第1章


绪论


1.1课程简介
基础工程(foundation engineering)是研究建筑物的地基和基础之间相互作用、协调变形、维持稳定的学科。
从世界各地留存的宫殿楼宇、寺院教堂、古道堤岸等可以推测，人们对基础工程的认识绝非近代的事情。有些建筑历经数百年而巍然屹立，必有稳固的基础。我国都江堰水利工程、举世闻名的万里长城、隋朝南北大运河、黄河大堤、赵州石拱桥等都具有牢固的基础，经历了无数次强震、强风仍安然无恙。至今仍在使用的石灰桩，以及灰土、瓦渣垫层等古老的传统地基处理方法，都彰显了基础工程技术的实用性和生命力。钱塘江南岸发现的河姆渡文化遗址中7000年前打入沼泽地的木桩，郑州隋朝超化寺打入淤泥的塔基木桩，杭州湾五代大海塘工程木桩等都是我国古代桩基技术应用的典范。只不过限于当时的理论水平，上述技术提升不到设计层次，而作为世代相传的工程典型，从施工经验和技法上加以控制，类似于现代基础规范中的构造要求。
近代岩土力学、材料力学、结构力学等理论为高楼大厦的兴建奠定了坚实的理论基础，钢筋、混凝土等新材料的问世架起了腾飞的翅膀，现代施工设备为复杂高耸建筑的实施提供了保障，行业标准和专业人才为现代建筑提供了可复制与大规模建设的条件，有限元数值模拟方法和基于信息的设计软件提供了全新的设计体系。以上各方面技术的进步，使得各种复杂的现代建筑都能够拥有一个稳妥的基础。
近年来，随着我国城市化进程的推进和地下空间开发的发展，不断对基础工程技术提出新要求，使基础工程不断出现新的研究方向和课题，推动了基础工程创新理论和工艺的发展，特别是在变刚度调平设计、地基处理方法、共同作用分析等方面有较大创新，成为我国基础工程技术中的亮点。
总之，基础工程是充满活力而又博大精深、科学与技术相结合的学科。只有掌握了基本的设计理论与必要的施工技术基础，才能针对具体工程，灵活运用所学知识和设计软件体系进行设计和施工。
基础是建筑物的根本。基础的设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。大量例子表明，建筑物表观可见的许多缺陷和事故其实与基础问题有关。另一方面，由于基础位于地面以下，属于隐蔽工程，一旦发生事故，则损失巨大，补救和处理十分困难，甚至无法补救，所以基础工程经常会成为工程中的热点和难点问题。而且基础工程施工常在水下进行，往往需要挡土止水，施工难度大，工程造价高。据统计，一般高层建筑中，基础工程造价占总造价的20%~30%，施工工期占建筑总工期的25%~30%。另外，上层建筑可以复制，但地质条件千差万别，基础部分需要单独设计。相邻的建筑物虽然近在咫尺，但基础方案绝不可照搬。所以，从安全与经济角度讲，基础工程对于一项地质工程而言是极其重要的。
本课程的内容可应用于： 工业与民用建筑、桥梁与城铁等交通设施、高塔等各类构筑物、海上石油平台、港口码头等设施的基础设计与施工，盾构隧道、顶管、矿山竖井等进出口的支护与加固，古代建筑纠偏与托换等。




纵观国内外各院校的《基础工程》教材，无外乎包含以下内容。
(1) 岩土工程勘察： 包括勘察基本要求、勘察方法、岩土分级、土工试验等。
(2) 地基计算： 包括土的应力、变形、地基承载力、地基稳定性等。
(3) 土压力与挡土墙： 包括土压力概念，朗肯、库仑土压理论，重力式挡土墙等。
(4) 浅基础设计： 包括设计原则，无筋基础，扩展基础，筏、箱基础等。
(5) 桩基础： 包括桩基础的设计、各种工法的施工、桩基质量验收等。
(6) 地基处理： 包括复合地基的概念与设计，各种地基处理方法的原理、适应性、设计、施工等。
(7) 特殊土地基： 各国工程中涉及的具有地域特性的土，如软土、黄土、冻土、填土、膨胀土、盐渍土、红黏土等。
(8) 基坑与边坡工程： 包括基坑支护形式、基坑设计、基坑施工、地下水控制等。
(9) 基础抗震： 包括基础抗震设计原则，液化土的判别、评价与分级，液化土的处理措施等内容。
鉴于各高校的培养目标和课程体系设置的差异，各教材关于上述内容选择的侧重点各有不同。以中国地质大学（北京）为例，因地质方面分类较细，将勘察、土力学、基坑与边坡支挡分离为单独的课程，故在本书中略去这些内容。
基础工程课程具有以下三方面的特点。
(1) 综合性。基础工程学科是土木工程的一个重要分支，其内容涉及工程地质学、土力学、弹性力学、结构力学等课程知识，内容广泛、综合性强。
(2) 实践性。本课程是一门应用性、专业性很强的学科。工程人员在设计和施工中，为使基础工程问题得到切合实际的、合理完善的解决，除掌握丰富的理论知识外，还需要充足的工程实践经验。有些内容除了大学期间的理论学习之外，尚需毕业后若干年的实践经验才能做到融会贯通。
(3) 变化性。各国的基础工程设计与施工都是以当地相关的规范为依托的，规范总结了地基基础工程实践中的成功经验与失败教训，对设计内容、施工方法和质量检验标准作出了各种规定，是具体工程设计、施工、验收必须遵循的准则。但由于涉及的行业规范众多，且每隔几年尚有修订，故课程内容需要与时俱进，常随规范的修订而更新。
“基础工程”课程涉及的知识主要来自于工程地质学、土力学、钢筋混凝土结构、材料力学、结构力学、弹性力学等。其中，与本课程关系最密切的课程是土力学和钢筋混凝土结构。土力学找到了基础发生问题的原因，基础工程提供具体的设计方法与处理措施，在结构设计方面若有钢筋混凝土结构方面的知识，则对于配筋计算和混凝土强度计算就容易理解。
关于本课程的学习，有以下几点建议。
(1) 温故知新。课程内容涉及“土力学”“钢筋混凝土结构”等课程中的知识时，若有疑问，应及时查找与推导，正确理解本书的内容。
(2) 以自学为主。自觉主动地学习书中内容和查阅相关文献，不要有仅靠听课就学好的想法，只把听课与听讲座当作检验学习效果和扩展视野的验证性学习。
(3) 培养研究性学习。用批判的眼光发现问题，通过缜密的逻辑分析问题，结合知识体系解决问题，借鉴具体工程案例训练应用能力。
(4) 坚持自学、讨论、听课相结合，预习、练习、探索相结合。课下投入足够的时间和精力查阅相关期刊文章、规范和辅助教材，了解国内外专业动态。
(5) 学习要积极、主动、勤勉、用心，注重平时用功，鄙弃考前突击。
1.2地基
要修建建筑物，就需要土地。工程建筑本身占用及直接使用的土地称为场地(site)，而场地内直接承托建筑物基础的岩土体称为地基(subsoil，ground)(图11)。
地基分为天然地基和人工地基。天然地基(natural ground)是指未做处理直接承托基础的天然土层。人工地基(artificial ground)是指特殊土层经加固改良后形成的地基(图12)。特殊土层包括湿陷性黄土、膨胀土、软土、冻土等。



图11地基与基础的接触关系




图12人工地基


为表述地基中的各层土，引入了持力层和下卧层的概念。持力层(bearing stratum)是指直接支撑建筑物基础的地层。下卧层(underlying stratum)是指持力层下面的各个土层。所以，持力层只有一层，而下卧层则可有多层。

1.3基础
基础(foundation)是建(构)筑物的下部结构(图11)。基础顶面承受着建(构)筑物的自重及其上的各种作用，并通过基础底面将其上的作用传递到地基中。基础一般应埋入地面下一定深度，进入较好的地层(持力层)。
根据基础的埋置深度和施工方法，将基础分为浅基础和深基础。
1.3.1浅基础
浅基础(shallow foundation)是指在水平方向通过增大基础底面面积来满足基底压力和上部结构沉降要求的基础形式。也有人使用不太严格的定义，将浅基础定义为： 埋深不超过5 m，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。
通常从结构形式和基础刚度角度对浅基础进行分类。
1.3.1.1按结构形式分类
按结构形式，将浅基础分为： 独立基础、条形基础、十字交叉基础、筏板基础、箱形基础、壳体基础等。
1. 独立基础
独立基础(pad foundation)也称单独基础(isolated foundation)，是指柱下或墙下相对孤立、基础之间没有交叉连接的基础，如图13所示。这类基础可以是有筋基础，也可以是无筋基础。独立基础通常用作框架结构、排架结构、烟囱、水塔、高炉等构筑物的基础。


图13独立基础

(a) 柱下独立基础； (b) 墙下独立基础


2. 条形基础
条形基础(strip foundation)简称条基，是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式，长宽比一般大于10。按上部结构形式的不同，条形基础分为墙下条形基础和柱下条形基础。
当柱的荷载过大，地基承载力不足时，可将单独基础底面联结成柱下条形基础，以承受一排柱列的总荷载，见图14（a）。民用住宅砌体结构大部分采用墙下条形基础，此时按每延米墙体传递的荷载计算墙下条形基础的宽度，见图14（b）。


图14条形基础

(a) 柱下条形基础； (b) 墙下条形基础


条形基础的抗弯刚度较大，因而具有调整不均匀沉降的能力，并能将所承受的集中柱荷载较均匀地分布到整个基底面积上。柱下条形基础是常用于软弱地基上框架或排架结构的一种基础形式。
3. 十字交叉基础
当柱网下地基较弱、土的压缩性不均匀或柱荷载分布沿着两个柱列方向都不均匀，沿柱列一个方向上设置柱下条形基础已经不能满足地基承载力要求或地基变形要求时，应当考虑沿柱列的两个方向都设置条形基础，形成十字交叉条形基础(图15)，以增大基础底面面积和基础刚度，减少基底附加应力和基础不均匀沉降。


图15十字交叉基础


4. 筏板基础
筏板基础(raft foundation)也称筏形基础、片筏基础，简称筏基，是指采用钢筋混凝土做成的连续整片基础(图16)，分为平板式和梁板式两种类型。平板式筏板基础是一块等厚度的钢筋混凝土平板； 若在板上沿柱轴纵横向设置基础梁，即形成梁板式筏板基础。肋梁可布置在板的上部(柱的下部)形成上肋梁式板，也可布置在筏板的下部，形成下肋梁式筏板。



图16筏板基础

(a) 平板式； (b) 下肋梁式； (c) 上肋梁式


筏板基础由于底面积大，故可减小基底压力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。此外，筏板基础还具有前述各类基础所不完全具备的良好功能，例如： 跨越地下浅层小洞穴和局部软弱层的能力； 可提供比较宽敞的地下使用空间，作为地下室、地下停车场、水池、油库等的防渗底板； 可增强建筑物的整体抗震性能； 具有较强的调整差异沉降的能力，等等。
5. 箱形基础
箱形基础(box foundation)简称箱基，是由底板、顶板、侧墙及一定数量内隔墙构成的整体刚度较大的单层或多层钢筋混凝土基础，


图17箱形基础


如图17所示。其埋深大、强度高、整体刚度大，适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。

箱形基础是高层建筑必需的基础形式。箱形基础的中空结构形式，使得基础自重小于开挖基坑卸去的土重，基础底面的附加压力比实体基础少，从而提高了地基土层的稳定性，降低了基础沉降量。箱形基础的抗震性能较好。
高层建筑的箱基往往与地下室结合考虑，其地下空间可作人防、设备间、库房、商店使用。但由于内墙分隔，箱基地下室的用途不如筏基地下室广泛，例如不能用作地下停车场等。
箱基的钢筋水泥用量大，工期长，造价高，施工技术比较复杂。在进行深基坑开挖时，还需考虑降低地下水位、坑壁支护及对周边环境的影响等问题。因此，应与其他基础方案做技术经济比较之后再确定是否采用箱形基础。
6. 壳体基础
壳体基础(shell foundation)是由正圆锥形及其组合形式构成的一类基础，可用于一般工业与民用建筑柱基和筒形构筑物(如烟囱、水塔、料仓、中小型高炉等)的基础。这种基础使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和钢筋用量30%。
一般情况下壳体基础施工时不必支模，土方挖运量也较少。不过，由于较难实行机械化施工，因此施工工期长、工作量大、技术要求高。
1.3.1.2按刚度分类
按基础刚度，可将浅基础分为刚性基础和柔性基础。
1. 刚性基础
刚性基础(rigid foundation)又称无筋扩展基础(unreinforced spread foundation)，指用抗压强度较高而抗拉、抗弯、抗剪强度较低的材料砌筑的墙下条形基础或柱下独立基础。
刚性基础材料通常为砖、毛石、混凝土、毛石混凝土、灰土、三合土等，设计与施工时须满足材料刚性角的要求，适于用作6层和6层以下的民用建筑、轻型厂房、轻型桥梁、涵洞的基础(图18)，以及重力式墩台下的刚性扩大基础、挡土墙下的条形基础等。



图18无筋扩展基础

(a) 砖基础； (b) 毛石基础； (c) 毛石混凝土基础； (d) 灰土基础； (d) 混凝土基础


刚性基础的特点是稳定性好，能就地取材，造价不高，设计施工简便。但其强度不高，截面尺寸较大，埋深受限制，荷载较大时难以采用，某些材料受地下水影响，其承载力和耐久性变化较大。当持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，需要对地基进行处理或加固后才能使用。
进行无筋扩展基础设计时，通过规定基础材料强度、限制台阶宽高比来满足地基承载力要求，一般无须进行繁杂的内力分析和截面强度计算。
2. 扩展基础
扩展基础(spread foundation)本意是指通过扩大基底面积来实现压力扩散，使基底压力满足地基土的允许承载力和基础材料本身强度要求的一种基础形式。但现在扩展基础一词专指有筋扩展基础(reinforced spread foundation)，分为柱下钢筋混凝土独立基础(reinforced concrete pad foundation under columns)和墙下钢筋混凝土条形基础(reinforced concrete strip foundation under walls)两种形式。因钢筋混凝土基础具有一定的抗弯和抗剪能力，故扩展基础又称为柔性基础(flexible foundation)或弹性基础(elastic foundation)。这种基础适用于上部结构荷载比较大、地基比较柔软，用刚性基础不能满足要求的情况。
柔性基础的设置不受刚性角限制，可以将基础底面尺寸扩大，适合宽基浅埋的情形。
1） 墙下钢筋混凝土条形基础
墙下钢筋混凝土条形基础分为不带纵肋和带纵肋两种形式(图19)。一般情况下可采用无肋的基础。如地基不均匀，为了增强基础的整体性和抗弯能力，可以采用有肋的墙下钢筋混凝土条形基础，肋部配置足够的纵向钢筋和箍筋，以承受由不均匀沉降引起的弯曲应力。



图19墙下钢筋混凝土条形基础

(a) 无肋式； (b) 有肋式


2） 柱下钢筋混凝土独立基础
柱下钢筋混凝土独立基础通常做成阶梯形、锥形和杯口形。现浇柱的独立基础可做成锥形或阶梯形，预制柱则采用杯口基础，杯口基础常用于装配式单层工业厂房。
1.3.1.3浅基础的类型选择
在选择建筑物的基础形式时，主要考虑两个方面的因素： 一是建筑物的性质，如建筑物的用途、重要性、结构形式、荷载性质和大小等； 二是地基的工程地质和水文地质条件，如岩土层的分布、土力学性质及地下水的分布与成分等。
在进行建筑工程浅基础选型时，考虑到基础施工的复杂程度和经济性，一般遵循以下的基础选型顺序： 刚性基础→柱下独立基础→柱下条形基础→十字交叉基础→筏板基础→箱形基础。
不同结构类型的浅基础的适用条件总结于表11中。


表11浅基础的结构类型及适用条件



浅基础类型适 用 条 件

无筋扩展基础由砖、石、混凝土、灰土等材料筑成的条形基础或独立基础。适用于受压不受拉的场合，如多层民用建筑和轻型厂房
钢筋混凝土扩展基础包括墙下钢筋混凝土条形基础和柱下钢筋混凝土独立基础。适用于竖向荷载较大、作用有水平力或弯矩、地基承载力不高但较均匀、埋藏深度要求浅的场合
柱下条形基础适用于地基较软弱、柱荷载不均匀或地基压缩性不均匀的场合
筏板基础适用于基底面积较大、地基土体不均、上部荷载较大、承受水平力或力矩、基础整体性要求高、建筑物下部需要较大开阔空间的场合
箱形基础适用于软弱地基土上的高层、重型、抗震、对不均匀沉降要求严格、对基础刚度和整体性要求高的建筑物
壳体基础适于用作球形、筒形建筑物的基础，如烟囱、水塔、料仓、高炉、粮库、油库等的基础

1.3.2深基础
深基础(deep foundation)是指当浅层土质不良时，将基础深埋，通过侧摩阻力及端阻力来支撑上部结构荷载的基础形式，包括桩基础、沉井或沉箱基础、地下连续墙基础等。

1.3.2.1桩基础


图110桩基础


桩基础(pile foundation)是将上部结构荷载通过桩传递给所穿越地层及桩端地层，由桩、承台、桩间土、桩端土共同受力的基础形式。桩基础由若干根桩和承台两部分组成。桩是全部或部分埋入地基土中的杆状构件，承台是嵌固于桩顶的钢筋混凝土平台，用于承托上部结构(图110)。
桩基础多用于以下情况： 
(1) 荷载较大，地基上部土层较弱，适宜的地基持力层位置较深,采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时； 
(2) 在建筑物荷载作用下，地基沉降计算结果超过有关规定或建筑物对不均匀沉降敏感时； 
(3) 当施工水位或地下水位较高，河道冲刷严重时。


图111沉井基础

1—上层结构物； 2—基础顶板； 

3—充填物； 4—沉井


1.3.2.2沉井基础
沉井(caisson)是井筒状的结构，如图111所示。先在地面预定位置或在水中筑岛处预制井筒结构，然后在井内挖土，依靠沉井自重克服井壁摩阻力下沉至设计标高，经混凝土封底，并填塞井内部，便可用作建筑物深基础。
沉井既是基础，又是施工时挡水和挡土围堰结构物，在桥梁等工程中得到较广泛的应用。主要应用场合有： 
(1) 上部结构荷载较大，而表层地基土承载力不足，做深基坑开挖工作量大，基坑的坑壁在水、土压力作用下支撑困难，而在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础较其他类型基础经济且合理时； 
(2) 河底有较好持力层，但河水较深，冲刷大，采用扩展基础施工围堰有困难时。

1.3.2.3地下连续墙基础
地下连续墙是在泥浆护壁的条件下，使用专门的成槽机械，在地面下开挖狭长深槽，然后在槽内设置钢筋笼，浇筑混凝土，逐步形成的地下钢筋混凝土墙体。它可直接承受上部结构荷载，既是地下工程施工的临时支护结构，又可用作建筑物的永久地下承载结构。
地下连续墙可穿过各种土层进入基岩，有地下水时无须采取降低地下水位的措施。用它作为建筑物的深基础时，可以地下、地上同时施工，在工期紧张的情况下，为采用“逆作法”施工提供了可能。目前其在桥梁基础、高层建筑箱基与筏基、车站码头的深基础工程中都有广泛的应用。
1.4基础工程设计
基础工程设计需考虑地基和基础两方面的要求。在满足地基承载力、地基变形和地基稳定性的基础上，进行基础结构内力分析、截面高度计算和配筋设计。
1.4.1设计所需资料
设计基础时必须掌握足够的资料，这些资料包括两大部分： 一部分是地质资料，另一部分是上部结构资料。
工业与民用建筑基础设计前必须收集的有关资料如下。

(1) 建筑场地的地形图。
(2) 建筑场地的工程地质勘察报告。包括： 建筑物下部工程地质条件、地层结构、各土层的物理力学性质、地基承载力，以及地下水位埋深与水质、当地冻深等因素。
(3) 上部结构资料。包括： 建筑物上部结构的形式、规模、用途、对不均匀沉降的敏感性，传至基础顶面和底面的荷载(包括竖向力、水平力和弯矩)等。
(4) 建筑材料供应情况、施工单位的设备和技术力量等。
在设计桥梁墩台基础时，应收集的资料如下。
(1) 铁路或公路的线路情况。包括： 线路等级、中心标高、平面、立面上的线型等。
(2) 地形情况。包括： 沿桥梁中轴线的河床断面、墩台位置处的地形和水流方向等。
(3) 水文条件。包括： 高水位、低水位、施工水位、流速、冲刷深度等。
(4) 工程地质条件。包括： 钻孔柱状图和地质剖面图等，图上应标明各土层厚度及其物理力学性质，土中有无大孤石，岩面标高及其倾斜度，基岩中有无断层、溶洞、破碎带等。
(5) 桥跨和墩台的构造形式。包括： 跨长、全长、梁高、支座形式、墩身尺寸等。
(6) 施工力量情况。包括： 人力、物力及其技术水平等。
(7) 当地情况。包括： 当地有何建筑材料可供使用、地方交通、电力供应、水源等。
1.4.2极限状态
我国现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)要求基础设计时采用极限状态设计法(limit state approach)，包括承载能力极限状态(ultimate limit state)和正常使用极限状态(serviceability limit state)双控设计。
所谓极限状态(ultimate state)是指整个结构或构件超过设计规定的某一功能要求时所对应的状态。基础的承载能力极限状态(limit states of bearing capacity of foundation)是指基础的结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形时所对应的状态。基础的正常使用极限状态(serviceability limit states of foundation)是指基础的结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的状态。地基的正常使用极限状态(serviceability limit states of subgrade)是指地基变形未超过建筑物允许限值的状态。
当基础结构出现下列状态之一时，认为超过了基础的承载能力极限状态： 
(1) 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等)； 
(2) 结构构件因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度塑性变形而不适于继续承载； 
(3) 机构转变为机动体系； 
(4) 结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)； 
(5) 地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。
当地基基础出现下列状态之一时，认为超过了基础的正常使用极限状态： 
(1) 影响正常使用或外观的变形； 
(2) 影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包括裂缝)； 
(3) 影响正常使用的振动； 
(4) 影响正常使用的其他特定状态。