學習單元1 設計地基應了解的基本概念
知識目標
1.了解地基與基礎的基本概念。
2.掌握地基與基礎在建筑工程中的重要性及設計原理。
3.了解地基與基礎的發展概況。
技能目標
1.通過了解地基與基礎的基本概念，明確地基與基礎的關系。
2.掌握地基與基礎在建筑工程中的重要性及設計原理，并了解地基與基礎的發展概況。
基礎知識
地基和基礎設計是整個建筑物設計過程中的一個重要環節。任何建筑物都建筑在一定的巖土體上，建筑物通過基礎將荷載傳遞到地基中。地基和基礎設計的合理穩定是上部結構能夠安全和正常使用的重要保障。設計時，要重視地基條件的復雜性，充分考慮場地的工程地質和水文地質條件，結合建筑物的使用要求、結構特點及施工條件等因素，使基礎工程做到安全可靠、經濟合理、技術先進和便于施工。
一、地基
（一）地基的概念
地基是指建筑物下面支承基礎的土體或巖體，起著直接承受建筑物荷載的作用。作為建筑地基的土層分為巖石、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兩類。
?小提示
天然地基是指未經過人工處理就可以滿足設計要求的地基。如果地基軟弱，其承載力不能滿足設計要求，則需對地基進行加固處理。例如采用換土墊層、深層密實、排水固結、化學加固、加筋土技術等方法進行處理，稱為人工地基。
（二）建筑物的地基面臨的一般性問題
1.強度及穩定性問題
當地基的抗剪強度不足以支承上部結構的自重及外荷載時，地基就會產生局部或整體剪切破壞。它會影響建（構）筑物的正常使用。地基的穩定性或地基承載力大小，主要與地基土體的抗剪強度有關，也與基礎形式、大小和埋深有關。承載力較低的地基容易產生地基承載力不足問題而導致工程事故。
2.變形問題
地基變形主要與荷載大小和地基土體的變形特性有關，也與基礎形式、基礎尺寸大小有關。高壓縮性土的地基容易產生變形問題。當地基在上部結構的自重及外界荷載的作用下產生過大的變形時，會影響建（構）筑物的正常使用；當超過建筑物所能容許的不均勻沉降時，結構可能開裂。
?小提示
一些特殊土地基在大氣環境改變時，由于自身物理力學特性的變化而往往會在上部結構荷載不變的情況下產生一些附加變形。這些變形都不利于建（構）筑物的安全。
3.滲漏問題
滲漏是由于地基中地下水運動產生的問題。地基滲漏問題主要與地基中水力比降大小和土體的滲透性有關。滲漏問題分為兩種情況：
（1）水量流失。水量流失是由于地基土的抗滲性能不足而造成水量損失，從而影響工程的儲水或防水性能，或者造成施工不便。
（2）滲透變形。滲透變形是指滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動，導致土體變形。滲透變形又分為流土和管涌。在堤壩工程和地下結構施工過程中，經常會發生由于滲透變形造成的工程事故。
4.液化問題
在動力荷載（地震、機器以及車輛、爆破和波浪）作用下，會引起飽和松散砂土（包括部分粉土）產生液化，它是使土體失去抗剪強度并形成近似液體特性的一種動力現象，還會造成地基失穩和震陷。當建筑物的天然地基存在上述問題之一或其中幾個時，需要對天然地基進行地基處理。天然地基通過地基處理，形成人工地基，從而滿足建筑物對地基的各種要求。
5.沉降、水平位移和不均勻沉降問題
當地基在上部結構的自重及外荷載作用下產生過大的變形時，會影響結構物的正常使用，特別是超過建筑所能容許的不均勻沉降時，結構可能開裂破壞。
（三）地基的類型
1.天然地基
如果天然土層具有足夠的承載力，不需要經過人工改良和加固，就可直接承受建筑物的全部荷載并滿足變形要求，可稱這種地基為天然地基。巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土等，一般均可作為天然地基。
2.人工地基
當土層的承載能力較低或雖然土層較好，但因上部荷載較大，土層不能滿足承受建筑物荷載的要求時，必須對土層進行地基處理，以提高其承載能力，改善其變形性質或滲透性質，這種經過人工方法進行處理的地基稱為人工地基。
二、基礎
（一）基礎的概念
建筑物埋入土層一定深度的向地基傳遞荷載的下部承重結構稱為基礎。根據不同的分類方法，基礎有多種形式，但不論是何種基礎形式，其結構本身均應具有足夠的承載力和剛度，在地基反力作用下不發生破壞，并應具有改善沉降與不均勻沉降的能力。通常把埋置深度不大（一般小于5m），只需經過挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起來的基礎統稱為淺基礎（各種單獨的和連續的基礎）。反之，淺層土質不良，而需把基礎埋置于深處土質較好的地層時，就要借助特殊的施工方法，建造各種類型的深基礎（樁基礎、沉井及地下連續墻等）。
（二）基礎的類型
基礎類型很多，按基礎埋置深度的不同可分為深基礎和淺基礎，埋深小于5m的稱為淺基礎，埋深大于5m的稱為深基礎；按基礎材料及受力特點，分為剛性基礎和非剛性基礎；按構造形式，分為條形基礎、獨立基礎、筏形基礎、箱形基礎、樁基礎等，如圖1-2所示。
圖1-2 基礎類型
1.按材料及受力特點分類
（1）剛性基礎。由剛性材料制作的基礎稱為剛性基礎。一般只有抗壓強度高，而抗拉、抗剪強度較低的材料被稱為剛性材料。常用的有磚、灰土、混凝土、三合土、毛石等。為了保證基礎不被剪力、拉力破壞，基礎必須具有相應的高度。通常按剛性材料的受力情況，基礎在傳力時只能控制在材料的允許范圍內。這個控制范圍的夾角成為剛性角，用α表示。磚石基礎的剛性角控制在1:1.25~1:1.50（26°~33°）以內，混凝土基礎剛性角控制在1:1（45°）以內。剛性基礎底面寬度的增大要受剛性角的限制，如圖1-3所示。
圖1-3 剛性基礎
?小提示
在剛性材料構成的基礎中，墻或柱傳來的壓力是沿一定角度分布的。在壓力分布角度內，基礎底面受壓而不受拉，這個角度稱為剛性角。當剛性基礎底部寬度超過剛性角的控制范圍時，基礎底部將產生拉應力而破壞。因此，當基礎擴大時，為了保證基礎底面不受拉，必須保證基礎放大部分在剛性角的范圍內。為設計施工方便，一般將剛性角換算成α的正切值B/H，即用寬高比表示剛性角。
（2）非剛性基礎。當建筑物的荷載較大而地基承載能力較小時，由于基礎底面寬度需要加寬，若仍采用素混凝土材料，勢必導致基礎深度也要加大。這樣，既增加了挖土工作量，又會使材料用量增加，對工期和造價都十分不利。如果在混凝土基礎的底部配以鋼筋，利用鋼筋來承受拉力，就會使基礎底部能夠承受較大彎矩。這時，基礎寬度的加大不受剛性角的限制，如圖1-4、圖1-5所示。
圖1-4 墻下鋼筋混凝土條形基礎構造
圖1-5 鋼筋混凝土獨立基礎
2.按基礎的構造形式分類
（1）條形基礎。當建筑物上部結構采用墻承重時，基礎沿墻身設置，多呈長條形，如圖1-2所示。這類基礎稱為條形基礎。條形基礎的基礎長度遠大于其寬度，按上部結構形式，可分為墻下條形基礎和柱下條形基礎，條形基礎是墻承式建筑基礎的基本形式。
?小提示
當上部結構荷載較大而土質較差時，可采用混凝土或鋼筋混凝土建造，墻下鋼筋混凝土條形基礎一般做成無肋式；如地基在水平方向上壓縮性不均勻，為了增加基礎的整體性，減少不均勻沉降，也可做成有肋式的條形基礎。
（2）獨立基礎。獨立基礎又分為柱下獨立基礎和墻下獨立基礎。獨立基礎的形狀有階梯形、錐形和杯形等，如圖1-6所示。其優點是土方工程量少，便于地下管道穿過，節省用料，但整體剛度差。當地基條件較差或上部荷載較大時，在承重的結構柱下使用獨立柱基礎已不能滿足其承受荷載和整體要求。為了提高建筑物的整體剛度，避免不均勻沉降，常將柱下獨立基礎沿縱向和橫向連接起來，做成十字交叉的井格基礎。
圖1-6 獨立基礎
獨立式基礎是柱下基礎的基本形式，當柱采用預制構件時，則把基礎做成杯口形，然后將柱子插入并嵌固在杯口內，故稱杯型基礎，如圖1-6（c）所示。
（3）筏形基礎。當建筑物上部荷載較大，而建造地點的地基承載能力又比較差，墻下條形基礎或柱下條形基礎不能適應地基變形的需要時，可將墻或柱下基礎面擴大為整片的鋼筋混凝土板狀基礎形式，形成筏形基礎。筏形基礎整體性好，能調節基礎各部分不均勻沉降。筏形基礎又分為梁板式和平板式兩種類型，如圖1-7所示。
圖1-7 筏形基礎
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梁板式筏形基礎由鋼筋混凝土筏板和肋梁組成，在構造上如同倒置的肋形樓蓋；平板式筏形基礎一般由等厚的鋼筋混凝土平板構成，構造上如同倒置的無梁樓蓋。為了滿足抗沖擊要求，常在柱下做柱托。柱托可設在板上，也可設在板下。當設有地下室時，柱托應設在板底。
筏形基礎的整體性好，能調節基礎各部分的不均勻沉降，常用于建筑荷載較大的高層建筑。
（4）箱形基礎。當筏形基礎做得很深時，常將基礎改成箱形基礎。箱形基礎是由鋼筋混凝土底板、頂板和若干縱、橫隔墻組成的整體結構，基礎的中空部分可用作地下室（單層或多層）或地下停車庫。箱形基礎整體空間剛度大，整體性強，能抵抗地基的不均勻沉降，較適用于高層建筑或在軟弱地基上建造的重型建筑物，如圖1-8所示。
圖1-8 箱形基礎
1—側壁；2—頂板；3—內壁；4—柱；5—底板
（5）樁基礎。樁基礎由承臺和群樁組成，如圖1-9、圖1-10、圖1-11所示。樁基礎的類型很多，按樁的形狀和豎向受力情況，可分為摩擦樁和端承樁；按樁的材料，分為混凝土樁、鋼筋混凝土樁和鋼樁；按樁的制作方法，有預制樁和灌注樁兩類。目前，較常用的是鋼筋混凝土預制樁和灌注樁。
圖1-9 樁基礎的組成圖
圖1-10 樁基礎示意圖
圖1-11 樁基礎
（6）十字交叉條形基礎。當荷載很大，采用柱下條形基礎不能滿足地基基礎設計要求時，可采用雙向的柱下鋼筋混凝土條形基礎形成的十字交叉條形基礎（又稱交叉梁基礎），如圖1-12所示。這種基礎縱橫向均具有一定的剛度。
圖1-12 十字交叉條形基礎
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當地基軟弱且在兩個方向的荷載和土質不均勻時，十字交叉條形基礎對不均勻沉降具有良好的調整能力。
（7）殼體基礎。正圓錐形及其組合形式的殼體基礎，用于一般工業與民用建筑柱基和筒形的構筑物（如煙囪、水塔、料倉、中小型高爐等）基礎，如圖1-13所示這種基礎使大部分徑向內力轉變為壓應力，可比一般梁、板式的鋼筋混凝土基礎減少混凝土用量50%左右，節約鋼筋30%以上，具有良好的經濟效果。但殼體基礎施工時，修筑土臺的技術難度大，易受氣候因素的影響，布置鋼筋及澆搗混凝土施工困難，較難實行機械化施工。
圖1-13 殼體基礎的結構形式
三、地基與基礎的關系
地基與基礎之間相互影響，相互制約。
（一）對地基與基礎的要求
1.對地基的要求
（1）地基應具有一定的承載力和較小的壓縮性。
（2）地基的承載力應分布均勻。在一定的承載條件下，地基應有一定的深度范圍。
（3）要盡量采用天然地基，以降低成本。
2.對基礎的要求
（1）基礎要有足夠的強度，能夠起到傳遞荷載的作用。
（2）基礎的材料應具有耐久性，以保證建筑的持久使用。因為基礎處于建筑物最下部并且埋在地下，對其維修或加固是很困難的。
（3）在選材上盡量就地取材，以降低造價。
（二）地基、基礎與荷載的關系
地基承受著由基礎傳來的建筑物的全部荷載。地基在建筑物荷載作用下的應力和應變隨著土層深度的增加而減小，在達到一定深度后就可以忽略不計。直接承受荷載的土層稱為持力層，持力層以下的土層稱為下臥層，如圖1-14所示。
圖1-14 地基、基礎與荷載的關系
建筑物的總荷載用N表示。地基在保持穩定的條件下，每平方米所能承受的最大垂直壓力稱為地基承載力，用R表示。由于地基承載力一般小于建筑物地上部分的強度，所以基礎底面需要比上部結構寬（底面寬為B），基礎底面積用A表示。當R≥N/A時，說明建筑物傳給基礎底面的平均壓力不超過地基承載力，地基能夠保證建筑物的穩定和安全。
?小提示
地基對保證建筑物的堅固耐久性具有非常重要的作用?；A傳給地基的荷載如果超過地基的承載能力，地基就會出現較大的沉降變形和失穩，甚至會出現土層滑移，直接影響建筑物的安全和正常使用。在建筑設計中，當建筑物總荷載確定時，可通過增加基礎底面積或提高地基的承載力來保證建筑物的穩定和安全。
四、地基與基礎在建筑工程中的重要性及設計原理
建筑物的地基、基礎和上部結構三個部分，雖然各自的功能不同，研究方法相異，然而，對一座建筑物來說，在荷載作用下，這三個部分卻是彼此聯系、相互制約的整體。
地基與基礎是建筑物的根本，又屬于地下隱蔽工程。其勘察、設計和施工質量直接關系著建筑物的安危。實踐表明，很多建筑物事故的發生與地基和基礎有關，而且，地基與基礎事故一旦發生，補救并非易事。另外，基礎工程費用與建筑物總造價的比例，視其復雜程度和設計、施工的合理與否，可以變動在百分之幾到百分之幾十之間。因此，地基與基礎在建筑工程中的重要性是顯而易見的。在工程實踐中，只要嚴格遵循基本建設原則，按照勘察——設計——施工的先后順序，并切實抓好這三個環節，那么，地基與基礎事故一般是可以避免的。
地基與基礎設計是整個建筑物設計的重要組成部分。它與建筑物的安全和正常使用有著密切的關系。設計時，要考慮場地的工程地質和水文地質條件，同時也要考慮建筑物的使用要求、上部結構特點及施工條件等各種因素，使基礎工程做到安全可靠、經濟合理、技術先進且便于施工。
?小技巧
地基與基礎在設計時應考慮的因素
一般認為，地基與基礎在設計時應考慮的因素如下所述。
（1）施工期限、施工方法及所需的施工設備等。
（2）在地震區，應考慮地基與基礎的抗震性能。
（3）基礎的形狀和布置，以及與相鄰基礎和地下構筑物、地下管道的關系。
（4）建造基礎所用的材料與基礎的結構形式。
（5）基礎的埋置深度。
（6）地基土的承載力。
（7）上部結構的類型、使用要求及其對不均勻沉降的敏感度。
五、地基發展概況
在古代，科學技術發展水平的限制，建筑物大多是依托天然地基。中國遠古先民在在史前的建筑活動中，就已創造了地基與基礎工藝。我國陜西西安半坡遺址和河南安陽殷墟遺址的考古發掘中都發現有土臺和石礎，這就是古代“堂高三尺、茅茨土階”（語見《韓非子》）建筑的地基與基礎形式。我國歷代修建的無數建筑物都出色地體現了古代勞動人民在地基與基礎工程方面的高超水平。舉世聞名的長城、大運河，如不處理好巖土的有關問題，就不能穿越各種地質條件的廣闊地區，而被譽為亙古奇觀；宏偉壯麗的宮殿寺院，要依靠精心設計建造的地基與基礎，才能逾千百年而留存至今；遍布各地的高塔，是由于奠基牢固，才經歷多次強震強風的考驗而安然無恙。這些事實就是地基與基礎學科發展的證明。
18世紀歐洲工業革命開始以后，隨著工業化的發展，人們開始對基礎工程加以重視并開展研究。當時在理論上提出了砂土抗剪強度公式和土壓力理論等。20世紀20年代，太沙基歸納了以往在土力學方面的主要成就，發表了《土力學》和《工程土質學》等專著，為人們研究人工地基基礎提供了理論基礎，也帶動了各國學者對基礎工程各方面進行研究和探索。
現代科技成就，尤其是電子技術，滲入土力學與基礎工程的研究領域。在實現試驗測試技術自動化、現代化的同時，人們對土的基本性質又有了更進一步的認識。隨著電子計算機的迅速發展和數值分析法的廣泛應用，科學研究和工程設計更具備了強有力的手段，使土力學理論和基礎工程技術也出現了令人矚目的進展。因此，有人認為，1957年召開的第四屆國際土力學與基礎工程會議標志著一個新時期的開始。正是在這個時期，我國工程科技工作者以朝氣蓬勃的姿態進入了國際土力學與基礎工程科技交流發展的行列。1962年全國土力學與基礎工程學術討論會已成為本學科迅速進展的里程碑。我國在土力學與基礎工程各個領域的理論與實踐新成就難以盡述。
隨著基礎工程技術的進步，出現了各種形式的人工地基基礎，其所涉及的地基與基礎共同作用問題正是目前土力學界所關注的尚未完全解決的問題。