基礎(chǔ)工程的設(shè)計原則

第1章基礎(chǔ)工程的設(shè)計原則§1-1概述基礎(chǔ)工程是連接上部結(jié)構(gòu)與地基之間的過渡結(jié)構(gòu)。它的作用是將上部結(jié)構(gòu)承受的各種荷載安全傳遞全地基，并使地基在建筑物允許的沉降變形值內(nèi)正常工作，從而保證建筑物的正常使用。因此，基礎(chǔ)工程的設(shè)計必須根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳力體系的特點，建筑物對地下空間使用功能的要求；地基土質(zhì)的物理力學性質(zhì)，結(jié)合施工設(shè)備能力，考慮經(jīng)濟造價等各方面要求，合理選擇，比較基礎(chǔ)工程設(shè)計方案，具體問題具體分析。進行基礎(chǔ)工程設(shè)計時，應將地基、基礎(chǔ)視為一個整體，在基礎(chǔ)底面處滿足變形協(xié)調(diào)條件及靜力平衡條件（基礎(chǔ)底面的壓力之和與地基反力之和大小相等，方向相反）。作為支撐建筑物的地基如為天然狀態(tài)則為天然地基，若經(jīng)過人工處理則為人工地基?；A(chǔ)一般按埋置深度，施工方法分為淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)。荷載相對傳至淺部受力層，采用普通基坑開挖，敞坑排水的基礎(chǔ)稱為淺基礎(chǔ)，如磚混結(jié)構(gòu)的墻下條形基礎(chǔ)，柱下單獨基礎(chǔ)；柱下條形基礎(chǔ)，十字交叉基礎(chǔ)，片筏基礎(chǔ)，高層結(jié)構(gòu)的箱形基礎(chǔ)等。采用較復雜的施工方法將基礎(chǔ)埋置于深層地基中的基礎(chǔ)稱為深基礎(chǔ)。如樁基礎(chǔ)、沉井、地下連續(xù)墻等。本章只討論土木工程中常見的地基類型、基礎(chǔ)類型與基礎(chǔ)工程設(shè)計的基本原則。1-1-1基礎(chǔ)工程設(shè)計的目的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命，造成經(jīng)濟損失，產(chǎn)生社會影響等）的嚴重性，采用不同的安全等級，我國現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》將地基基礎(chǔ)設(shè)計分三個設(shè)計等級（表1.1.1）。同時，在設(shè)計規(guī)定的期限內(nèi)，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件只需進行正常的維護便可按其預定的目的使用，而不需進行修理加固。此為結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作壽命（表1.1.2）。根據(jù)具體的基礎(chǔ)安全等級，設(shè)計工作壽命分類，首先應對結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響，區(qū)分下列三種設(shè)計狀況：持久狀況。在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀況。持續(xù)期一般與設(shè)計工作壽命為同一數(shù)量級。短暫狀況。在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計工作壽命相比，持續(xù)期很短的狀況，如施工和維修等。偶然狀況。在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況，如火災，爆炸、撞擊等。表1-3地基基礎(chǔ)設(shè)計等級設(shè)計等級建筑和地基類型

甲級重要的工業(yè)與民用建筑；30層以上的高層建筑；體型復雜，層數(shù)相差超過10層的高低層連成一體建筑物；大面積的多層地下建筑物（如地下車庫、商場、運動場等）；對地基變形有特殊要求的建筑物；復雜地質(zhì)條件下的坡上建筑物（包括高邊坡）；對原有工程影響較大的新建建筑物；場地和地基條件復雜的一般建筑物；位于復雜地質(zhì)條件及軟土地區(qū)的二層及二層以上地下室的基坑工程乙級除甲級、丙級以外的工業(yè)與民用建筑物丙級場地和地基條件簡單、荷載分布均勻的七層及七層以下民用建筑及一般工業(yè)建筑；次要的輕型建筑物表L-6設(shè)計使用年限分類類別設(shè)計工作壽命（年）舉例11-5臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和一般建筑物4100及以上紀念性建筑及其它特殊重要建筑結(jié)構(gòu)1-1-2基礎(chǔ)工程設(shè)計的任務對于不同的設(shè)計狀況，可采用不同的結(jié)構(gòu)體系，并對該體系進行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)效應分析是基礎(chǔ)工程設(shè)計的主要任務。其一為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用效應分析，確定由于地基反力上部結(jié)構(gòu)荷載作用在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的作用效應。既基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力：彎矩、剪力、軸力等。其二根據(jù)擬定的基礎(chǔ)截面進行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗力及其它性能的分析，確定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)截面的承受能力及其性能。當按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，根據(jù)材料和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對作用的反應，可采用線性、非線性或塑性理論計算。當按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，可采用線性理論計算;必要時，可采用非線性理論計算。其計算的結(jié)果均應小于基礎(chǔ)材料的抵抗能力。例如軸壓基礎(chǔ)，基礎(chǔ)內(nèi)部的壓應力應小于基礎(chǔ)材料的軸心抗壓強度?！?-2地基基礎(chǔ)設(shè)計原則1-2-1概率極限設(shè)計法與極限狀態(tài)設(shè)計原則（略）1-2-2基礎(chǔ)工程設(shè)計基本資料荷載資料一般建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基三者分開獨立進行。以平面框架柱下條形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析為例：分析時首先求解荷載作用下框架柱底部的內(nèi)力，將該內(nèi)力作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受的外荷載施加于基礎(chǔ)頂面，根據(jù)靜力平衡條件求解基底反力；此時以柱腳內(nèi)力，基底反力作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受的荷載求解基礎(chǔ)內(nèi)力。進行地基計算時，則將基底反力反向施加于地基，作為外荷載根據(jù)不同的地基模型求解地基圖1-1地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)祠的常規(guī)分析簡圖的內(nèi)力與變形，從而驗算地基承載力和基礎(chǔ)沉降（圖1-1）。橋梁結(jié)構(gòu)將連續(xù)梁橋面與墩臺作為上部結(jié)構(gòu)，求解墩臺底面的內(nèi)力，該內(nèi)力作為基礎(chǔ)荷載施加于墩臺基礎(chǔ)頂面，其余分析同上（圖1-2）。因此基礎(chǔ)工程設(shè)計的第一份資料是按相關(guān)規(guī)范計算的傳至基礎(chǔ)頂面的荷載（包括軸力、剪力和彎矩）。地基基礎(chǔ)設(shè)計時，所采用的荷載效應最不利組合與相應的抗力限值應按下列規(guī)定：⑴按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數(shù)時，傳于基礎(chǔ)或承臺底面上的荷載效應應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準組合。相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值。⑵計算地基變形時，傳至基礎(chǔ)底面上的荷載效應應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的準永久組合，不應計入風荷載和地震作用。相應的限值應為地基變形允許值。⑶計算擋土墻土壓力、地基或斜坡穩(wěn)定及滑坡推力時，荷載效應按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，但其荷載分項系數(shù)為1.0。⑷在確定基礎(chǔ)或樁臺亮度、支擋結(jié)構(gòu)截面、計算基礎(chǔ)或支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、確定配筋和驗算材料強度時，上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載效應組合和相應的基底反力，應按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，采用相應的荷載分項系數(shù)。當需要驗算基礎(chǔ)裂縫寬度時，應按正常使用極限狀態(tài)荷載效應標準組合。⑸結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)Y0取值不應小于1.0。巖土工程勘察資料（略）原位測試資料（略）1-2-3地基基礎(chǔ)設(shè)計基本規(guī)定根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計等級及長期荷載作用下地基變形對上部結(jié)構(gòu)的影響程度，地基基礎(chǔ)設(shè)計應符合下列規(guī)定：⑴所有建筑物的地基計算均應滿足承載力計算的有關(guān)規(guī)定；⑵甲級、乙級建筑物、均應按地基變形設(shè)計；⑶表1-8所列范圍內(nèi)的丙級建筑物可不作變形驗算，如有下列情況之一時，仍應作變形驗算：1）地基承載力特征值小于130kPa，且體型復雜的建筑；2）在基礎(chǔ)上及其附近有地面堆載或相鄰基礎(chǔ)荷載差異較大，可能引起地基產(chǎn)生過大的不均勻沉降時；3）軟弱地基上的建筑物存在偏心荷載時；4）相鄰建筑距離過近，可能發(fā)生傾斜時；5）地基內(nèi)有厚度較大或薄不均的填土，其自重固結(jié)未完成時。⑷對經(jīng)常受水平荷載作用的高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和擋土墻等，以及建造在斜坡上或邊坡附近建筑物和構(gòu)筑物，尚應驗算其穩(wěn)定性；⑸基坑工程應進行穩(wěn)定性驗算；⑹當?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在地下室上浮問題時，尚應進行抗浮驗算。表1-8可不作地基變形計算的丙級建筑物范圍地基主要地基承載力特征值60<f,nk80<f,nk100<f,nk130<f,nk160<f,nk200<f,nk受力層情門郵）<80<100<130<160<200<300況各土層坡度（%）W5<5<10<10<10<10砌體承重結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)（層數(shù)）W5<5<5<6<6<7單吊車額定起重量（t）5?1010?1515?2020?3030?5050?100建單層排架跨廠房跨度（m）<12<18<24<30<30<30筑類結(jié)構(gòu)（6m柱距）多吊車額定起重量（t）3?55?1010?1515?2020?3030?75型跨廠房跨度（m）<12<18<24<30<30<30煙囪高度（m）<30<40<50<75<100高度（m）<15<20<30<30<30水塔容積(m3)<5050?100100?200200?300300?500500?1000注：①地基主要受力層系指條形基礎(chǔ)底面下深度為3b（b為基礎(chǔ)底面寬度），獨立基礎(chǔ)下為1.5b，且厚度均不小于5m的范圍（二層以下一般的民用建筑除外）；地基主要受力層中如有承載力特征值小于130kpa的土層時，表中砌體承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應符合地基規(guī)范第七章的有關(guān)要求；表中砌體承重結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)均指民用建筑，對于工業(yè)建筑可按廠房高度、荷載情況折合成與其相當?shù)拿裼媒ㄖ訑?shù)；表中吊車額定起重量、煙囪高度和水塔容積的數(shù)值系指最大值。從以上規(guī)定可以知道，基礎(chǔ)工程設(shè)計前必須對地基的強度、變形、穩(wěn)定性進行驗算。而在上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時，有些是通過構(gòu)造措施來保證，不需要進行具體的計算?；A(chǔ)內(nèi)力計算是根據(jù)基礎(chǔ)頂面作用的荷載，基礎(chǔ)底面土體的反力作為外荷載，運用靜力學、結(jié)構(gòu)力學的方法求解而進行。荷載組合要考慮多種荷載同時作用在基礎(chǔ)頂面，又要按承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)分別進行組合，并取各自的最不利組合進行設(shè)計計算。一般荷載效應組合的規(guī)定如下。正常使用極限狀態(tài)下，荷載效應的標準組合值Sk可用下式表示：SK=SGK+SQ1K+#c2SQ2K+……cnSQnK（卜1）式中SGK一按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值；SQiK—按可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值；甲c—可變荷載Q的組合值系數(shù)，按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定取值。承載能力極限狀態(tài)下，由可變荷載效應控制的基本組合設(shè)計值S,可用下式表達：S=YGSGK+YQ1SQ1K+YQ2“c2SQ2K++YQn"c2SQnK（I-2）式中YG—永久荷載的分項系數(shù)，按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定取值；YQ—第i個可變荷載的分項系數(shù)，按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定取值。對由永久荷載效應控制的基本組合，可采用簡化規(guī)則，荷載效應組合的設(shè)計值S按下式確定：S=1.35SkwR（1-3）式中R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值，按有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定確定；Sk一荷載效應的標準組合值。基礎(chǔ)頂面作用的荷載，來源于上部結(jié)構(gòu)的力學解答，是框架柱、排架柱的柱端軸力、剪力、彎矩值，或墻體底部的軸力數(shù)值。這些數(shù)值的取值應根據(jù)最不利條件選取。例如偏心受壓柱的柱端內(nèi)力值有四種組合：⑴+及相應的N、V；⑵-及相應的N、V；、叫H3K⑶及相應的M、V；,、"m瞰⑷及相應的M、V；以上四種狀況均可以傳遞至基礎(chǔ)與地基土層，因此在計算基礎(chǔ)底面尺寸時應以恒載為主，用第三種情況求解，而第一、二種情況也會發(fā)生，必須應用這二種情況求解基底最大壓力值，驗算基礎(chǔ)底面尺寸是否滿足。當計算基礎(chǔ)沉降變形時不應計入風荷載和地震作用，其計算值小于地基變形的允許值?！?-3地基類型1-3-1天然地基1.土質(zhì)條件在漫長的地質(zhì)年代中，巖石經(jīng)歷風化、剝蝕、搬運、沉積生成土。按地質(zhì)年代劃分為“第四紀沉積物”，根據(jù)成因的類型分為殘積物、坡積物和洪積物，平原河谷沖積物（河床、河漫灘、階地），山區(qū)河谷沖積物較前者沉積物質(zhì)粗、大多為砂料所充填的卵石，圓礫等。粗大的土粒是巖石經(jīng)物理風化作用形成的碎屑，或是巖石中未產(chǎn)生化學變化的礦物顆粒，如石英和長石等；而細小土料主要是化學風化作用形成的次生礦物和生成過程中混入的有機物質(zhì)。粗大土粒其形狀呈塊狀或粒狀，而細小土粒其形狀主要呈片狀。土按顆料級配或塑性指數(shù)可劃分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。碎石土和砂土的劃分應符合表1-9、表1-10的規(guī)定。表1-9碎石、礫石類土的分類土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超塊石棱角形為主過總重的50%卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆碎石棱角形為主粒超過總重的50%圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過角礫棱角形為主總重的50%注：分類時應根據(jù)粒組含量欄從上到下以最先符合者確定。表1-10砂土的分類土的名稱粒組含量礫砂粒徑大于2mm者占總重的25%?50%粗砂粒徑大于0.5mm者占總重的50%以上中砂粒徑大于0.25mm者占總重的50%以上細砂粒徑大于0.075mm者占總重的85%以上粉砂粒徑大于0.075mm者占總重的50%以上注：同上表注。粒徑大于0.075mm的顆粒不超過全部質(zhì)量50%,且塑性指數(shù)等于或小于10的土，應定為粉土。粘性土當塑性指數(shù)大于10,且小于或等于17時，應定為粉質(zhì)粘土；當塑性指數(shù)大于17時，應定為粘土。土質(zhì)地基一般是指成層巖石以外的各類土，在不同行業(yè)的規(guī)范中其名稱與具體劃分的標準略有不同，基本分為碎石土、砂土、粉土幾大類。地基與我們稱為土的材料組成成分相同，不同點是前者為承受荷載的那部分土體，而后者是對地殼組成部分除巖層、海洋外的統(tǒng)稱。由于地基是承受荷載的土體，因而在基礎(chǔ)底面?zhèn)鹘o土層的外荷作用下將在土體內(nèi)部產(chǎn)生壓、剪應力與相應的變形。根據(jù)布辛奈斯克（Boussinesq.J）解答可以得到土體的豎向壓應力沿深度的衰減曲線，當在某一深度處外荷引起的豎向壓應力值等于0.1ocz（ocz為該深度處土體的自重應力）時，基本將這一深度定為三維半無限空間土體中地基土體范圍的下限值，也可從變形計算中壓縮層厚度的概念確定其下限值（即在該值以下的土層產(chǎn)生的變形忽略不計）。地基土層的范圍確定后，并且構(gòu)筑物通過基礎(chǔ)傳給土層的外荷已知，地基土層的沉降變形即可求得。根據(jù)構(gòu)筑物的具體要求可計算施工階段的固結(jié)沉降、使用階段的最終沉降，其數(shù)值均應在允許范圍內(nèi)。土質(zhì)地基承受建筑物荷載時，土體內(nèi)部剪應力逐漸增大，其數(shù)值不得超過土體的抗剪強度，并由此確定了地基土體的承載力理論。由該理論確定的地基承載力是決定基礎(chǔ)底面尺寸的控制因素。其確定方法在土力學有關(guān)章節(jié)詳述。土質(zhì)地基處于地殼的表層，施工方便，基礎(chǔ)工程造價較經(jīng)濟，是房屋建筑，中、小型橋梁、涵洞、水庫、水壩等構(gòu)筑物基礎(chǔ)經(jīng)常選用的持力層。2.巖石地基當巖層距地表很近，或構(gòu)筑物荷載通過基礎(chǔ)底面?zhèn)鹘o土質(zhì)地基，地基土體承載力、變形驗算不能滿足相關(guān)規(guī)范要求時，則必需選擇巖石地基。例如我國南京長江大橋的橋墩基礎(chǔ)，三峽水庫大壩的壩基基礎(chǔ)等。巖石由于生成條件不相同，分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。它們具有足夠的抗壓強度，顆粒間有較強的連接，基本屬于連續(xù)介質(zhì)。它較土粒堆積而成的松散介質(zhì)的力學性能優(yōu)越許多。硬質(zhì)巖石的飽和單軸極限抗壓強度可高達60MPa以上，軟質(zhì)巖石的數(shù)值也在5MPa不等。其數(shù)量級與土質(zhì)地基的kPa單位相比，可認為擴大10倍以上，當巖層埋深淺，施工方便時，它應是最先首選的基礎(chǔ)工程持力層。而建筑物荷載在巖層中引起的壓、剪應力分布的深度范圍內(nèi)，往往不是一種單一的巖石，是若干種不同強度的巖石組成。同時由于地質(zhì)構(gòu)造運動引起地殼巖石變形和變位，形成巖層中有多個不同方向的軟弱結(jié)構(gòu)面，或有斷層存在。長期風化作用（晝夜、季節(jié)溫差，大氣及地下水中的侵蝕性化學成分的滲浸等）使巖體受風化程度加深，導致巖層的承載能力降低，變形量增大。根據(jù)風化程度巖石分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化。不等的風化等級對應不同的承載能力。實際工程中巖體中產(chǎn)生的剪應力沒有達到巖體的抗剪強度時，由于巖體中存在一些縱橫交錯的結(jié)構(gòu)面，在剪應力作用下該軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生錯動，使得巖石的抗剪強度降低，導致巖體的承載能力降低。所以當巖體中存在有延展較大的各類結(jié)構(gòu)面特別是傾角較陡的結(jié)構(gòu)面時，巖體的承載能力可能受該結(jié)構(gòu)面的控制。城市地下鐵道的修建，公路、鐵路中隧道的建設(shè)大部分是在巖石地基中形成地下洞室。洞室的洞壁與洞頂?shù)膸r層組成地下洞室圍巖。一般情況下，在查明巖體結(jié)構(gòu)特征和巖層中應力條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖體的強度和變形特點就可以判別圍巖的穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性與地下洞室某一洞段內(nèi)比較發(fā)育的，強度最弱的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)有并（包括張開度、充填物，起伏粗糙和延伸長壓等情況）。目前，國際、國內(nèi)的有關(guān)規(guī)范均以圍巖的巖石強度與壓應力比、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五項因素之和評定圍巖的穩(wěn)定性，同時采用圍巖強度與壓應力比對穩(wěn)定性進行分級。圍巖強度與壓應力比是反映圍巖應力大小與圍巖強度相對關(guān)系的定量指標。表1-11（略）列出國內(nèi)外關(guān)于圍巖強度與壓應力比值的分析資料，采用該指標控制各類圍巖的變形破壞特性。表中II類以上為圍巖中不允許出現(xiàn)塑性擠出變形，111類圍巖允許局部出現(xiàn)塑性變形。因此圍巖強度應力比數(shù)值在1、11類圍巖要求〉4，111類圍巖要求〉2，IV類圍巖要求〉1，否則圍巖類別要降低。1-3-2特殊人工曜土質(zhì)地基中含水量大于液限，孔隙比eN1.5或1.0We<1.5的新近沉積粘性土為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥混砂、泥炭及泥炭質(zhì)土。這類土具有強度低、壓縮性高、透水性差、流變性明顯和靈敏度高等特點，普遍承載能力較低。它們大部分是海河、黃河、長江、珠江等江河入海地區(qū)的主要地層。以上這類土都稱之為軟粘土。當建筑物荷載在基礎(chǔ)底部產(chǎn)生的基底壓力大于軟粘土層的承載能力或基礎(chǔ)的沉降變形數(shù)據(jù)超過建筑物正常使用的允許值時，土質(zhì)地基必須通過置換、夯實、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和化學處理等方法對軟土地基進行處理與加固，使其性能得以改善，滿足承載能力或沉降的要求，此時地基稱為人工地基。在軟土地基或松散地基（回填土、雜填土、松軟砂）中設(shè)置由散體材料（土、砂、碎石）等或弱膠結(jié)材料（石灰土、水泥土等）構(gòu)成加固樁柱體（亦稱增強體），與樁間土一起共同承受外荷載，這類由兩種不同強度的介質(zhì)組成的人工地基，稱為復合地基。復合地基中的樁柱體與樁基礎(chǔ)的樁不相同。前者是人工地基的組成部分，起加固地基的作用，樁柱體與土協(xié)調(diào)變形，共同受力，兩者是彼此不可分割的整體。后者將結(jié)構(gòu)荷載傳遞給深部地基土層，樁可單獨承受外荷載，由剛度大的材料組成且與承臺或上部結(jié)構(gòu)作剛性連接。樁柱體通過排水、擠土或原位攪拌等方式，使一部分地基土被置換為或轉(zhuǎn)變成具有較高強度和剛度的增強體，這種作用稱為置換作用。在成樁過程中砂石樁的排水作用，石灰樁的膨脹吸水作用對樁間土形成側(cè)向擠壓作用使土質(zhì)得以改善，這種作用稱之為擠密作用。人工地基一般是在基礎(chǔ)工程施工以前，根據(jù)地基土的類別、加固深度、上部結(jié)構(gòu)要求、周圍環(huán)境條件、材料來源、施工工期、施工技術(shù)與設(shè)備條件進行地基處理方案選擇、設(shè)計，力求達到方法先進、經(jīng)濟合理的目的?！?-4基礎(chǔ)類型1-4-1淺基礎(chǔ)單獨基礎(chǔ)小跨度橋梁墩臺下的墩式基礎(chǔ)、公共建筑中框架柱的獨立基礎(chǔ)均采用單獨基礎(chǔ)，或稱獨立基礎(chǔ)，見圖1-3。由于每個基礎(chǔ)的長、寬可以自由調(diào)整，因此框架柱荷載不等時，通常可以采用該類型基礎(chǔ)，調(diào)整相鄰柱的基礎(chǔ)底面積，控制不均勻沉降的差值達到允許值。有時墻下采用單獨基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)頂面設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁，并于梁上砌磚墻體。見圖1-4。單獨基礎(chǔ)（如磚、毛石、素混凝土等）滿足

剛度要求時，通常成為剛性基礎(chǔ)；而采用抗彎、抗剪強度高的鋼筋混凝土材料時，稱為柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，簡稱擴展基礎(chǔ)。圖1-4墻下單獨基礎(chǔ)（有鋼筋混凝土過梁）圖1-3柱下單獨基礎(chǔ)圖1-6柱下條形基礎(chǔ)圖1-5墻下條形基礎(chǔ)圖1-5墻下條形基礎(chǔ)條形基礎(chǔ)柱的荷載過大，地基承載力不足時，單獨基礎(chǔ)底面會連結(jié)一起形成柱下條形基礎(chǔ)承受一排柱列的總荷載，見圖1-5（略）。民用住宅砌體結(jié)構(gòu)大部分采用墻下條形基礎(chǔ)，此時按每延長米墻體傳遞的荷載計算墻下條形基礎(chǔ)的寬度。見圖1-6（略）。條形基礎(chǔ)分別采用抗彎、抗剪強度低和高的材料時，稱為剛性基礎(chǔ)和擴展基礎(chǔ)（墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)）。十字交叉基礎(chǔ)柱下條形基礎(chǔ)在柱網(wǎng)的雙向布置，相交于柱位處形成交叉條形基礎(chǔ)。當?shù)鼗浫酰W(wǎng)的柱荷載不均勻，需要基礎(chǔ)具有空間剛度以調(diào)整不均勻沉降時多采用此類型基礎(chǔ)，見圖1-7（略）。片筏基礎(chǔ)砌體結(jié)構(gòu)房屋的全部墻底部，框架、剪力墻的全部柱、墻底部用鋼筋混凝土厚板覆蓋全部地基土體的基礎(chǔ)形式稱為筏板基礎(chǔ)（如將廣闊的土體地基視為大海，則這平板就如一片竹筏從而稱為筏板基礎(chǔ)）。當持力層埋深較淺或經(jīng)人工處理得到硬殼持力層時采用墻下筏板基礎(chǔ)較為合理。柱下筏板基礎(chǔ)分為等厚度筏板基礎(chǔ)，沿縱、橫柱列方向加肋梁的筏板基礎(chǔ)。見圖1-8（略）。箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土的底板、頂板和內(nèi)外縱橫墻體組成的格式空間結(jié)構(gòu)。其埋深大、整體剛度好。由于箱形基礎(chǔ)剛度很大，在荷載作用下，建筑物僅發(fā)生大致均勻的沉降與不大的整體傾斜（見圖1-9,略）。箱形基礎(chǔ)的中空結(jié)構(gòu)型式，使得基礎(chǔ)自重小于開挖基坑卸去的土重，基礎(chǔ)底面的附加壓力值P0將比實體基礎(chǔ)減少，從而提高了地基土層的穩(wěn)定性，降低基礎(chǔ)沉降量。在地下水位較高的地區(qū)采用箱形基礎(chǔ)進行基坑開挖時，要考慮人工降低地下水位，坑壁支護和對相鄰建筑物的影響問題。其缺點是施工技術(shù)復雜、工期長、造價高。應與其他基礎(chǔ)方案比較后擇優(yōu)選用。1-4-2深基礎(chǔ)1.樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)是將上部結(jié)構(gòu)荷載通過樁穿過較弱土層傳遞給下部堅硬土層的基礎(chǔ)型式。它由若干根樁和承臺兩個部分組成。樁是全部或部分埋入地基土中的鋼筋混凝土（或其它材料）柱體。承臺是框架柱、橋墩蓋梁等上部結(jié)構(gòu)的錨固端，從而使上部結(jié)構(gòu)荷載可以向下傳遞。它又將全部樁頂箍住，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞給各樁使其共同承受外力。見圖1-10（略）。它多用于以下情況：⑴荷載較大，地基上部土層軟弱，適宜的地基持力層位置較深，采用淺基礎(chǔ)或人工地基在技術(shù)上、經(jīng)濟上不合理。⑵構(gòu)筑物荷載作用下，地基沉降計算結(jié)果超過有關(guān)規(guī)定或構(gòu)筑物對不均勻沉降敏感時，采用樁基礎(chǔ)穿過高壓縮土層，將荷載傳到較堅實土層，減小地基沉降并使沉降較均勻。另外樁基礎(chǔ)還能增強構(gòu)筑物的整體抗震能力。⑶當施工水位或地下水位較高，河道沖刷較大，河道不穩(wěn)定或沖刷深度不易計算準確而采用淺基礎(chǔ)施工困難時，多采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)按承臺位置分為高樁承臺基礎(chǔ)和低樁承臺基礎(chǔ)（見圖1-11,略）。按受力條件分類可分為端承樁、摩擦樁；按施工條件分類可分預制樁、灌注樁；按擠土效應分為大量排土樁、小量排土樁、不排土樁。當高層建筑荷載大時，箱形基礎(chǔ)、筏片基礎(chǔ)不能滿足沉降變形、承載能力要求時，往往采用樁箱基礎(chǔ)，樁筏基礎(chǔ)的型式。對于樁箱基礎(chǔ)，宜將樁布置于墻下；對于帶梁（肋）樁筏基礎(chǔ)，宜將樁布置于梁（肋）下；這種布樁方法對箱、筏底板的抗沖切、抗剪十分有利，可以減小箱基或筏基的底板厚度。

圖1-12沆井卷邪2.沉井和沉箱基礎(chǔ)圖1-12沆井卷邪沉井是井筒狀的結(jié)構(gòu)物，見圖1-12。它先在地面以上預定位置處預制井筒狀的結(jié)構(gòu)物，然后在井內(nèi)挖土、依靠自重克服井壁摩阻力下沉至設(shè)計標高，經(jīng)混凝土封底，并填塞井內(nèi)部，使其成為構(gòu)筑物基礎(chǔ)。沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時擋水和擋土圍堰結(jié)構(gòu)物，在橋梁工程中得到較廣泛的應用。沉井基礎(chǔ)的缺點是施工期較長，當其置于細（:■-:,；■-....：■-■砂及粉砂類土中，在井內(nèi)抽水時易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜;施工過程中遇到土層中有大孤石、樹干等下沉困難。沉井基礎(chǔ)多在下列情況采用：⑴上部結(jié)構(gòu)荷載較大，而表層地基土承載力不足，做深基礎(chǔ)開挖工作量大，基坑的坑壁在水、土壓力作用下支撐困難，而在一定深度下有好的持力層，采用沉井基礎(chǔ)較其他類型基礎(chǔ)經(jīng)濟合理。⑵在山區(qū)河流中，雖然土質(zhì)較好，但沖刷大，或河中有較大卵石不便樁基礎(chǔ)施工。⑶巖石表面較平、埋深淺，而河水較深，采用擴大基礎(chǔ)施工圍堰有困難時，多采用沉井基礎(chǔ)。沉箱是一個有蓋無底的箱形結(jié)構(gòu)物，見圖1-13（略）。水下施工時，為了保持箱內(nèi)無水，需壓入壓縮空氣將水排出，使箱內(nèi)保持的壓力在沉箱刃腳處與靜水壓力平衡。因而又為氣壓沉箱，簡稱沉箱。沉箱下沉到設(shè)計標高后用混凝土將箱內(nèi)部的井孔灌實，成為結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)。沉箱的優(yōu)點是整體性強，穩(wěn)定性好，能承受較大的荷載，沉箱底部的土體持力層質(zhì)量能得到保證。缺點是工人是在高壓無水條件下工作，在該條件下工作挖土效率不高甚至有害于健康。為了工人的安全，沉箱的水下下沉深度不得超過35m，使應用范圍受到限制。由于存在以上缺點，目前在橋梁基礎(chǔ)工程中較少采用氣壓沉箱基礎(chǔ)。地下連續(xù)墻是基坑開挖時，防止地下水滲流入基坑，支擋側(cè)壁土體坍塌，支護鄰近建筑物基礎(chǔ)及直接承受上部結(jié)構(gòu)荷載的基礎(chǔ)型式。它是在泥漿護壁條件下，使用開槽機械，在地基中按建筑物或構(gòu)筑物平面的墻體位置形成深槽，槽內(nèi)以鋼筋、混凝土為材料構(gòu)成地下鋼筋混凝土墻。地下連續(xù)墻的深度根據(jù)基坑支擋計算，使用功能相結(jié)合決定。寬度往往由施工機具的能力進行選擇。地下連續(xù)墻可穿過各種土層進入基巖，有地下水時無須采取降低地下水的措施。用它作為建筑物或構(gòu)筑物的基礎(chǔ)時，可以地下、地上同時施工，因此對于地面以上的結(jié)構(gòu)物，在工期緊張的情況下，采用“逆筑法施工提供了可能。目前在橋臺、箱基、地下車庫、地鐵車站、碼頭等工程中都有實用成功的實例。它即是地下工程施工時的圍護結(jié)構(gòu)，又是永久建筑物或構(gòu)筑物的地下結(jié)構(gòu)部分。§1-5地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同工作1-5-1共同工作的概念砌體結(jié)構(gòu)的多層房屋由于地基不均勻沉降而產(chǎn)生開裂，見圖1-14。這說明上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基三者不僅在二者的接觸面上保持靜力平衡（例基礎(chǔ)底面處基底壓力與基底反力平衡），并且三者是相互聯(lián)系成整體來承擔荷載并發(fā)生變形。這時，三部分都將按各自的剛度對變形產(chǎn)生相互制約的作用。從而使整個體系的內(nèi)力和變形（墻體產(chǎn)生斜拉裂縫）發(fā)生變化。因此，原則上應該以地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)之間必須同時滿足靜力平衡和變形協(xié)調(diào)兩個條件為前提，揭示它們在外荷作用下相互制約，彼此影響的內(nèi)在聯(lián)系，達到經(jīng)濟、安全的設(shè)計目的。上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)不均勻沉降或撓曲變形的抵抗能力稱為上部結(jié)構(gòu)的剛度。整個承重體系對基礎(chǔ)的不均勻沉降有很大的順從性稱為柔性結(jié)構(gòu)，如屋架一一柱一一基礎(chǔ)為承重體系的結(jié)構(gòu)和排架結(jié)構(gòu)。對基礎(chǔ)不均勻沉降反應較強烈的磚石砌體承重結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)稱為敏感結(jié)構(gòu)。水塔、高爐這類上、下結(jié)構(gòu)渾然一體，整個結(jié)構(gòu)體系剛度很大稱為剛性結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)的剛度不同在地基發(fā)生變形時對不均勻沉降順從反應不同。這說明體系的三部分在求解其中某一部分（例基礎(chǔ)）的內(nèi)力、變形時，必須考慮其它二部分對其的影響。在共同工作中起主導作用的依次是上部結(jié)構(gòu)，其次才是地基土體和基礎(chǔ)，因而在對基礎(chǔ)工程進行內(nèi)力、變形求解時往往要考慮地基與基礎(chǔ)的相互作用。1.5.2地基與基礎(chǔ)的相互作用基礎(chǔ)內(nèi)力求解時，基底反力是作用在基礎(chǔ)上的重要荷載，由于基礎(chǔ)剛度對地基變形的順從性差別較大，因而使基壓反力的分布規(guī)律不相同。對于柔性基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的撓度曲線為中部大、邊緣小，見圖1-15a（略）。如果要基礎(chǔ)底面的撓度曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槌两蹈鼽c相同的直線，則基礎(chǔ)必須具有無限大的抗彎剛度，受荷后基礎(chǔ)不產(chǎn)生撓曲，當基礎(chǔ)頂面承受的外荷載合力通過基底形心時，基底的沉降處處相等。此類基礎(chǔ)稱為剛性基礎(chǔ)，見圖1-15b（略），即沉降后基礎(chǔ)底面仍保持平面。因此與剛性基礎(chǔ)相比，柔性基礎(chǔ)時，只有增大邊緣處的變形值，減小中部的變形值，才可能達到沉降后基礎(chǔ)底面保持平面的目的。變形是與基底反力數(shù)值息息相關(guān)，此時基底反力的分布必須中間數(shù)值減小，邊緣數(shù)值增大。剛性基礎(chǔ)這種跨越基底中部，將荷載相對集中地傳至基底邊緣的現(xiàn)象叫做基礎(chǔ)的“架越作用”。由于基礎(chǔ)的架越作用使邊緣處的基底反力增大，但根據(jù)庫侖定律與極限平衡理論，其數(shù)值不可能超過地基土體的強度，因而勢必引起基底反力的重新分布。有些試驗在基礎(chǔ)底面埋設(shè)壓力盒實測的基底反力的分布圖為馬鞍形，證明了這一觀點。隨著荷載的增加，基底邊緣處土體的剪應力增大與其抗剪強度達到極限平衡時，土體中產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的土體退出工作，繼續(xù)增加的荷載必須靠基底中部反力的增大來平衡，因而基底反力圖由馬鞍形逐漸變?yōu)閽佄锞€形，地基土體接近整體破壞時將成為鐘形。綜上所述，基底反力的數(shù)值求解與基礎(chǔ)剛度關(guān)系密切。基底壓力是地基土體產(chǎn)生沉降變形的根本原因，因此土力學中關(guān)于地基計算模型的理論確定了地基沉降與基底壓力之間的數(shù)學計算方法后，其解答可求得基礎(chǔ)底面某點處的土體沉降變形數(shù)值。該數(shù)值應與基礎(chǔ)在該點的撓度數(shù)值相等。兩個相等的量可以建立方程，在該點基底反力與基底壓力相等，地基土體沉降數(shù)值與基礎(chǔ)底面撓度數(shù)值相等，兩個方程可以解決基底反力與沉降變形數(shù)值的計算問題。但由于建立的是微分方程，其解析解只能在簡單的情況下得出。其他情況必須利用有限單元法或有限差分法等求得問題的數(shù)值解。1-5-3線性變形體的地基計算模型文克爾地基模型

1867年文克爾(Winkler)提出土體表面任一點的壓力強度與該點的沉降成正比的假設(shè)。即P=k?S(1-4)式中P-土體表面某點單位面積上的壓力，kN/m2；S-相應于某點的豎向位移，m；k—基床系數(shù)kN/m3。表1-12基床系數(shù)k的經(jīng)驗值土的類別基床系數(shù)k(104kN/m3)弱淤泥質(zhì)或有機土0.5?1.0粘性土軟弱狀態(tài)1.0?2.0可塑狀態(tài)2.0?4.0硬塑狀態(tài)4.0?10.0砂土松散狀態(tài)1.0?1.5中密狀態(tài)1.5?2.5密實狀態(tài)2.5?4.0中密的礫石土2.5?4.0黃土及黃土狀粉質(zhì)粘土4.0?5.0注：本表適用于建筑物面積大于10m2o當?shù)鼗宪浫?例如淤泥、軟粘土地基)，或當?shù)鼗膲嚎s層較薄，與基礎(chǔ)最大的水平尺寸相比成為很薄的“墊層”時，宜采用文克爾地基模型進行計算。公式中的基床系數(shù)可按靜載荷實驗結(jié)果確定或按壓縮實驗確定。國內(nèi)外的學者與工程技術(shù)人員根據(jù)實驗資料和工程實踐對基床系數(shù)的確定積累了經(jīng)驗數(shù)值如表1-12、表1-13所示，供參考。表1-13Bowles提出的k值范圍土類k(kcf)K(kN/m3)松砂中等密實砂密實砂中密的粘質(zhì)砂土中密粉砂粘土：q=200kPa(4ksf)200>qM400kPauq>800kPa30?10060?500400?800200?500150