学习单元1 设计地基应了解的基本概念
知识目标
1.了解地基与基础的基本概念。
2.掌握地基与基础在建筑工程中的重要性及设计原理。
3.了解地基与基础的发展概况。
技能目标
1.通过了解地基与基础的基本概念，明确地基与基础的关系。
2.掌握地基与基础在建筑工程中的重要性及设计原理，并了解地基与基础的发展概况。
基础知识
地基和基础设计是整个建筑物设计过程中的一个重要环节。任何建筑物都建筑在一定的岩土体上，建筑物通过基础将荷载传递到地基中。地基和基础设计的合理稳定是上部结构能够安全和正常使用的重要保障。设计时，要重视地基条件的复杂性，充分考虑场地的工程地质和水文地质条件，结合建筑物的使用要求、结构特点及施工条件等因素，使基础工程做到安全可靠、经济合理、技术先进和便于施工。
一、地基
（一）地基的概念
地基是指建筑物下面支承基础的土体或岩体，起着直接承受建筑物荷载的作用。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。
☼小提示
天然地基是指未经过人工处理就可以满足设计要求的地基。如果地基软弱，其承载力不能满足设计要求，则需对地基进行加固处理。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，称为人工地基。
（二）建筑物的地基面临的一般性问题
1.强度及稳定性问题
当地基的抗剪强度不足以支承上部结构的自重及外荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。它会影响建（构）筑物的正常使用。地基的稳定性或地基承载力大小，主要与地基土体的抗剪强度有关，也与基础形式、大小和埋深有关。承载力较低的地基容易产生地基承载力不足问题而导致工程事故。
2.变形问题
地基变形主要与荷载大小和地基土体的变形特性有关，也与基础形式、基础尺寸大小有关。高压缩性土的地基容易产生变形问题。当地基在上部结构的自重及外界荷载的作用下产生过大的变形时，会影响建（构）筑物的正常使用；当超过建筑物所能容许的不均匀沉降时，结构可能开裂。
☼小提示
一些特殊土地基在大气环境改变时，由于自身物理力学特性的变化而往往会在上部结构荷载不变的情况下产生一些附加变形。这些变形都不利于建（构）筑物的安全。
3.渗漏问题
渗漏是由于地基中地下水运动产生的问题。地基渗漏问题主要与地基中水力比降大小和土体的渗透性有关。渗漏问题分为两种情况：
（1）水量流失。水量流失是由于地基土的抗渗性能不足而造成水量损失，从而影响工程的储水或防水性能，或者造成施工不便。
（2）渗透变形。渗透变形是指渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形。渗透变形又分为流土和管涌。在堤坝工程和地下结构施工过程中，经常会发生由于渗透变形造成的工程事故。
4.液化问题
在动力荷载（地震、机器以及车辆、爆破和波浪）作用下，会引起饱和松散砂土（包括部分粉土）产生液化，它是使土体失去抗剪强度并形成近似液体特性的一种动力现象，还会造成地基失稳和震陷。当建筑物的天然地基存在上述问题之一或其中几个时，需要对天然地基进行地基处理。天然地基通过地基处理，形成人工地基，从而满足建筑物对地基的各种要求。
5.沉降、水平位移和不均匀沉降问题
当地基在上部结构的自重及外荷载作用下产生过大的变形时，会影响结构物的正常使用，特别是超过建筑所能容许的不均匀沉降时，结构可能开裂破坏。
（三）地基的类型
1.天然地基
如果天然土层具有足够的承载力，不需要经过人工改良和加固，就可直接承受建筑物的全部荷载并满足变形要求，可称这种地基为天然地基。岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土等，一般均可作为天然地基。
2.人工地基
当土层的承载能力较低或虽然土层较好，但因上部荷载较大，土层不能满足承受建筑物荷载的要求时，必须对土层进行地基处理，以提高其承载能力，改善其变形性质或渗透性质，这种经过人工方法进行处理的地基称为人工地基。
二、基础
（一）基础的概念
建筑物埋入土层一定深度的向地基传递荷载的下部承重结构称为基础。根据不同的分类方法，基础有多种形式，但不论是何种基础形式，其结构本身均应具有足够的承载力和刚度，在地基反力作用下不发生破坏，并应具有改善沉降与不均匀沉降的能力。通常把埋置深度不大（一般小于5m），只需经过挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起来的基础统称为浅基础（各种单独的和连续的基础）。反之，浅层土质不良，而需把基础埋置于深处土质较好的地层时，就要借助特殊的施工方法，建造各种类型的深基础（桩基础、沉井及地下连续墙等）。
（二）基础的类型
基础类型很多，按基础埋置深度的不同可分为深基础和浅基础，埋深小于5m的称为浅基础，埋深大于5m的称为深基础；按基础材料及受力特点，分为刚性基础和非刚性基础；按构造形式，分为条形基础、独立基础、筏形基础、箱形基础、桩基础等，如图1-2所示。
图1-2 基础类型
1.按材料及受力特点分类
（1）刚性基础。由刚性材料制作的基础称为刚性基础。一般只有抗压强度高，而抗拉、抗剪强度较低的材料被称为刚性材料。常用的有砖、灰土、混凝土、三合土、毛石等。为了保证基础不被剪力、拉力破坏，基础必须具有相应的高度。通常按刚性材料的受力情况，基础在传力时只能控制在材料的允许范围内。这个控制范围的夹角成为刚性角，用α表示。砖石基础的刚性角控制在1:1.25~1:1.50（26°~33°）以内，混凝土基础刚性角控制在1:1（45°）以内。刚性基础底面宽度的增大要受刚性角的限制，如图1-3所示。
图1-3 刚性基础
☼小提示
在刚性材料构成的基础中，墙或柱传来的压力是沿一定角度分布的。在压力分布角度内，基础底面受压而不受拉，这个角度称为刚性角。当刚性基础底部宽度超过刚性角的控制范围时，基础底部将产生拉应力而破坏。因此，当基础扩大时，为了保证基础底面不受拉，必须保证基础放大部分在刚性角的范围内。为设计施工方便，一般将刚性角换算成α的正切值B/H，即用宽高比表示刚性角。
（2）非刚性基础。当建筑物的荷载较大而地基承载能力较小时，由于基础底面宽度需要加宽，若仍采用素混凝土材料，势必导致基础深度也要加大。这样，既增加了挖土工作量，又会使材料用量增加，对工期和造价都十分不利。如果在混凝土基础的底部配以钢筋，利用钢筋来承受拉力，就会使基础底部能够承受较大弯矩。这时，基础宽度的加大不受刚性角的限制，如图1-4、图1-5所示。
图1-4 墙下钢筋混凝土条形基础构造
图1-5 钢筋混凝土独立基础
2.按基础的构造形式分类
（1）条形基础。当建筑物上部结构采用墙承重时，基础沿墙身设置，多呈长条形，如图1-2所示。这类基础称为条形基础。条形基础的基础长度远大于其宽度，按上部结构形式，可分为墙下条形基础和柱下条形基础，条形基础是墙承式建筑基础的基本形式。
☼小提示
当上部结构荷载较大而土质较差时，可采用混凝土或钢筋混凝土建造，墙下钢筋混凝土条形基础一般做成无肋式；如地基在水平方向上压缩性不均匀，为了增加基础的整体性，减少不均匀沉降，也可做成有肋式的条形基础。
（2）独立基础。独立基础又分为柱下独立基础和墙下独立基础。独立基础的形状有阶梯形、锥形和杯形等，如图1-6所示。其优点是土方工程量少，便于地下管道穿过，节省用料，但整体刚度差。当地基条件较差或上部荷载较大时，在承重的结构柱下使用独立柱基础已不能满足其承受荷载和整体要求。为了提高建筑物的整体刚度，避免不均匀沉降，常将柱下独立基础沿纵向和横向连接起来，做成十字交叉的井格基础。
图1-6 独立基础
独立式基础是柱下基础的基本形式，当柱采用预制构件时，则把基础做成杯口形，然后将柱子插入并嵌固在杯口内，故称杯型基础，如图1-6（c）所示。
（3）筏形基础。当建筑物上部荷载较大，而建造地点的地基承载能力又比较差，墙下条形基础或柱下条形基础不能适应地基变形的需要时，可将墙或柱下基础面扩大为整片的钢筋混凝土板状基础形式，形成筏形基础。筏形基础整体性好，能调节基础各部分不均匀沉降。筏形基础又分为梁板式和平板式两种类型，如图1-7所示。
图1-7 筏形基础
☼小提示
梁板式筏形基础由钢筋混凝土筏板和肋梁组成，在构造上如同倒置的肋形楼盖；平板式筏形基础一般由等厚的钢筋混凝土平板构成，构造上如同倒置的无梁楼盖。为了满足抗冲击要求，常在柱下做柱托。柱托可设在板上，也可设在板下。当设有地下室时，柱托应设在板底。
筏形基础的整体性好，能调节基础各部分的不均匀沉降，常用于建筑荷载较大的高层建筑。
（4）箱形基础。当筏形基础做得很深时，常将基础改成箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和若干纵、横隔墙组成的整体结构，基础的中空部分可用作地下室（单层或多层）或地下停车库。箱形基础整体空间刚度大，整体性强，能抵抗地基的不均匀沉降，较适用于高层建筑或在软弱地基上建造的重型建筑物，如图1-8所示。
图1-8 箱形基础
1—侧壁；2—顶板；3—内壁；4—柱；5—底板
（5）桩基础。桩基础由承台和群桩组成，如图1-9、图1-10、图1-11所示。桩基础的类型很多，按桩的形状和竖向受力情况，可分为摩擦桩和端承桩；按桩的材料，分为混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩；按桩的制作方法，有预制桩和灌注桩两类。目前，较常用的是钢筋混凝土预制桩和灌注桩。
图1-9 桩基础的组成图
图1-10 桩基础示意图
图1-11 桩基础
（6）十字交叉条形基础。当荷载很大，采用柱下条形基础不能满足地基基础设计要求时，可采用双向的柱下钢筋混凝土条形基础形成的十字交叉条形基础（又称交叉梁基础），如图1-12所示。这种基础纵横向均具有一定的刚度。
图1-12 十字交叉条形基础
☼小提示
当地基软弱且在两个方向的荷载和土质不均匀时，十字交叉条形基础对不均匀沉降具有良好的调整能力。
（7）壳体基础。正圆锥形及其组合形式的壳体基础，用于一般工业与民用建筑柱基和筒形的构筑物（如烟囱、水塔、料仓、中小型高炉等）基础，如图1-13所示这种基础使大部分径向内力转变为压应力，可比一般梁、板式的钢筋混凝土基础减少混凝土用量50%左右，节约钢筋30%以上，具有良好的经济效果。但壳体基础施工时，修筑土台的技术难度大，易受气候因素的影响，布置钢筋及浇捣混凝土施工困难，较难实行机械化施工。
图1-13 壳体基础的结构形式
三、地基与基础的关系
地基与基础之间相互影响，相互制约。
（一）对地基与基础的要求
1.对地基的要求
（1）地基应具有一定的承载力和较小的压缩性。
（2）地基的承载力应分布均匀。在一定的承载条件下，地基应有一定的深度范围。
（3）要尽量采用天然地基，以降低成本。
2.对基础的要求
（1）基础要有足够的强度，能够起到传递荷载的作用。
（2）基础的材料应具有耐久性，以保证建筑的持久使用。因为基础处于建筑物最下部并且埋在地下，对其维修或加固是很困难的。
（3）在选材上尽量就地取材，以降低造价。
（二）地基、基础与荷载的关系
地基承受着由基础传来的建筑物的全部荷载。地基在建筑物荷载作用下的应力和应变随着土层深度的增加而减小，在达到一定深度后就可以忽略不计。直接承受荷载的土层称为持力层，持力层以下的土层称为下卧层，如图1-14所示。
图1-14 地基、基础与荷载的关系
建筑物的总荷载用N表示。地基在保持稳定的条件下，每平方米所能承受的最大垂直压力称为地基承载力，用R表示。由于地基承载力一般小于建筑物地上部分的强度，所以基础底面需要比上部结构宽（底面宽为B），基础底面积用A表示。当R≥N/A时，说明建筑物传给基础底面的平均压力不超过地基承载力，地基能够保证建筑物的稳定和安全。
☼小提示
地基对保证建筑物的坚固耐久性具有非常重要的作用。基础传给地基的荷载如果超过地基的承载能力，地基就会出现较大的沉降变形和失稳，甚至会出现土层滑移，直接影响建筑物的安全和正常使用。在建筑设计中，当建筑物总荷载确定时，可通过增加基础底面积或提高地基的承载力来保证建筑物的稳定和安全。
四、地基与基础在建筑工程中的重要性及设计原理
建筑物的地基、基础和上部结构三个部分，虽然各自的功能不同，研究方法相异，然而，对一座建筑物来说，在荷载作用下，这三个部分却是彼此联系、相互制约的整体。
地基与基础是建筑物的根本，又属于地下隐蔽工程。其勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。实践表明，很多建筑物事故的发生与地基和基础有关，而且，地基与基础事故一旦发生，补救并非易事。另外，基础工程费用与建筑物总造价的比例，视其复杂程度和设计、施工的合理与否，可以变动在百分之几到百分之几十之间。因此，地基与基础在建筑工程中的重要性是显而易见的。在工程实践中，只要严格遵循基本建设原则，按照勘察——设计——施工的先后顺序，并切实抓好这三个环节，那么，地基与基础事故一般是可以避免的。
地基与基础设计是整个建筑物设计的重要组成部分。它与建筑物的安全和正常使用有着密切的关系。设计时，要考虑场地的工程地质和水文地质条件，同时也要考虑建筑物的使用要求、上部结构特点及施工条件等各种因素，使基础工程做到安全可靠、经济合理、技术先进且便于施工。
☼小技巧
地基与基础在设计时应考虑的因素
一般认为，地基与基础在设计时应考虑的因素如下所述。
（1）施工期限、施工方法及所需的施工设备等。
（2）在地震区，应考虑地基与基础的抗震性能。
（3）基础的形状和布置，以及与相邻基础和地下构筑物、地下管道的关系。
（4）建造基础所用的材料与基础的结构形式。
（5）基础的埋置深度。
（6）地基土的承载力。
（7）上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降的敏感度。
五、地基发展概况
在古代，科学技术发展水平的限制，建筑物大多是依托天然地基。中国远古先民在在史前的建筑活动中，就已创造了地基与基础工艺。我国陕西西安半坡遗址和河南安阳殷墟遗址的考古发掘中都发现有土台和石础，这就是古代“堂高三尺、茅茨土阶”（语见《韩非子》）建筑的地基与基础形式。我国历代修建的无数建筑物都出色地体现了古代劳动人民在地基与基础工程方面的高超水平。举世闻名的长城、大运河，如不处理好岩土的有关问题，就不能穿越各种地质条件的广阔地区，而被誉为亘古奇观；宏伟壮丽的宫殿寺院，要依靠精心设计建造的地基与基础，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，才经历多次强震强风的考验而安然无恙。这些事实就是地基与基础学科发展的证明。
18世纪欧洲工业革命开始以后，随着工业化的发展，人们开始对基础工程加以重视并开展研究。当时在理论上提出了砂土抗剪强度公式和土压力理论等。20世纪20年代，太沙基归纳了以往在土力学方面的主要成就，发表了《土力学》和《工程土质学》等专著，为人们研究人工地基基础提供了理论基础，也带动了各国学者对基础工程各方面进行研究和探索。
现代科技成就，尤其是电子技术，渗入土力学与基础工程的研究领域。在实现试验测试技术自动化、现代化的同时，人们对土的基本性质又有了更进一步的认识。随着电子计算机的迅速发展和数值分析法的广泛应用，科学研究和工程设计更具备了强有力的手段，使土力学理论和基础工程技术也出现了令人瞩目的进展。因此，有人认为，1957年召开的第四届国际土力学与基础工程会议标志着一个新时期的开始。正是在这个时期，我国工程科技工作者以朝气蓬勃的姿态进入了国际土力学与基础工程科技交流发展的行列。1962年全国土力学与基础工程学术讨论会已成为本学科迅速进展的里程碑。我国在土力学与基础工程各个领域的理论与实践新成就难以尽述。
随着基础工程技术的进步，出现了各种形式的人工地基基础，其所涉及的地基与基础共同作用问题正是目前土力学界所关注的尚未完全解决的问题。