基礎(chǔ)-土的工程性質(zhì)及分類

12.1土的工程性質(zhì)及分類建筑結(jié)構(gòu)都是由埋在地面以下一定深度的基礎(chǔ)和支承于其上的上部結(jié)構(gòu)組成的，基礎(chǔ)又坐落在稱為地基的地層(土或巖石)上，如圖12.1所示。圖12.1地基與基礎(chǔ)示意圖基礎(chǔ)是建筑結(jié)構(gòu)的一部分，和上部結(jié)構(gòu)相同，基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性。基礎(chǔ)雖然有很多種型式，但可概括分為兩大類，即淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。深、淺基礎(chǔ)沒有一個(gè)明確的分界線，一般將埋置深度不大，只需開挖基坑及排水等普通施工工藝建造的基礎(chǔ)稱為淺基礎(chǔ)；反之，埋置深度較大，需借助于特殊的施工方法建造的基礎(chǔ)稱為深基礎(chǔ)。前面各章研究的是建筑結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)，本章研究與建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有關(guān)的主要問題。包括土的工程性質(zhì)及地基計(jì)算、常用基礎(chǔ)的類型與選用、淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等基本內(nèi)容。12.1.1土的工程性質(zhì)及分類1.土的組成土的物質(zhì)成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒，孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體，如圖12.2所示。因此，土由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。

2.土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的三相組成、物質(zhì)的性質(zhì)、相對(duì)含量以及土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等各種因素，必然在土的輕重、松密、干濕、軟硬等一系列物理性質(zhì)和狀態(tài)上有不同的反映。土的物理性質(zhì)又在一定程度上決定了它的力學(xué)性質(zhì)，所以物理性質(zhì)是土的最基本的工程特性。圖12.2土的三相組成示意圖（1）天然密度：天然狀態(tài)下，土單位體積的質(zhì)量，單位為g/cm3或t/m3，即：（2）土粒比重(土粒相對(duì)密度)：土粒質(zhì)量與同體積的4℃時(shí)純水的質(zhì)量之比，稱為土粒比重(無量綱)，即：

（3）土的干密度：土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量，稱為土的干密度，即：在工程上常把干密度作為評(píng)定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。（4）土的飽和密度：土孔隙中充滿水時(shí)，單位體積質(zhì)量，即

（5）土的浮密度：在地下水位以下，土體中土粒的質(zhì)量扣除浮力后，即為單位體積中土粒的有效質(zhì)量即：

2)土的重度在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常采用土的容重，即土的重力密度,其數(shù)值上等于相應(yīng)土密度與重力加速度的乘積。一般分為：天然容重、干容重、飽和容重、有效容重分別按下列公式計(jì)算：；；；式中g(shù)為重力加速度，各指標(biāo)的單位kN/m3。3）土的含水量土中含水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，稱為土的含水量，以百分?jǐn)?shù)計(jì)，即：4）土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比：土中孔隙體積與土體積之比，孔隙比用小數(shù)表示。即：5）土的飽和度土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，稱為土的飽和度，以百分率計(jì)，即：6）指標(biāo)的換算表12-1土的三相比例指標(biāo)換算公式

以上土的各項(xiàng)三相物理性質(zhì)指標(biāo)中，密度、土粒相對(duì)密度、含水量可通過土工試驗(yàn)測(cè)定，稱為基本指標(biāo)，由它們可導(dǎo)出其他各項(xiàng)指標(biāo)，相應(yīng)的換算公式見表12-1所示。

7）粘性土的物理性質(zhì)對(duì)于粘性土，還有塑限，液限、塑性指數(shù)Ιp及液性指數(shù)ΙL等物理性質(zhì)指標(biāo)。

(1)粘性土由固體狀態(tài)變化到可塑狀態(tài)的界限含水量稱為塑限。一般用“搓條法”測(cè)定。

(2)粘性土由可塑狀態(tài)變化到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水量稱為液限。一般用錐式液限儀測(cè)定。

(3)液限與塑限的差值，稱為塑性指數(shù)。（4）液性指數(shù)：粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比，用符號(hào)表示，即：

可以利用液性指數(shù)來表示粘性土所處的軟硬狀態(tài)。值愈大，土質(zhì)愈軟，反之，土質(zhì)愈硬。

12.1.2地基土(巖)的工程分類地基土(巖)分類的方法很多。建筑結(jié)構(gòu)中，土作為地基承受上部結(jié)構(gòu)通過基礎(chǔ)傳來的荷載。從工程的角度，即著眼于土的工程性質(zhì)(特別是各種強(qiáng)度和變形特性)及其與地基土的地質(zhì)成因之間的關(guān)系來分類是合理而必要的。地基土分類的主要依據(jù)是三相的組成、粒徑級(jí)配、土粒的形狀和礦成分等。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范將地基(巖)分為巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土等。（1）巖石。巖石應(yīng)為顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。

(2)碎石土。

(3)砂土。

(4)粉土。

(5)粘性土。

(6)人工填土。

(7)特殊土。

12.1.3土的工程特性指標(biāo)

1.土的工程特性指標(biāo)及其代表值土的工程特性指標(biāo)應(yīng)包括強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)及靜力觸探探頭阻力、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)、載荷試驗(yàn)承載力等和其他特性指標(biāo)。地基土工程特性指標(biāo)的代表值應(yīng)分別為標(biāo)準(zhǔn)值、平均值及特征值。其中，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值；壓縮性指標(biāo)應(yīng)取平均值；載荷試驗(yàn)承載力應(yīng)取特征值。

2.土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（1）土的抗剪強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。當(dāng)土體內(nèi)某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)即發(fā)生剪切破壞。

(2)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度可用室內(nèi)原狀土直接剪切試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試、十字板剪切試驗(yàn)等方法測(cè)定。

(3)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。土的抗剪強(qiáng)度有兩種表達(dá)方法，相應(yīng)有兩種強(qiáng)度指標(biāo)：土的和統(tǒng)稱為土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；土的和統(tǒng)稱為土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

3.土的壓縮性指標(biāo)土的壓縮性指標(biāo)是建筑物沉降計(jì)算的依據(jù)。

(1)土的壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es：土的壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es是評(píng)價(jià)土體壓縮性能的指標(biāo)，；(2)土的壓縮性指標(biāo)可采用室內(nèi)原狀土壓縮試驗(yàn)、原位淺層或深層平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、觸探試驗(yàn)確定。4.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N值，可對(duì)砂土、粉土、粘性土的物理狀態(tài)，土的強(qiáng)度、變形參數(shù)、地基承載力、單樁承載力，砂土和粉土的液化，成樁的可能性等做出評(píng)價(jià)。5.載荷試驗(yàn)承載力載荷試驗(yàn)是確定巖土承載力的主要方法，包括淺層平板載荷試驗(yàn)和深層平板載荷試驗(yàn)。淺層平板載荷試驗(yàn)適用于淺層地基；深層平板載荷試驗(yàn)適用于深層地基。12.2地基承載力地基承載力系指在保證地基強(qiáng)度和穩(wěn)定的條件下，建筑物不產(chǎn)生過大沉降和不均勻沉降而安全承受荷載的能力。地基承載力的確定在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要而又十分復(fù)雜的問題，它不僅與土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還與建筑類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基礎(chǔ)型式、基礎(chǔ)的底面尺寸、基礎(chǔ)埋深、施工速度等因素有關(guān)。確定地基承載力的基礎(chǔ)是確定地基承載力特征值。地基承載力特征值可由野外鑒別、載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、土樣試驗(yàn)與公式計(jì)算、并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法綜合確定。當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時(shí)，從載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值，尚應(yīng)修正為：式中，——修正后的地基承載力特征值，單位為kPa；

——地基承載力特征值，可由載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、公式計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法綜合確定，單位為kPa；、——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)，按基底下土的類別查下表取值；

——基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，單位為kN/m3；

b——基礎(chǔ)底面寬度，單位為m。當(dāng)基礎(chǔ)寬度小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；

——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，單位為kN/m3；表12-2地基承載力修正系數(shù)

12.3天然地基上淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)12.3.1地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本規(guī)定基礎(chǔ)按埋置深度的不同，可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)兩類。一般在天然地基上修筑淺基礎(chǔ)，其施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低，而人工地基及深基礎(chǔ)往往施工復(fù)雜，造價(jià)較高。因此在保證建筑物安全和正常使用的條件下，應(yīng)首先選用天然地基上淺基礎(chǔ)的方案。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須根據(jù)建筑物的用途和安全等級(jí)、建筑布置和仁部結(jié)構(gòu)類型，充分考慮建筑場(chǎng)地和地基巖土條件，結(jié)合施工條件以及工期、造價(jià)等各方面要求，合理選擇地基基礎(chǔ)方案，因地制宜、精心設(shè)計(jì)，以保證建筑物的安全和正常使用。地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和計(jì)算應(yīng)該滿足下列三項(xiàng)基本原則：

(1)對(duì)防止地基土體剪切破壞和喪失穩(wěn)定性方面，應(yīng)具有足夠的安全度。

(2)應(yīng)控制地基變形量，使之不超過建筑物的地墓變形允許值，以免引起基礎(chǔ)不利截面和上部結(jié)構(gòu)的損壞，或影響建筑物的使用功能和外觀。

(3)基礎(chǔ)的型式、構(gòu)造和尺寸，除應(yīng)能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)、符合使用需要，滿足地基承載力(穩(wěn)定性)和變形要求外，還應(yīng)滿足對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，剛度和耐久性的要求。12.3.2淺基礎(chǔ)的類型

1.按材料分類

基礎(chǔ)按使用的材料分為磚基礎(chǔ)、毛石基礎(chǔ)、灰土基礎(chǔ)、三合土基礎(chǔ)、毛石混凝土基礎(chǔ)、混凝土基礎(chǔ)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)等。

（1）磚基礎(chǔ)。磚基礎(chǔ)取材容易、施工簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于六層及六層以下的民用房屋中。磚基礎(chǔ)具有一定的抗壓強(qiáng)度但抗拉和抗剪強(qiáng)度較低，抗凍性能也較差。

(2)毛石基礎(chǔ)。毛石基礎(chǔ)用于石料取材容易、價(jià)格相對(duì)便宜的地方。毛石基礎(chǔ)用強(qiáng)度較高又未風(fēng)化的毛石砌筑。

(3)灰土基礎(chǔ)?；彝粱A(chǔ)適用于五層和五層以下，地下水位較低的民用混合結(jié)構(gòu)房屋和用墻承重的輕型廠房。

(4)三合土基礎(chǔ)。三合土基礎(chǔ)在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；但其強(qiáng)度較低，故這種基礎(chǔ)只宜用于地下水位較低、不超過四層的民用混合結(jié)構(gòu)房屋。

(5)混凝土和毛石混凝土基礎(chǔ)。當(dāng)荷載較大時(shí)，常用混凝土基礎(chǔ)。

(6)鋼筋混凝土基礎(chǔ)。鋼筋混凝土基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，常用于上部結(jié)構(gòu)荷載大或地基條件不好的建筑結(jié)構(gòu)和各種高層結(jié)構(gòu)的各種基礎(chǔ)中。

2.按構(gòu)造分類單獨(dú)基礎(chǔ)

(1)柱下單獨(dú)基礎(chǔ)。柱基礎(chǔ)的主要類型之一是單獨(dú)基礎(chǔ)。若柱的材料是鋼筋混凝土或鋼；則基礎(chǔ)材料多為混凝土或鋼筋混凝土。荷載不大時(shí)，可用磚石材料基礎(chǔ)。

(2)墻下單獨(dú)基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)荷載不大但基礎(chǔ)需要跨越障礙或深埋時(shí)，采用墻下單獨(dú)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面應(yīng)架設(shè)鋼筋混凝土過梁，其跨度一般為4m～5m。2)條形基礎(chǔ)

(1)墻下條形基礎(chǔ)。條形基礎(chǔ)是墻基礎(chǔ)的主要類型，常用磚石材料建造，必要時(shí)可用鋼筋混凝土制成，后者又分為有肋式和無肋式兩種，如圖12.3所示。12.3(a)階梯形基礎(chǔ)（b）錐形基礎(chǔ)c）杯形基礎(chǔ)（a）無肋式（b）有肋式

(2)柱下條形基礎(chǔ)。當(dāng)荷載較大而地基軟弱時(shí)，采用柱下單獨(dú)基礎(chǔ)會(huì)使基底面積過大，這時(shí)可將同一排(條)柱的基礎(chǔ)連通做成鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，如圖12.4所示。

(3)柱下十字交叉基礎(chǔ)。當(dāng)荷載更大而地基相對(duì)更軟弱時(shí)，可在柱網(wǎng)的縱、橫兩個(gè)方向都設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)連成柱下十字交叉基礎(chǔ)以提高基礎(chǔ)的承載力、剛度和整體性，減少基礎(chǔ)的不均勻沉降，如圖12.5所示。圖12.4柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)圖12.5柱下十字形基礎(chǔ)

(4)筏形基礎(chǔ)。若地基特別軟弱荷載又很大，用十字交叉基礎(chǔ)也不能滿足要求時(shí)，可采用筏形基礎(chǔ)。

(5)箱形基礎(chǔ)。箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土整片底板、頂板和鋼筋混凝土縱、橫墻組成的空間盒子，它是筏形基礎(chǔ)的進(jìn)一步發(fā)展，具有比上述各種基礎(chǔ)形式大得多的剛度和整體性。

(6)樁基礎(chǔ)。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載太大且淺層地基軟弱又不宜采用地基處理、或堅(jiān)實(shí)土層距基礎(chǔ)底面較深、采用其他基礎(chǔ)型式可能導(dǎo)致沉降過大而不能滿足地基變形與強(qiáng)度要求時(shí)，必須利用地基下部深層較堅(jiān)硬的土層作為持力層而設(shè)計(jì)成樁基。(7)其他基礎(chǔ)。其他的基礎(chǔ)有殼體基礎(chǔ)、巖層錨桿基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻、墩基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)等。12.3.3基礎(chǔ)埋置深度的選擇基礎(chǔ)的埋置深度是指室外設(shè)計(jì)地面至基礎(chǔ)底面的豎向距離?；A(chǔ)埋置深度對(duì)建筑物的安全及正常使用、施工工期和造價(jià)有很大影響，合理確定基礎(chǔ)的埋置深度是很重要的問題，應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面的因素。1.建筑物的用途2.作用在地基上的荷載大小和性質(zhì)3.工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件4.相鄰建筑物基礎(chǔ)的影響5.地基土凍脹和融陷的影響12.3.4基礎(chǔ)底面尺寸的選擇選擇基礎(chǔ)類型和埋深后，可根據(jù)修正后的地基承載力特征值計(jì)算基礎(chǔ)底面尺寸。基礎(chǔ)底面積的大小應(yīng)保證作用在基礎(chǔ)底面上的平均應(yīng)力小于或等于地基承載力的設(shè)計(jì)值?；A(chǔ)按受力情況分為軸心受壓基礎(chǔ)和偏心受壓基礎(chǔ)。1)軸心荷載作用下的基礎(chǔ)由圖12.6所示，基礎(chǔ)底面的壓力，可按下列公式確定：

式中，——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，單位為kPa；

——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值,單位為kN；

——基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，單位為kN；

A——基礎(chǔ)底面面積，單位為m2?；A(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下式要求，即地基不發(fā)生強(qiáng)度破壞：

式中，——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，單位為kPa；

——修正后的地基承載力特征值，單位為kPa圖12.6中心荷載作用下的基礎(chǔ)圖12.7單向偏心荷載（1）對(duì)于矩形基礎(chǔ)（2）對(duì)于方形基礎(chǔ)（3）對(duì)于條形基礎(chǔ)，沿長(zhǎng)度方向取1m作為計(jì)算單元，即=1.0m2)偏心荷載作用下的基礎(chǔ)把偏心荷載的偏心矩引入上式得：當(dāng)＜/6時(shí)，基底壓力呈梯形分布。＝/6時(shí)，基底壓力呈三角形分布。＞/6時(shí)，按計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，即＜0，此時(shí)基底與地基局部脫開，由于基底與地基之間承受拉力的能力很小，使基底應(yīng)力重新分布?；走吘壍淖畲髩毫椋浩暮奢d作用時(shí)，基礎(chǔ)底面的壓力尚應(yīng)符合下列要求：

確定偏心受壓基礎(chǔ)底面尺寸一般采用試算法：先按軸心受壓基礎(chǔ)所需的底面面積增大10%～40%，初步選定長(zhǎng)短邊尺寸；然后驗(yàn)算是否滿足上面兩個(gè)式子要求。如不符合，則需另行假定基底尺寸和重算，直至滿足。12.3.5確定基礎(chǔ)高度基礎(chǔ)底板的配筋，應(yīng)按鋼筋混凝土抗彎計(jì)算確定。驗(yàn)算基礎(chǔ)高度和底板配筋時(shí)，應(yīng)用扣除了基礎(chǔ)自重及其上土重后相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的地基土單位面積凈反力來計(jì)算，對(duì)偏心受壓基礎(chǔ)可取基礎(chǔ)邊緣處最大地基土單位。12.3.6基礎(chǔ)底板配筋計(jì)算基礎(chǔ)底板的配筋，應(yīng)按鋼筋混凝土抗彎計(jì)算確定。驗(yàn)算基礎(chǔ)高度和底板配筋時(shí)，應(yīng)用扣除了基礎(chǔ)自重及其上土重后相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的地基土單位面積凈反力來計(jì)算，對(duì)偏心受壓基礎(chǔ)可取基礎(chǔ)邊緣處最大地基土單位。對(duì)構(gòu)造要求如下：(1)基礎(chǔ)的邊緣高度?；A(chǔ)的邊緣高度不宜小于200mm，階梯形基礎(chǔ)每階的高度宜為300mm～500mm。(2)基底墊層。通常在底板下面澆筑一層素混凝土墊層，其厚度不宜小于70mm，墊層混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)為C10。通常采用100mm厚的C10素混凝土墊層，兩邊各伸出基礎(chǔ)100mm。(3)鋼筋底板受力鋼筋直徑不應(yīng)小于10mm，間距不大于200mm，也不宜小于100mm；當(dāng)柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)的邊長(zhǎng)大于或等于2.5m時(shí)，鋼筋長(zhǎng)度可減短10%并宜均勻交錯(cuò)布置。底板鋼筋的保護(hù)層，當(dāng)有墊層時(shí)不小于40mm；無墊層時(shí)不小于70mm。(4