石土：是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总重50%的土。根据颗粒形状和颗粒含量的不同可以划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆粒和角砾六类。（3）砂土：是指粒径大于2mm颗粒不超过总重50%，同时粒径大于0.075mm颗粒超过总重50%的土。根据颗粒的含量不同，可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。（4）黏性土
3、：是指含黏土粒较多，透水性较小的土。压实后水稳性好，强度较高，毛细作用小。用作建筑物地基的粘性土，其承载力取决于它的天然稠度状态。根据其在天然状态下的软硬程度可分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑五种不同的状态。（5）粉土：是指塑性小于黏性土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总重50%的土。粉土介于砂土和黏性土之间，工程性质通常较差。（6）人工填土：是由人类各种活动所堆积的人工回填土、垃圾、工业废料等所组成的填土。除了经人工碾压或夯实的压实填土外，均不宜作为建筑物的地基。特殊土 1）软土 软土泛指天然含水量高、压缩性高、强度低、渗透性差的软塑、流塑状粘性土。它包括淤泥、淤泥质土、冲填土等。
4、软土生成于静水或缓慢流动的流水环境。修建在软土地基上的建筑物易产生较大沉降或不均匀沉降，且沉降稳定所需要的时间很长，所以，在软土上建造建筑物必须慎重对待。2）红粘土 红粘土是碳酸盐系岩石经红土化作用所形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。具有表面收缩、上硬下软、裂隙发育等特征，吸水后迅速软化。一般情况下，红粘土的表层压缩性低、强度较高、水稳定性好，属良好的地基土层。但随着含水量的增大，土体呈软塑或流塑状态，强度明显变低，作为地基时条件较差。3）膨胀土膨胀土是一种具有强烈的吸水膨胀和失水收缩特性的粘性土。呈黄、红褐、灰白色，粘粒含量高。膨胀土通常表现为压缩性低、强度高，因此易被误认为是良好的天然地基
5、。4）湿陷性黄土湿陷性黄土是指以粉粒为主，富含碳酸钙盐系，垂直节理发育，具有大孔结构，以黄色、褐黄色为主，有时为灰黄色的土体。湿陷性黄土在天然含水状态下具有较高的强度和较小的压缩性，但雨水浸湿后，有的即使在自身重力作用下也会发生剧烈而大量的变形，强度也随之迅速降低。3.1按受力特点及材料性能分为刚性基础和柔性基础。刚性基础是指受刚性角限制的基础，常用抗压性能好而抗拉、抗剪性能较差的材料做成，如素混凝土、砖、毛石、三合土等。3.基础的分类和适应性 刚性角基础底面积越大其底面压强越小，对地基的负荷越有利。但放大的尺寸超过一定范围，超过基础材料本身的抗拉，抗剪能力，就会引起破坏，破坏的方向不是沿柱或
6、墙的外侧垂直向下的，而是与垂线形成一个角度，这个角度就是材料刚性角。在设计中，应尽力使基础大放脚与基础材料的刚性角相一致，以确保基础底面不产生拉应力，最大限度地节约基础材料。无筋刚性扩展基础可用于6层和6层以下（三合土基础不宜超过4层）的民用建筑和轻型厂房；无筋扩展基础的截面尺寸，应符合刚性角的要求；砖基础一般做成台阶式，称为“大放脚”。垫层每边伸出基础底面50mm，厚度不宜小于100mm。无筋扩展基础尺寸及构造示意图（a）砖基础；（b）毛石基础；（c）灰土基础；（d）毛石混凝土基础、混凝土基础 柔性基础：柔性基础是指用抗拉、抗压、抗弯、抗剪性能均较好的钢筋混凝土材料做的能承受一定弯曲变形的基
7、础（不受刚性角的限制）。用于地基承载力较差、上部荷载较大、设有地下室且基础埋深较大的建筑。有筋柔性扩展基础主要包括柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础。这种基础抗弯和抗剪性能良好，特别适用于“宽基浅埋”或有地下水时。由于扩展基础有较好的抗弯能力，通常被看作柔性基础。这种基础能发挥钢筋的抗弯性能及混凝土抗压性能，适用范围广。（a）钢筋混凝土条形基础；（b）现浇独立基础；（c）预制杯形基础 有筋柔性扩展基础应满足以下构造要求：1）锥形基础的边缘高度不宜小于200mm；阶梯形基础的每阶高度宜为300500mm。2）垫层的厚度不宜小于70mm；垫层混凝土强度等级应为C10。3）基础底板受力钢
8、筋的最小直径不宜小于10mm；间距不宜大于200mm，也不宜小于100mm。4）混凝土强度等级不应小于C20。3.2按构造分不同可分为：独立基础、条形基础、片筏基础、箱形基础、桩基础、沉井基础等 独立基础配置于上部设备之下的无筋或有筋的整体基础形式。可分为柱下独立基础和墙下独立基础。柱下独立基础墙下独立基础 条形基础指基础长度远远大于宽度的一种基础形式。按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础。当上部结构荷载较大、地基土的承载力较低时，采用无筋扩展基础或有筋扩展基础往往不能满足地基强度和变形的要求。为增加基础刚度,防止由于过大的不均匀沉降引起的上部结构的开裂和损坏，常采用柱下条形基础。构造要求
9、：1）柱下条形基础梁的高度宜为柱距的1418。翼板厚度不应小于200mm。当翼板厚度大于250mm时，宜采用变厚度翼板，其坡度宜小于或等于13。2）柱下条形基础的两端宜向外伸出，其长度宜为第一跨度的0.25倍；既可增大基础底面积，又可使基底反力分布比较均匀、基础内力分布比较合理。3）条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶部钢筋按计算配筋全部贯通，底部通长钢筋不应少于底部受力钢筋截面总面积的13。4）柱下条形基础的混凝土强度等级不应低于C20。5）基础垫层和钢筋保护层厚度、底板钢筋的部分构造要求可参考扩展基础的规定。柱下十字交叉基础如果柱网下的地基土较软弱，土的压缩性或柱荷载的分
10、布沿两个柱列方向都很不均匀，根据刚度的需要，柱下条形基础可沿纵向、纵横向设置而形成双向条形基础，称为十字交叉基础。片筏基础如采用十字基础仍然不能满足要求，或相邻基础之间的距离已经很小时，为增强基础底部的接触面积，提高基础的整体性，可用钢筋混凝土做成整块的片筏基础。根据构造的不同又可分为平板式和梁板式。平板式柱下筏形基础 下梁板式柱下筏形基础 上梁板式柱下筏形基础 构造要求：（1）筏形基础的混凝土强度等级不应低于C30；（2）采用筏形基础的地下室应沿四周布置钢筋混凝土外墙，外墙厚度不应小于250mm，内墙厚度不应小于200mm；（3）筏形基础的钢筋间距不应小于150mm，常取200300mm，受
11、力钢筋直径不宜小于12mm；（4）梁板式筏基的底板与基础梁的配筋除满足计算要求外，纵横方向的底部钢筋还应有1213贯通全跨，其配筋率不应小于0.15，顶部钢筋按计算配筋全部连通；（5）当筏板的厚度大于2000mm时，宜在板厚中间部位设置直径不小于12mm、间距不大于300mm的双向钢筋网。箱形基础是由钢筋混凝土的底板、顶板和若干纵横墙组成的，形成中空箱体的整体结构，共同来承受上部结构的荷载。箱形基础整体空间刚度大，基础底部附加应力小，可以显著地提高地基的稳定性，降低基础沉降量。一般适用于高层建筑或在软弱地基上造的上部荷载较大的建筑物。当基础的中空部分尺寸较大时，可用作地下室。构造要求：箱形基础
12、的混凝土强度等级不应低于C30。箱形基础外墙宜沿建筑物周边布置，内墙沿上部结构的柱网或剪力墙位置纵横均匀布置，墙体水平截面总面积不宜小于箱形基础外墙外包尺寸的水平投影面积的1/10。无人防设计要求的箱基，基础底板不应小于300mm，外墙厚度不应小于250mm，内墙厚度不应小于200mm，顶板厚度不应小于200mm。墙体的门洞宜设在柱间居中部位。箱形基础的顶板、底板及墙体均应采用双层双向配筋。壳体基础烟囱、水塔、贮仓、中小型高炉等各类筒形构筑物基础的平面尺寸较一般独立基础大，为节约材料，同时使基础的平面形状与上部结构相接近，形成较好的受力特性，常将基础做成壳体形式，称为壳体基础。其常用形式有正圆
13、锥壳、M型组合壳、内球外锥组合壳等。桩基础由桩和连接桩顶的承台组成的深基础，简称桩基。桩基础适用于地基土上部为软弱土，且荷载很大时，采用浅基础已不能满足地基强度和变形的要求，可利用地基下部比较坚硬的土层作为基础的持力层设计成深基础。桩基具有承载力高、沉降量小而较均匀的特点，几乎可以应用于各种工程地质条件和各种类型的工程，尤其是适用于建筑在软弱地基上的重型建（构）筑物。在沿海以及软土地区，桩基应用比较广泛。根据制作方法可以分为预制桩和挖孔灌注桩。根据承力方式可以分为端承桩和摩擦桩。构造要求：(1)摩擦型桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍；扩底灌注桩的中心距不宜小于扩底直径的1.5倍，当扩底直径大于
14、2m时，桩端净距不宜小于1m。在确定桩距时还应考虑施工工艺中的挤土效应对相邻桩的影响；(2)扩底灌注桩的扩底直径不宜大于桩身直径的3倍，(3)预制桩的混凝土强度等级不应低于C30；灌注桩不应低于C20；预应力桩不应低于C40，(4)打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8%；静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6%；灌注桩的最小配筋率不宜小于0.2%0.65%(小直径取大值)；(5)桩顶嵌入承台的长度不宜小于50mm。桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度对HPB235级钢筋不宜小于30倍主筋直径。沉井基础用混凝土或钢筋混凝土制成的井筒式基础。沉井基础是先在地面制成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁
15、的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底形成基础。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔等的基础工程，以及水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。沉井基础施工时不需要板桩围护，技术上安全可靠，施工操作方便。比敞口明挖占地面积小，挖土量少，对邻近建筑物影响较小。同时，由于沉井基础埋置较深，稳定性好，能支撑较大的荷载。3.3基础类型的选择 在建筑的方案设计阶段，应在计算建筑总重力荷载的基础上计算与地基接触的面积上的所需要承受的荷载值pm，然后与该地基承载力的标准值fk相比较：若pm（1/31/4）fk，则宜采用条形基础或单独基础，具有较好的经济
16、性；若（1/31/4）fk pmfk，则可以采用十字交叉基础或片筏基础；若pmfk时，需要将荷载传入更深的土层，或增加基础与地基的接触面积，一般采用桩基础或沉井基础。4.地基计算4.1浅埋平面基础承载力计算（1）轴心荷载作用下，须满足如下条件：其中：pk为相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压应力；Fk为相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk为基础自重和基础底面以上的填土重；A为基础底面面积。fa为修正后的地基承载力特征值；（2）偏心荷载作用下，须同时满足以下两个条件：其中：Fk为相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk为基础自重和基础底面以
17、上的填土重；A为基础底面面积；fa为修正后的地基承载力特征值；Mk为相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值；W为基础底面的抵抗矩。V VMM 一般要求pmin 与pmax之间的差值不宜太大，如 pmin/pmax 值过小，表示基底压力分布很不均匀，容易引起过大的不均匀沉降应尽量避免。对于高层建筑的箱形和筏形基础，要求pmin 0。4.2桩基础承载能力计算 （1）按材料强度确定单桩竖向承载力 此时将桩基础视为一个轴向受力构件，并认为其失去承载能力首先表现为桩基被轴力压坏。此时竖向承载力设计值须满足：式中：R为单桩竖向承载力设计值；为混凝轴心受压构件的稳定系数；fc为混凝土轴心抗压强度设
18、计值；Ac为桩身横截面面积；fy为纵向受力钢筋的抗压强度设计值；As为纵向受力钢筋的截面面积;N为单桩基础轴向力设计值。（2）按静荷载实验确定单桩轴向承载力 静载试验是在施工现场进行的，主要考虑：a 地基土的支承能力；b 桩身材料强度对承载力的影响。根据规范规定，对于一级建筑物必须通过静荷载试验，同一条件下的试桩数不宜少于总桩数的1%，并不少于3根；工程桩总数在50根以内时，不应少于2根。对于地基条件复杂、桩的施工质量可靠性低等某些情况下的二级建筑桩基，也须通过静荷载试验。测出n根试桩极限承载力后，可通过统计的方法，确定竖向极限承载力的标准值：4.3地基变形计算 地基土在上部荷载作用下，比如会
19、产生地基变形，从而引起建筑物的沉降。地基的变形主要取决于建筑物所传来上部荷载的大小以及地基土的压缩性两个方面。过大的均匀沉降可能严重影响建筑物的正常使用；过大的不均匀沉降则有可能导致建筑物的产生裂缝、发生倾斜、甚至可能遭到破坏。不均匀沉降对建筑的危害远远大于均匀沉降。造成不均匀沉降的原因主要有：建筑物上部荷载分布不均匀，造成持力层地基土的附加应力不均匀；持力层地基土厚度分布不均匀，造成不同部位土体不均匀压缩变形；持力层地基土下卧层分布不均匀，造成土体总压缩变形的不均匀；基础持力层未选定在同一土层上，等等。上海展览中心馆位于上海市区延安中路北侧，中央大厅为框架结构，两层箱形基础，两翼采用条形基础
20、。地基为高压缩性淤泥质软土。于1954年5月开工，当年年底实测地基平均沉降量为60cm，1957年最大沉降量达146cm，1979年累计平均沉降量为160cm。由于地基严重下沉，不仅使散水倒坡，而且建筑物内外连接，内外网之间的水、暖、电管道断裂，正常使用受到严重影响。比萨斜塔1173年动工，1178年建至第4层中部因塔明显倾斜而停工。94年后复工，经6年时间建完第7层，再次停工中断82年。1360年再次复工，至1370年竣工，前后历经近200年。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。由于地基的不均匀下沉，塔身向南倾斜，南北两端沉降差 1.8m，塔顶离中心线已达 5.27m，倾斜5.5，成为危险
21、建筑。1990年被封闭。墨西哥城约自1850年开始超量抽取地下水，在19401974年间达到高峰。由于墨西哥城的持力层是一种高压缩性土，在超采水的情况下，18911973年整个老城下沉达8.7m，并造成地面道路、建筑及其它基础设施的破坏。1951年后，当地政府开始采取措施控制地下水的抽取，才使沉降速度逐步减缓。土层的自重应力pc 在天然地面以下，由于各土层本身的重力所引起的压应力称为自重应力。地基土的附加应力pz 自基础底面以下，由于建筑荷载或大面积新填土以及地下水位下降对地基引起的压应力称为基底附加应力。附加应力是基础底面总应力减去底面以上基础及填土自重引起的自重应力。用来表示因上部荷载的侵
22、入而导致原来只有自重应力作用下地基土压缩性的改变。对地基的应力分析是建立在一个基本假设地基土是由无数个直径相同的小圆球组成之上。当在地基表面上作用一个单位集中力时，会按一分为二的规律向下面与之接触的圆球传递，在基础底面附近的压力分布近似一条正态分布的曲线，当传递到一定深度后，这种现象越来越不明显。这个假设得到了实测值的佐证。因此对于承受建筑物压力的地基来说，附加应力的变化有以下特点：（1）附加应力向下和向四周逐渐衰减，趋于平淡；（2）当深度超过一定的范围之后，附加应力可以忽略不计，可以认为建筑物的存在对于这个深度以下的土层都没有影响。这个深度就称为地基的计算深度zn，通常取zn=b(2.5-0
23、.4lnb)。b为基础宽度。对地基在受建筑物荷载后引起的压缩变形，采用胡克定律（=/E）计算，然后分层累加，称为分层总和法。其中：S为地基计算深度内各土层最终压缩量的总和,即其上建筑物的沉降量；s为沉降计算的经验系数，Es越大，此值越小，一般取0.21.4;Si为第i个土层的最终压缩量；pz为第i个土层的平均附加应力；Esi为第i个土层土的压缩模量；hi为第i个土层的厚度。地基变形验算地基变形验算 建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值，须满足：s s 其中：s为地基计算沉降量；s 为地基变形允许值。对地基变形特征可分为以下四个方面：沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜 沉降量指基础某一点的
24、沉降量，通常指基础中点的沉降量。沉降量若过大，将影响建筑物的正常使用，如造成室内外上下水管、煤气管道的断裂等等。沉降差一般指相邻柱基中点的沉降量之差。相邻柱基沉降差过大，就会导致上部结构产生额外的应力，严重时，建筑物将发生裂缝、倾斜甚至破坏。对于框架结构和排架结构，设计时应由相邻柱基的沉降差控制。倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。对于高耸结构及长高比很小的高层建筑，其地基的主要特征变形是建筑物的整体倾斜。局部倾斜指砌体承重结构沿纵墙610m内基础两点的沉降差与其距离的比值。墙体局部倾斜大时，将会使其挠曲变形、开裂，影响正常使用。对于不同建筑物应选用对其影响最大的地基变形特征作为地
25、基允许变形的控制依据。对于砌体承重结构应由局部倾斜控制；对于框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降差控制；对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制。建筑物的地基变形允许值变形特征地基土类别中、低压缩性土高压缩性土砌体承重结构基础的局部倾斜0.0020.003工业与民用建筑相邻柱基的沉降差 框架结构 砌体墙填充的边排柱 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.002L0.0007L0.005L0.003L0.001L0.005L单层排架结构柱距为柱基的沉降量（mm）120（中性）200多层和高层建筑的整体倾斜 H24m 24m H60m 60m100m0.0040.0030.00250.0
26、02体型简单的高层建筑基础的平均沉降量（mm）200 L为相邻柱基的中心距离；H为自室外地面起算的建筑物高度；地基不均匀沉降的应对措施 （1）设置沉降缝 当建筑体型比较复杂时宜根据其平面形状和高度差异情况在适当部位用沉降缝将其划分成若干个刚度较好的单元；当高度差异或荷载差异较大时可将两者隔开一定距离当拉开距离后的两单元必须连接时应采用能自由沉降的连接构造。建筑物设置沉降缝的部位：建筑平面的转折部位 高度差异或荷载差异处 长高比过大的砌体承重结构或钢筋混凝土框架结构的适当部位 地基土的压缩性有显著差异处 建筑结构或基础类型不同处 分期建造房屋的交界处 沉降缝的宽度设置要求：（2）选用轻型结构减轻
27、墙体自重，采用架空地板代替室内填土；（3）设置地下室或半地下室采用覆土少自重轻的基础形式；（4）调整各部分的荷载分布基础宽度或埋置深度；（5）对不均匀沉降要求严格的建筑物可选用较小的基底设计压力；（6）对于建筑体型复杂荷载差异较大的框架结构可采用箱基桩基筏基等加强基础整体刚度减少不均匀沉降；（7）对于普通23层住宅，可在基础下挖下2至3米左右换填碎石。4.4地基稳定性计算 加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，单仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，基础埋深3.66m。谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重
28、量的42.5%。1913年10月当谷仓装了31822m3谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时间谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26，西端下沉7.32m，东端上抬1.52m。可见地基稳定性对结构安全具有重要意义。位于稳定土坡坡顶上的建筑，当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m。当边坡坡角大于45、坡高大于8m时，尚应按下页公式进行坡体稳定性验算。对经常受水平荷载作用的高层建筑和高耸结构以及建在斜坡上的建筑物，尚应验算地基地稳定性。地基稳定性可用圆弧滑动面法进行验算。最危险的滑动面上稳定安全系数K应符合下式要求：若考虑深层滑动时，滑动面可为软弱土层界面，即为一平面时，稳定安全系数应提高1.3。本章完