基础工程的基本知识

子项5.1　基础工程的基本知识

任何建筑物都建造在地层上，建筑物的全部荷载均由它下面的地层来承担。受建筑物荷载影响的那一部分地层称为地基；建筑物在地面以下并将上部荷载传递至地基的结构就是基础；基础上建造的是上部结构，如图5.1所示。基础底面至地面的距离，称为基础的埋置深度。直接支撑基础的地层称为持力层，在持力层下方的地层称为下卧层。地基基础是保证建筑物安全和满足使用要求的关键之一。

基础的作用是将建筑物的全部荷载传递给地基。和上部结构一样，基础应具有足够的强度、刚度和耐久性。地基和基础是建筑物的根基，又属于地下隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。在建筑工程事故中，地基基础方面的事故为最多，而且地基基础事故一旦发生，补救异常困难。从造价或施工工期上看，基础工程在建筑物中所占比例很大，有的工程可达30%以上。因此，地基及基础在建筑工程中的重要性是显而易见的。

图5.1　地基及基础示意

5.1.1　基础分类

1）按基础材料分类

基础应具有承受荷载、抵抗变形和适应环境影响的能力，即要求基础具有足够的强度、刚度和耐久性。选择基础材料，首先要满足这些技术要求，并与上部结构相适应。

常用的基础材料有砖、毛石、灰土、三合土、混凝土和钢筋混凝土等。下面简单介绍这些基础的性能和适应性。

（1）砖基础

砖砌体具有一定的抗压强度，但抗拉强度和抗剪强度低。砖基础所用的砖，强度等级不低于MU7.5，砂浆不低于M2.5。在地下水位以下或当地基土潮湿时，应采用水泥砂浆砌筑。在砖基础底面以下，一般应先做100mm厚的C10或C7.5的混凝土垫层。砖基础取材容易，应用广泛，一般可用于6层及6层以下的民用建筑和砖墙承重的厂房。

（2）毛石基础

毛石是指未加工的石材。毛石基础采用未风化的硬质岩石，禁用风化毛石。由于毛石之间间隙较大，如果砂浆黏结的性能较差，则不能用于多层建筑，且不宜用于地下水位以下。但毛石基础的抗冻性能较好，北方也用来作为7层以下的建筑物的基础。

（3）灰土基础

灰土是用石灰和土料配制而成的。石灰以块状为宜，经熟化1～2d后过5mm筛立即使用。土料应用塑性指数较低的粉土和黏性土为宜，土料团粒应过筛，粒径不得大于15mm。石灰和土料按体积配合比为3∶7或2∶8拌和均匀后，在基槽内分层夯实。灰土基础宜在比较干燥的土层中使用，其本身具有一定的抗冻性。在我国华北和西北地区，广泛用于5层及5层以下的民用建筑。

（4）三合土基础

三合土是由石灰、砂和骨料（矿渣、碎砖或碎石）加水混合而成。施工时石灰、砂、骨料按体积配合比为1∶2∶4或1∶3∶6拌和均匀后再分层夯实。三合土的强度较低，一般只用于4层及4层以下的民用建筑。

（5）混凝土基础

混凝土基础的抗压强度、耐久性和抗冻性比较好，其混凝土强度等级一般为C10以上。这种基础常用在荷载较大的墙柱处。如在混凝土基础中埋入体积占25%～30%的毛石（石块尺寸不宜超过300mm），即做成毛石混凝土基础，可以节省水泥用量。

（6）钢筋混凝土基础

钢筋混凝土是基础的良好材料，其强度、耐久性和抗冻性都较理想。由于它承受力矩和剪力的能力较好，故在相同的基底面积下可减少基础高度。因此常在荷载较大或地基较差的情况下使用。

除钢筋混凝土基础外，上述其他各种基础属无筋基础。无筋基础的抗拉抗剪强度都不高，为了使基础内产生的拉应力和剪应力不过大，需要限制基础沿柱、墙边挑出的宽度，因而使基础的高度相对增加。因此，这种基础几乎不会发生挠曲变形，习惯上把无筋基础称为刚性基础。钢筋混凝土基础称为柔性基础。

2）按结构形式分类

（1）钢筋混凝土独立基础

主要是柱下基础，通常有现浇台阶形基础、现浇锥形基础和预制柱的杯口形基础，如图5.2所示。杯口形基础又可分为单肢和双肢杯口形基础、低杯口形基础和高杯口形基础。轴心受压柱下基础的底面形状为正方形，而偏心受压柱下基础的底面形状为矩形。

图5.2　柱下钢筋混凝土扩展基础

（2）钢筋混凝土条形基础

钢筋混凝土条形基础可分为：墙下钢筋混凝土条形基础（图5.3）、柱下钢筋混凝土条形基础（图5.4）和十字交叉钢筋混凝土条形基础（图5.5）。墙下钢筋混凝土条形基础根据受力条件可分为不带肋和带肋两种（图5.3）。通常只考虑在基础横向受力发生破坏，设计时，可沿长度方向按平面应变问题进行分析计算。

图5.3　墙下钢筋混凝土条形基础

上部荷载较大，地基承载力较低时，独立基础底面积不能满足设计要求。这时可把若干柱子的基础连成一条构成柱下条形基础，以扩大基底面积，减小地基反力，并可以通过形成整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降。把一个方向的单列柱基连在一起形成单向条形基础，如图5.4所示。

上部荷载较大，采用单向条形基础仍不能满足承载力要求时，可以把纵横柱基础均连在一起，形成十字交叉条形基础，如图5.5所示。

图5.4　单向条形基础

图5.5　十字交叉条形基础

（3）筏板基础（片筏基础）

当地基承载力低，而上部结构的荷载又较大，以致十字交叉条形基础仍不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求时，可采用钢筋混凝土满堂板基础，这种平板基础称为筏板基础。

筏板基础具有比十字交叉条形基础更大的整体刚度，有利于调整地基的不均匀沉降，能较好地适应上部结构荷载分布的变化。筏板基础还可满足抗渗要求。

筏板基础分为平板式和梁板式两种类型。平板式：等厚度平板（图5.6（a））；柱荷载较大时，可局部加大柱下板厚或设墩基以防止筏板被冲剪破坏（图5.6（b））。梁板式：柱距较大，柱荷载相差也较大时，沿柱轴纵横向设置基础梁，如图5.6（c），（d）所示。

图5.6　筏板基础

（4）箱形基础

箱形基础是由现浇的钢筋混凝土底板、顶板和纵横内外隔墙组成，形成一个刚度极大的箱子，故称之为箱形基础，如图5.7（a）所示。

箱形基础具有比筏板基础更大的抗弯刚度，相对弯曲很小，可视作绝对刚性基础。为了加大底板刚度，可进一步采用“套箱式”箱形基础，如图5.7（b）所示。箱形基础埋深较深，基础空腹，从而卸除了基底处原有地基的自重应力，因此就大大地减少了作用于基础底面的附加应力，减少了建筑物的沉降，这种基础又称之为补偿性基础。

（5）壳体基础

壳体基础以承受轴向压力为主，可以充分发挥钢筋和混凝土材料抗压强度高的受力特点（梁板基础：弯矩为主），节省材料、造价低，适用于筒形构筑物基础。根据形状不同，有M形组合壳、正圆锥壳、内球外锥组合壳三种形式，如图5.8所示。

图5.7　箱形基础

图5.8　壳体基础

3）按埋置深度分类

通常将埋深不大（一般小于5m），只需经过挖槽、排水等普通施工工序就可以建造起来的基础统称为浅基础，例如柱下单独基础、墙下或柱下条形基础、交叉梁基础、筏板基础、箱形基础等。对于浅层土质不良，需要利用深处良好地层的承载能力，而采用专门的施工方法和机具建造的基础，称为深基础，例如桩基础、墩基础、地下连续墙等。

5.1.2　基础埋置深度的选择

基础埋置深度一般是指室外设计地面到基础底面的距离。基础埋置深，基底两侧的荷载大，地基承载力高，稳定性好；相反，基础埋置浅，工程造价低，施工期短。确定基础埋深，就是选择较理想的土层作为持力层，需要认真分析各方面的情况，处理好安全与经济这一矛盾。

影响基础埋置深度的因素较多，一般可从以下几方面考虑：

1）工程地质条件及地下水的情况

工程地质条件是影响基础埋深的最基本条件之一，设计者希望地基各土层的厚度均匀、层面水平、压缩性小、承载力高，但在实际工程中，却常遇到上下各层土软硬不相同、厚度不均匀、层面倾斜等情况。

当地基上层土较好，下层土较软弱，则基础尽量浅埋；反之，上层土软弱，下层土坚实，则需要区别对待。当上层软弱土较薄，可将基础置于下层坚实土上；当上层软弱土较厚时，可考虑采用宽基浅埋的办法，也可考虑人工加固处理或桩基础方案。必要时，应从施工难易、材料用量等方面进行分析比较决定。

图5.9　基础的最小埋置深度

考虑到地表一定深度内，由于气温变化、雨水侵蚀、动植物生长及人为活动的影响，基础埋深不得小于0.5m；为保护基础不外露，基础大放脚顶面应低于室外地面至少0.1m。另外，基础也应埋置于持力层面下不少于0.1m，如图5.9所示。

选择基础埋深时应考虑水文地质条件的影响。当基础置于潜水面以上时，无需基坑排水，可避免涌土、流砂现象，方便施工，设计上一般不必考虑地下水的腐蚀作用和地下室的防渗漏问题等。因此，在地基稳定许可的条件下，基础应尽量置于地下水位之上。当承压含水层埋藏较浅时，为防止基底因挖土减压而隆起开裂，破坏地基，必须控制基底设计标高。

2）建筑物的有关条件

（1）建筑功能

当建筑物设有地下室时，基础埋深要受地下室地面标高的影响，在平面上仅局部有地下室时，基础可按台阶形式变化埋深或整体加深。当设计的工程是冷藏库或高温炉窑，其基础埋深应考虑热传导引起地基土因低温而冻胀或因高温而干缩的不利影响。

（2）荷载效应

对于竖向荷载大，地震力和风力等水平荷载作用也大的高层建筑，基础埋深应适当增大，以满足稳定性要求，如在抗震设防区，高层建筑的箱形和筏形基础埋深宜大于建筑高度的1／15；对于受上拔力较大的基础，应有较大的埋深以提供所需的抗拔力；对于室内地面荷载较大或有设备基础的厂房、仓库，应考虑对基础内侧的不利作用。

（3）设备条件

在确定基础埋深时，需考虑给排水、供热等管道的标高。原则上不允许管道从基础底下通过，一般可以在基础上设洞口，且洞口顶面与管道之间要留有足够的净空高度，以防止基础沉降压裂管道，造成事故。

3）相邻建筑物基础的埋深

图5.10　相邻基础的埋深

在城市房屋密集的地方，往往新旧建筑物紧靠在一起，为保证原有建筑物的安全和正常使用，新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑物的基础埋深，并应考虑新加荷载对原有建筑物的不利影响。当新建建筑物荷重大、楼层高、基础埋深要求大于原有建筑物基础埋深时，新旧两基础之间应有一定的净距，如图5.10所示。根据荷载大小、土质情况和基础形式确定，一般可取相邻基础底面高差的1～2倍，即L≥（1～2）h。当不能满足净距方面的要求时，应采取分段施工，或设临时支撑、打板桩、地下连续墙等措施，或加固原有建筑物地基。

4）地基冻融条件的影响

如果基础埋于冻胀土内，当冻胀力和冻切力足够大时，就会导致建筑物发生不均匀的上抬，门窗不能开启，严重时墙体开裂；当温度升高解冻时，冰晶体融化，含水量增大，土的强度降低，使建筑物产生不均匀的沉陷。在气温低、冻结深度大的地区，由于冻害使墙体开裂的情况较多，应引起足够的重视。