1.
知晓课程内容、地基基础的基本概念、建筑工程对地基基础的要求。 

2.
了解本学科的发展情况。 

3.
了解本课程的特点和学习方法。 


1.本课程的内容
1
地基与基础属于地下隐蔽工程 ,一旦发生事故难以补救 ,有时会造成重大经济损失甚至人员伤亡。实践证明 ,建筑工程实践中出现的很多事故均与地基基础有关。随着高层建筑物的兴起 ,深基础工程增多 ,地基基础的复杂性及设计、施工的难度也不断提高。对工程中出现问题的研究解决以及经验的积累逐渐形成了本课程内容并不断发展。本课程为地基基础的施工和监理提供有关土的技术理论和技能的支持 ,具体有以下两点。 
(1)
针对室外设计地坪以下建筑工程 ,使学生搞清楚基础设计、基坑支护或放坡设计的意图以及地基处理方法的原理。 

(2)
为土方开挖、基坑降水、基坑支护或放坡、地基处理、基础施工、土方回填等施工方案的制订、施工和监理提供有关土和地下水的必备基础理论知识与技能。 


1.1.1地基基础事故
实际工程中出现的地基基础事故归纳如下。
1.地基变形事故 
1)建筑物倾斜
基础承受偏心荷载、邻近建筑物荷载在地基中扩散、地基土各部分软硬不同、高压缩性土层厚薄不均等原因均可导致高耸结构发生倾斜,如意大利比萨斜塔 (图 1.1)和我国苏州的虎丘塔 ,倾斜严重时还可导致结构物开裂。
意大利比萨斜塔是比萨大教堂的一座钟塔 ,建成于公元 1370年,石砌建筑 ,塔身为圆筒形 ,全塔共 8层,高55m。其基础底面平均压力高达 500kPa,地基持力层为粉砂 ,下面为粉土和饱和黏土层。建造过程中便发生倾斜 ,目前塔向南倾斜 ,塔北侧沉降量约 0.9m,南侧沉降量约 2.7m,塔顶偏离中心线已达 5.27m,倾斜 5.5°。该塔倾斜原因较图1.1比萨斜塔 


复杂 ,曾采用过多种方法进行处理 ,但效果并不明显。虎丘塔位于苏州市虎丘公园山顶 ,建成于公元 961年,砖塔平面呈八角形 ,全塔共 7层,高47.5m。塔身向东北方向严重倾斜 ,塔顶距离竖直中心线达 2.同时底层塔身出现不少裂缝。地基覆盖层厚度相差悬殊是虎
31m,丘塔倾斜的主要原因。后经地基加固 ,虎丘塔纠倾成功。 
2)建筑物局部倾斜
砖墙承重的条形基础 ,由于地基的不均匀沉降发生局部倾斜 ,常导致砖墙墙体开裂 ,影响房屋的安全和正常使用 ,如图 1.
3)建筑地基严重下沉2所示。 地基严重下沉多因存在高压缩性软弱土 ,可导致散水倒坡 ,室内地坪低于室外地坪 ,水、暖、电等内、外网连接管道断裂等问题 ,不同程度地影响建筑物的使用。
例如 ,墨西哥市艺术宫 (图1.3)于1904年落成 ,经几十年时间 ,地基下沉量高达 4m,邻近公路也下沉 2m。这是由地基超高压缩性淤泥的压缩变形所造成的。


图1.2某砖混房屋墙体开裂图1.3墨西哥市艺术宫 
2.建筑物基础开裂
当一幢建筑物的基础位于软硬突变的地基上时 ,在软硬突变处基础往往发生开裂。作为建筑物的根基 ,这比墙体的开裂更为严重 ,处理起来也更为困难。在池塘、故河道、防空洞等不良场地上修建建筑物需特别注意。
3.建筑物地基滑动
当建筑物施加到地基上的荷载超过地基极限承载力时 ,地基便发生强度破坏 ,整幢建筑物就会沿着地基中某一薄弱面发生滑动而倾倒 ,这往往是灾难性的事故 ,典型案例为加拿大特朗斯康谷仓 (图1.每排 13个,平面
4)。该谷仓为 5排圆筒仓 ,共 65个圆筒仓组成整体 ,呈矩形 ,长59.44m,宽23.47m,高31m,总容积 36368m3。基础为钢筋混凝土筏形基础 ,厚 61cm,埋深 3.66m。该谷仓于 1913年秋完工。10月,当谷仓装载 31822m3谷物时 ,发生严重下沉 ,1h内竖向沉降达 30.5cm,结构物向西倾斜并在 24h内倾倒。谷仓西端下沉 732m,东端上抬 
1.52m,仓身倾斜 27°。上部钢筋混筒仓完好。凝土.
事故原因是事前不了解基础下埋藏厚达 16m的软弱黏性土层 ,谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。 
4.建筑物地基溶蚀

4特朗斯康谷仓 
当地下水流速较大时 ,如果土体粗粒孔隙中充填的图1.

细粒土被冲走 ,则产生潜蚀 ,长期潜蚀会形成地下土洞并导致地表塌陷。在石灰岩溶洞发育地区或矿产开采采空区 ,在地下水渗流作用下 ,溶洞或采空区顶部土体不断塌落或侵蚀 ,最终也可导致地表塌陷。
例如 ,我国徐州市故黄河河道区域 ,沉积有较厚的粉砂和粉土 ,其底部即为古生代奥陶系灰岩 ,中间缺失老黏土隔水层 ,灰岩中存在大量溶洞与裂隙。而过量开采地下水引起的水位下降导致覆盖层粉砂和粉土中形成潜蚀与空洞并不断扩大 ,最终造成多处地面塌陷事故 ,导致塌陷区房屋倒塌 ,邻近区域房屋开裂。 
5.建筑物基槽变位滑动
人工边坡如深基基槽 ,边坡设计、施工不当 ,将导致基槽变位滑动 ,对工程施工造成影响,严重的导致邻近建筑物开裂或倒塌。例如 ,2005年7月,广州海珠区某建筑工地基坑南端约 100m挡土墙坍塌 ,造成 5人被困 ,工地边平房倒塌 ,邻近两幢建筑物出现不同程度的倾斜 ,部分墙体开裂 ,如图 1.5所示。 
6.土坡滑动
山麓或山坡上建房时 ,由于切削坡脚使土坡增加荷载或雨水入渗 ,导致山坡失稳滑动 ,房屋倒塌。例如 ,1972年7月,香港发生一起大滑坡事故 ,位于山坡上的一幢高层住宅 ———宝城大厦被冲毁倒塌 ,同时砸毁邻近一幢住宅楼一角约 5层住宅 ,造成大量人员伤亡 ,如图1.6所示。事故的原因是山坡上残积土本身强度较低 ,加之雨水入渗其强度大大降低 ,使得土体滑动力超过土的强度 ,导致山坡土体发生滑动。


图1.5广州某建筑工地挡土墙坍塌图1.6香港宝城大厦倒塌 
7.建筑物地基震害 
1)地基液化
饱和状态的疏松粉、细砂或粉土 ,在强烈地震作用下产生液化 ,地基土呈液态 ,从而失去承载力 ,导致建筑物倾斜、开裂等事故发生。例如 ,1964年6月,日本新潟发生 7.5级强烈地震 ,导致大面积饱和砂土地基液化 ,许多建筑物倾斜 ,如图 1.7所示。 
2)地基震沉
当建筑物地基为软弱黏性土时 ,在发生强烈地震时 ,由于土质强度降低 ,基础底部软土侧向挤出 ,会产生严重的震沉。例如 ,唐山矿冶学院图书馆书库 ,在 1976年 7月唐山地震时,震沉一层楼 ,室外地面与二层楼地板相近 ,如图 1.8所示。 
8.冻胀事故
寒冷地区地基可能产生冻胀 ,导致墙体开裂。

图1.7日本新潟 1964年震害图1.8唐山矿冶学院图书馆书库震沉 
1.1.2课程的知识构架和基本概念
本课程内容主要包括 :土性指标与土力学基本理论、地基基础设计原理与方法、基础和基坑支护的构造措施、土工试验基本方法、岩土工程勘察报告的阅读与应用等。有关基本概念如下。 
1.地基基础 
1
)土的特点
土具有碎散性、压缩性、固体颗粒间的相对移动性及透水性等特点。 


2
)土的用途
土可作为地基 ,也可作为建筑材料 ,如路基、堤坎。 


3
)地基与基础的概念地基 :支承基础的土体或岩体 ,如图 1.9所示。基础 :将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。它是建筑物最底下且


扩大的这一部分 ,如图 1.9所示。持力层 :位于基础底面下的第一层土。下卧层 :持力层下的土层。

图1.
9地基基础示意

4
)地基的分类 

(1)
按地质情况分为土基和岩基。 

(2)
按设计施工情况分为天然地基和人工地基。
天然地基 :无须处理而直接利用的地基。
人工地基 :经过人工处理而达到设计要求的地基。 



2.土力学
地基基础设计的主要理论依据为土力学。土力学是利用力学知识和土工试验技术来研究土的强度、变形及其规律等的一门科学。它研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。其中 ,土的本构关系 ,即土的应力、应变、强度、时间四变量之间的内在联系。 
3.地基基础设计等级
《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)(以下简称《规范》)根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度 ,将地基基础设计分为三个设计等级 ,设计时应根据具体情况按表 1.1选用。
表1.1地基基础设计等级
设计等级 建筑和地基类型 
甲级 重要的工业与民用建筑物 30层以上的高层建筑体形复杂 ,层数相差超过 10层的高低层连成一体的建筑物大面积的多层地下建筑物 (如地下车库、商场、运动场等 )对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建筑物 (包括高边坡 )对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的 2层及 2层以上地下室的基坑工程开挖深度大于 15m的基坑工程周围环境条件复杂、环境保护要求高的基坑工程 
乙级 除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物除甲级、丙级以外的基坑工程 
丙级 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的 7层及 7层以下民用建筑及一般工业建筑物,次要的轻型建筑物非软土地区且场地地质条件简单、基坑周边环境条件简单、环境保护要求不高且开挖深度小于 5.0m的基坑工程  

4.地基设计的基本原则 
1)地基的强度要求
地基的强度要求作用于地基的荷载不超过地基的承载力 ,保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。《规范》规定 :所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定。此条为强制性条文。

6 

2)地基的变形要求
控制基础沉降,使之不超过地基的变形允许值,保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。《规范》规定:设计等级为甲级、乙级的建筑物,均应按地基变形设计;设计等级为丙级的建筑物,有以下情况之一时应做变形验算。 
(1)地基承载力特征值小于130kPa,且体形复杂的建筑。 
(2)在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大,可能引起地基产生过大的不均匀沉降时。 
(3)
软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时。 

(4)
相邻建筑距离近,可能发生倾斜时。 

(5)
地基内有厚度较大或厚薄不均的填土,其自重固结未完成时。
以上为强制性条文。 


3
)地基的稳定性要求


《规范》规定:对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等,以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物,尚应验算其稳定性;基坑工程应进行稳定性验算;建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,尚应进行抗浮验算。以上为强制性条文。 
5.基础设计中必须满足的技术条件
基础应当具有足够的强度、刚度和耐久性。 
1.本学科发展概况
2
地基与基础既是一项古老的工程技术,又是一门年轻的应用科学。远古先民在史前的建筑活动中便已创造了自己的地基基础工艺,我国西安半坡新村新石器时代遗址的考古发掘就发现有土台和石础。举世闻名的长城蜿蜒万里,如处理不好有关岩土问题,就不能穿越各种地质条件的广阔地区,成为亘古奇观。作为本学科理论基础的土力学,始于18世纪兴起工业革命的欧洲。1773年,法国的库仑(Coulomb)根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式,提出了计算挡土墙土压力理论。1857年,英国的朗肯(Rankine)又从另一途径提出了挡土墙土压力理论。1885年,法国的布辛奈斯克(Bous
inesq)求得了弹性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解答。1922年,瑞典的费伦纽斯(Fel
enius)为解决铁路塌方提出土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法至今仍在广泛使用。 
1925年,美国的太沙基(Terzaghi)发表了《土力学》专著,于1929年又发表了《工程地质学》。从此,土力学与基础工程成为一门独立的学科而取得不断进展。 
20世纪60年代后期,由于计算机的出现、计算方法的改进与测度技术的发展以及本构模型的建立等,土力学迎来了发展的新时期。现代土力学主要表现为一个模型(即本构模型)、三个理论(即非饱和土的固结理论、液化破坏理论和逐渐破坏理论)、四个分支(即理论土力学、计算土力学、试验土力学和应用土力学,其中,理论土力学是龙头,计算土力学是筋脉,试验土力学是基础,应用土力学是动力)。近年来,我国在工程地质勘察,室内及现场土工试验,地基处理新设备、新材料、新工艺的研究和应用方面取得了很大进展。在大量理论研究与实践经验的基础上,有关基础工程的各种设计与施工规范或规程等也相应问世或日臻完善。当然,由于土性复杂,目前的土力学与地基基础理论尚需不断完善。 

1.本课程的特点和学习要求
3
本课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域,内容广泛、综合性强。学习时需面向施工与监理,掌握建筑地基基础领域的基本知识、技能和分析方法。其中,土力学的学习包括理论、试验和经验。
理论学习,即掌握理论公式的意义和应用条件,明确理论的假定条件,掌握理论的适用范围。
试验是了解土的物理性质和力学性质的基本手段,重点掌握基本的土工试验技术,尽可能地多动手操作,从实践中感知土性、获取知识、积累经验。
经验在工程应用中是必不可少的,工程技术人员要不断从实践中总结经验,以便能切合实际地解决工程实际问题。
作为试验性学科,应注意理论的假设和应用范围,注意理论联系实际。 
..............................
思考题 .............................. 

1.
与地基基础有关的工程事故主要有哪些? 

2.什么是地基
?什么是基础?它们各自的作用是什么? 

3.什么叫持力层
?什么叫下卧层? 

4.什么是天然地基
?什么是人工地基? 

5.什么是土力学
? 

6.
土与其他建筑材料相比,具有哪些独特的性质? 

7.
地基设计的基本原则是什么? 

8.
基础设计中必须满足的技术条件是什么? 

知识目标 

1.
能叙述地质作用、地质年代的概念。 

2.
能描述第四纪沉积物类型及其工程特点。 

3.
知晓地下水的埋藏条件和对工程的影响。 

4.
能叙述和理解土的渗透性指标的含义及表达式。 

5.
能叙述流土、管涌概念 ,描述防治流土、管涌的措施。




能力目标
通过计算和分析 ,能初步判断基坑出现流土、管涌的可能性 ,并根据现场实际情况初步提出流土、管涌解决方案。 
2.1概述 
2.1.1地质作用
建筑场地的地形、地貌和组成物质 (土与岩石 )的成分、分布厚度及特性 ,取决于地质作用。地质作用可分为内力地质作用和外力地质作用。 
1.内力地质作用
内力地质作用一般认为是由地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等引
起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。其表现为岩浆活动、地壳运
动(构造运动 )和变质作用。
岩浆活动可使岩浆沿着地壳薄弱地带侵入地壳或喷出地表 ,岩浆冷凝后生成的岩石称
为岩浆岩。地壳运动则形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。在岩浆活动和
地壳运动过程中 ,原来生成的各种岩石在高温、高压及渗入挥发性物质 (如水、二氧化碳 )的
变质作用下生成另外一种新的岩石 ,称为变质岩。 
2.外力地质作用
外力地质作用是由太阳辐射能和地球重力位能引起的地质作用 ,如昼夜和季节气温
变化 ,雨雪、山洪、河流、冰川、风及生物等对地壳表层岩石产生的风化、剥蚀、搬运与沉积
作用。
不同的风化作用形成不同性质的土。风化作用有以下两种类型。

1)物理风化
岩石受风、霜、雨、雪的侵蚀 ,温度、湿度变化 ,出现不均匀膨胀与收缩 ,产生裂隙 ,崩解为碎块 ,这个过程称为物理风化。物理风化只改变岩石颗粒的大小和形状 ,而不改变其矿物成分。其产物的矿物成分与母岩相同 ,称为原生矿物 ,如石英、长石和云母等。物理风化生成粗颗粒的无黏性土 ,如碎石、砾石、砂等。 
2)化学风化
岩石碎屑与周围的水、氧气、二氧化碳等物质接触 ,并受到动植物、微生物的作用 ,发生化学反应 ,产生出与原来岩石颗粒成分不同的次生矿物 ,这个过程称为化学风化。化学风化形成的细粒土颗粒具有黏结力 ,为黏土矿物 ,如蒙脱石、伊利石和高岭石等 ,通常称为黏性土。
外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件 ,而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。地表已有的各种岩石 ,经过风化和侵蚀 ,在风、流水、冰川、海洋等的作用下 ,搬运到另一地点堆积起来 ,经过压密和胶结成为岩石 ,这种岩石称为沉积岩。 
2.1.2地质年代
土和岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般说来 ,生成年代越久 ,土和岩石的工程性质越好。
地质年代是指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。地球
形成至今大约有 60亿年 ,在这漫长的地质年代 ,地壳经历了一系列复杂的演变过程 ,形成了
各种类型的地质构造和地貌以及复杂多样的岩石和土。地质年代有绝对和相对之分 ,相对
地质年代在地史的分析中广为应用。根据地层对比和古生物学方法 ,把地质相对年代划分
为五大代 (太古代、元古代、古生代、中生代和新生代 ),下分若干纪、世、期。相应的地层单位
为界、系、统、阶(层)。地质年代的划分详见附录。
通常所说的土产生于新生代第四纪更新世 (距今 100万 ~1.2万年 ),更新世又分为早更新世 (Q1)、中更新世 (Q2)、晚更新世 (Q3),其后为全新世 (Q4)。 
2.第四纪沉积物
2
地表的岩石经风化剥蚀成岩屑 ,又经搬运、沉积而成沉积物 ,年代不长、未经压紧硬结成岩石之前呈松散状态 ,称为第四纪沉积物 ,即土。不同成因类型的土各具有一定的分布规律和工程地质特性。根据搬运和沉积的情况不同 ,可分为以下几种类型。 
2.2.1残积物
残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化产物 (图2.1)。颗粒未被磨圆或分选,多为棱角状粗颗粒土。残积物与基岩之间没有明显界限 ,通常经过一个基岩风化带而直接过渡到新鲜岩石 ,其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。残积物主要分布在岩石出露地表 ,经受强烈风化作用的山区、丘陵地带与剥蚀平原。由于残积物没有层理构造、裂隙多、均质性很差 ,作为建筑物地基 ,应注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。


图2.1残积物示意 
2.2.2坡积物
坡积物是雨雪、水流的作用力将高处岩石风化产物缓慢地冲刷、剥蚀 ,并顺着斜坡向下移动 ,沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物 ,一般分布在坡腰至坡脚 (图 2.2),自上而下呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。由于坡积物形成于山坡,常发生沿下卧基岩倾斜面滑动的现象。其组成物质粗、细颗粒混杂 ,土质不均匀 ,厚度变化大 ,土质疏松 ,压缩性高。其作为建筑物地基 ,应注意不均匀沉降和稳定性问题。

图2.
2坡积物示意 
2.2.3洪积物
由暴雨或大量融雪形成山洪急流 ,冲刷、挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物 (图2.3)。
山洪流出沟谷口后 ,由于流速骤减 ,被搬运的粗颗粒物质首先大量堆积下来 ,离谷口较
远的地方颗粒变细 ,分布范围逐渐扩大。其地貌特征为 :靠谷口处窄而陡 ,离谷口后逐渐宽
而缓 ,形如扇状 ,称为洪积扇。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。