建筑物地基基础设计等级

1　绪　论

1) 地基及基础的概念

任何建筑物都建造在一定的地层上，通常把直接承受建筑物荷载影响的地层称为地基，如图1-1。其深度范围是基础宽度(“宽度”一词是指基础底面尺寸的短边)的1.5～5倍左右，而其宽度范围为基础宽度的1.5～3倍左右，视基础的形状与荷载而异。从理论上讲，基础荷载可以传到很深与很宽范围内的土层上。但由于在远处其产生的土中应力与土自重相比很小且不足以产生工程上有影响的土的变形，因此，在实用上不必注意这些地方，也就不将这些应力与变形很小的地方包含在“地基”一词的含义之内。

图1-1　地基与基础示意图(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为土层顺序号)

未加处理就可满足设计要求的地基称为天然地基。软弱、承载力不能满足设计要求，需对其进行加固处理的(例如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固、加筋土技术等方法进行处理)地基，则称为人工地基。

基础是将建筑物承受的各种荷载传递到地基上的实体结构。房屋建筑及附属构筑物通常由上部结构及基础两大部分组成，基础是指室内地面标高(±0.00)以下的结构。带有地下室的房屋，地下室和基础统称为地下结构或下部结构。基础应埋入地下一定深度，进入较好的地层。根据基础的埋置深度不同可分为浅基础和深基础。埋置深度不大(一般浅于5m)的基础称为浅基础；反之，若浅层土质不良，须将基础埋置于较深的良好土层，采用专门的施工方法和机具建造的基础称为深基础。

基础工程既是结构工程中的一部分，又是相对独立的。基础工程设计必须满足四个基本条件：

(1) 地基强度要求：作用于地基上的荷载不得超过地基承载能力，保证地基不因地基土承受应力超过其强度而破坏，具有足够的安全储备。

(2) 变形要求：基础沉降不得超过地基变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用。

(3) 稳定性要求：地基基础保证具有足够防止失稳破坏的安全储备。

(4) 结构强度等要求：基础结构自身必须满足强度、刚度和耐久性方面的要求。

基础工程勘察、设计和施工质量的好坏将直接影响建筑物的安危、经济和正常使用。基础工程施工常在地下或水下进行，往往需挡土挡水，施工难度大。在一般高层建筑中，其造价约占总造价的25%，工期约占25%～30%。若需采用深基础或人工地基，其造价和工期所占比例更大。

此外，基础工程为隐蔽工程，是建筑物的根本。基础设计和质量直接关系着建筑物的安危。大量例子表明，建筑物发生的事故，很多与基础问题有关。基础一旦发生事故，补救很困难，有时甚至必须爆破重建。

1913年建造的加拿大特朗斯康谷仓由65个圆柱形筒仓组成，高31m，宽23.5m，采用了筏板基础。建成后贮存谷物时，谷仓西侧突然陷入土中8.8m，东侧抬高1.5m，仓身整体倾斜26°53′，地基发生整体滑动，丧失稳定性。事后发现基础下埋藏有厚达16m的软黏土层，贮存谷物后使基底平均压力超过了地基的极限承载能力。因谷仓整体性很强，筒仓完好无损。在筒仓下增设70多个支承于基岩上的混凝土墩，用了388个50t的千斤顶才将其逐步纠正，但标高比原来降低了4m。

图1-2　上海的一处高楼因桩基破坏倒覆

2009年6月，上海的一栋竣工未交付使用的高楼整体倒覆。该栋楼整体朝南侧倒下，13层的楼房在倒塌中并未完全粉碎，楼房底部原本应深入地下的数十根混凝土管桩被“整齐”地折断后裸露在外。事发楼房附近有过两次堆土施工，第二次堆土是造成楼房倒覆的主要原因。事发楼盘前方开挖基坑，土方紧贴建筑物堆积在楼房北侧，堆土在6天内即高达10m。土方在短时间内快速堆积，产生了3000t左右的侧向力，加之楼房前方由于开挖基坑出现临空面，导致楼房产生10cm左右的位移，对PHC桩产生很大的偏心弯矩，最终破坏桩基，引起楼房整体倒覆。

大量事故充分表明，必须慎重对待基础工程。只有深入地了解地基情况，掌握勘察资料，经过精心设计与施工，才能保证基础工程经济合理，安全可靠。

2) 基础工程学科发展概况

基础工程既是一项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学，其工程应用往往超前于理论研究。

追本溯源，世界文化古国的先民，在先前的建筑活动中，就已经创造了自己的基础工艺。如钱塘江南岸发现了河姆渡文化遗址中7000年前打入沼泽地的木桩；秦代修筑驰道时采用的“隐以金椎”(《汉书》)路基压实方法。

针对不同地质条件和其他自然条件，古代的工匠们采用了巧夺天工的思路建造了建筑物的基础。宋代，蔡襄在水深流急的洛阳江建造的泉州万安石板桥，采用殖蛎固基，形成宽25m、长1km的类似筏板基础。北宋初，木工喻皓建造开封开宝寺木塔时(公元989年)，因当地多西北风而将建于饱和土上的塔身向西北倾斜，以借长期风力作用而渐趋复正，克服建筑物地基不均匀沉降。

此外，如我国举世闻名的万里长城、隋朝南北大运河、赵州石拱桥等工程，都因奠基牢固，虽经历了无数次强震强风仍安然无恙。两千多年来在世界各地建造的宫殿楼宇、寺院教堂、高塔亭台、古道石桥、码头、堤岸等工程，无论是至今完好，还是不复存在，都凝聚着古时建造者的智慧。采用石料修筑基础、木材做成桩基础、石灰拌土夯成垫层或浅基础、砂土水撼加密、填土击实等修筑地基基础的传统方法，目前在某些范围内还在应用。

土力学是基础工程的理论基础，研究工程载体岩土的特性及其应力应变、强度、渗流的基本规律；基础工程则为在岩土地基上进行工程的技术问题，两者互为理论与应用的整体，所以“基础工程”就是岩土地层中建筑工程的技术问题。

18世纪到19世纪，人们在大规模的建设中遇到了许多与岩土工程相关的问题，促进了土力学的发展。例如法国科学家C.A.库仑(Coulomb)在1773年提出了砂土抗剪强度公式和挡土墙土压力的滑楔理论；英国学者W.J.M．朗肯(Rankine)又从另一途径建立了土压力理论；法国工程师H．达西(Darcy)在1856年提出了层流运动的达西定律；捷克工程师E.文克勒(Winkler)在1867年提出了铁轨下任一点的接触压力与该点土的沉降成正比的假设；法国学者J.布辛奈斯克(Boussinesq)在1885年提出了竖向集中荷载作用下半无限弹性体应力和位移的理论解答。这些先驱者的工作为土力学的建立奠定了基础。

通过许多学者的不懈努力和经验积累，1925年，美国太沙基(Terzaghi)在归纳发展已有成就的基础上，出版了第一本土力学专著，较系统完整地论述了土力学与基础工程的基本理论和方法，促进了该学科的高速发展。

1936年，国际土力学与基础工程学会成立，并举行了第一次国际学术会议，从此土力学与基础工程作为一门独立的现代科学而取得不断发展。许多国家和地区也都定期地开展各类学术活动，交流和总结本学科新的研究成果和实践经验，出版各类土力学与基础工程刊物，有力地推动了基础工程学科的发展。

新中国成立后，社会主义经济取得举世瞩目的成就，开展了大规模的基础设施建设，促进了我国基础工程学科的迅速发展。

在基础工程应用技术上，数百米高的超高层建筑物、地下百余米深多层基础工程、大型钢厂的深基础、海洋石油平台基础、海上大型混凝土储油罐、人工岛、条件复杂的高速公路路基、跨海跨江大桥的桥梁基础等工程的成功实践技术，使基础工程技术不断革新，有效地促进了我国基础工程的发展。

自人工挖孔桩于100年前在美国问世以来，灌注桩基础得到了极大的发展，出现了很多新的桩型。单桩承载力可达上万吨，最大的灌注桩直径可达数米，深度已超过100m。苏通大桥的桩长达到了约120m，绍嘉通道的单桩直径达到了3.8m。钢管桩、大型钢桩、预应力混凝土管桩、DX挤扩桩、劲性水泥土搅拌桩等新老桩型也在大量采用。桩基础的设计理论也得到较大的发展和应用，如考虑桩和土共同承担荷载的复合桩基础等。

随着城市的发展，高层和超高层建筑地下室的修建，地铁车站的建造，以及城市地下空间的开发利用等，出现了大量的深基坑工程开挖和支护问题，有的开挖深度达30m以上。基坑工程具有很强的地域性，不同地区采取的支护型式会有不同的特点和习惯做法。基坑工程还具有很强的个性，即使在同一地区同样深度的基坑，由于基坑周围环境条件如建筑物、道路、地下管线的情况不同，支护方案也可能完全不同。近年来，我国在基坑围护体系的种类、各种围护体系的设计计算方法、施工技术、监测手段以及基坑工程的研究方面取得了很大的进展。

土工合成材料，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面，可加强或保护土体。土工合成材料埋在土体之中，可以扩散土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体的侧向位移，提高土体及相关建筑物的稳定性。土工合成材料在地基处理方面得到了广泛的应用。

国内外历史上有名的多次大地震导致了大量建筑物的破坏，其中有不少是因基础抗震设计不当所致。经过大量地震震害调查和理论研究，人们逐渐总结发展出基础抗震设计的理论和方法。

随着我国社会主义建设事业的发展，对基础工程要求的日益提高，我国土力学与基础工程学科也必将得到新的更大的发展。

3) 基础工程今后发展的重要方向

(1) 基础性状的理论研究不断深入

由于计算机的应用日趋广泛，许多计算方法如有限元法、边界元法、特征线法等都在基础工程性状的分析中得到应用；土工离心机模型试验，已成为验证计算方法和解决包括基础工程在内的土工问题的有力手段。土的本构模型也是基础工程分析中的一个重要组成部分。

(2) 现场原位测试技术和基础工程质量检测技术的发展

为了改善取样试验质量或者进行现场施工监测，原位测试技术和方法有很大发展。如旁压试验、动静触探、测斜仪、压力传感器和孔隙水压力测试仪等测试仪器和手段已被广泛应用。测试数据采集和资料整理自动化、试验设备和试验方法的标准化以及广泛采用新技术已成为发展方向。

(3) 高层建筑深基础继续受到重视

随着高层建筑物修建数量的增多，各类高层建筑深基础大量修建，尤其是大直径桩墩基础、桩筏、桩箱等基础类型更受重视。

由于深基坑开挖支护工程的需要，如地下连续墙、挡土灌注桩、深层搅拌挡土结构、锚杆支护、钢板桩、铅丝网水泥护坡和沉井等地下支护结构的设计、施工方法都引起人们极大兴趣。

(4) 软弱地基处理技术的发展

在我国各地区的经济建设中，有许多建筑物不得不建造在比较松软的不良地基上。这类地基如不加特殊处理就很难满足上部建筑物对控制变形、保证稳定和抗震的要求。因此，各种不同类型的地基处理新技术因需要而产生和发展，成为岩土工程中的一个重要专题。

地基处理的目的在于改善地基土的工程性质，例如提高土的强度、改善变形模量或提高抗液化性能等。地基处理的方法很多，每种方法都有其不同的加固原理和适用条件，在实际工程中必须根据地基土的特点选用最适宜的方法。今后，随着建筑物的层高和荷载的不断增大，软弱地基的概念和范围也有新的变化，各种新的处理方法会不断出现，地基处理技术必然会进一步发展。

(5) 既有房屋增层和基础加固与托换

由于目前城市的快速发展，对原有房屋改建增层工程日趋增多。同时部分原有房屋基础与新建地铁规划冲突，为此必须对已有建筑物的地基进行正确的评价，进行地基基础的加固或托换，相应的工程技术将不断发展。

4) 本课程的特点和学习要求

本课程是土木工程专业的一门核心课程，讲解在岩土地层上建筑物基础及有关结构物的设计与建造的相关知识。本课程的许多内容涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工等学科领域，内容广泛，综合性、理论性和实践性很强。相关先修课程的基本内容和基本原理是本课程学习的基础。

基础工程的工作特点是根据建筑物对基础功能的要求，首先通过勘探、试验、原位测试等了解岩土地层的工程性质，然后结合工程实际，运用土力学及工程结构的基本原理，分析岩土地层与基础工程结构物的相互作用及其变形与稳定的规律，做出合理的基础工程方案和建造技术措施，确保建筑物的安全与稳定。

基础工程应以工程要求和勘探试验为依据，以岩土与基础共同作用和变形与稳定分析为核心，以优化基础方案与建筑技术为灵魂，以解决工程问题，确保建筑物安全与稳定为目的。

我国地域辽阔，由于自然地理环境的不同，分布着各种各样的土类，地基基础问题具有明显的区域性特征。此外，天然地层的性质和分布也因地而异，且在较小范围内可能变化很大。由于地基土性质的复杂性以及建筑物类型、荷载情况可能又各不相同，因而在基础工程中不易找到完全相同的实例。学习时应注意理论联系实际，通过各个教学环节，紧密结合工程实践，提高理论认识和增强处理实际基础工程问题的能力。

基础工程的设计和施工必须遵循法定的规范、规程。但不同行业有不同的专门规范，且各行业间不尽平衡。本教材以工民建方向的相关规范为主要依据，学习时应注重相应的设计计算方法的基本原理。在具体实践中，结合所从事的行业，依据相应行业规范开展具体的设计和施工。

思考题与习题

1.什么是地基？什么是基础？

2.基础工程设计需要满足的基本条件有哪些？