二級建筑師建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備：地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)講義

一、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

1 .對地基計(jì)算的要求

根據(jù)地基復(fù)雜程度、建筑物規(guī)模和功能特征以及由于地基問題可能造成建筑物破壞或影響正常使用的程度， 《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 》 將地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分為三個設(shè)計(jì)等級(參見GB50007-2011中表3.0.1)。

根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級及長期荷載作用下地基變形對上部結(jié)構(gòu)的影響程度，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：

( l )所有建筑物的地基計(jì)算均應(yīng)滿足承載力計(jì)算的有關(guān)規(guī)定;

( 2 )設(shè)計(jì)等級為甲、乙級的建筑物，均應(yīng)按地基變形設(shè)計(jì);

( 3 ) 《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB50007-2011)中表 3 . 0 . 2 所列范圍內(nèi)設(shè)計(jì)等級為丙級的建筑物可不作變形驗(yàn)算，如有下列情況之一時，仍應(yīng)作變形驗(yàn)算：

l )地基承載力特征值小于 130kPa ，且體型復(fù)雜的建筑;

2 )在基礎(chǔ)上及其附近有地面堆載或相鄰基礎(chǔ)荷載差異較大，可能引起地基產(chǎn)生過大的不均勻沉降時;

3 )軟弱地基上的建筑物存在偏心荷載時;

4 )相鄰建筑距離過近，可能發(fā)生傾斜時;

5 )地基內(nèi)有厚度較大或厚薄不勻的填土，其自重固結(jié)未完成時。

( 4 )對經(jīng)常受水平荷載作用的高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和擋土墻等，以及建造在斜坡上或邊坡附近的建筑物和構(gòu)筑物，尚應(yīng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性;

( 5 )基坑工程應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算;

( 6 )當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題剛，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

2 .關(guān)于荷載取值的規(guī)定

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，所采用的荷載效應(yīng)最不利組合與相應(yīng)的抗力限值，應(yīng)按下列規(guī)定采用：

( 1 )按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及埋深時，傳至基礎(chǔ)底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合。相應(yīng)的抗力應(yīng)采用地基承載力特征值。

( 2 )計(jì)算地基變形時，傳至基礎(chǔ)底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)永久組合，不應(yīng)計(jì)人風(fēng)荷載和地震作用。相應(yīng)的限值應(yīng)為地基變形允許值。

( 3 )計(jì)算擋土墻土壓力、地基和斜坡的穩(wěn)定及滑坡推力時，荷載效應(yīng)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，但其分項(xiàng)系數(shù)均為 1.0。

( 4 )在確定基礎(chǔ)高度、支擋結(jié)構(gòu)截面、計(jì)算基礎(chǔ)或支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、確定配筋和驗(yàn)算材料強(qiáng)度時，上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載效應(yīng)組合和相應(yīng)的基底反力，應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，采用相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)。

當(dāng)需要驗(yàn)算基礎(chǔ)裂縫寬度時，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。

( 5 )由永久荷載效應(yīng)控制的基本組合值可取標(biāo)準(zhǔn)組合值的1.35倍。

二、淺基礎(chǔ)

1 .淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容

天然地基上淺基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，包括下列各項(xiàng)內(nèi)容：

( l )選擇基礎(chǔ)的材料、類型，進(jìn)行基礎(chǔ)平面布置;

( 2 )確定地基持力層和基礎(chǔ)埋置深度;

( 3 )確定地基承載力;

( 4 )確定基礎(chǔ)的底面尺寸，必要時進(jìn)行地基變形與穩(wěn)定性驗(yàn)算;

( 5 )進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(對基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)力分析、截面計(jì)算并滿足構(gòu)造要求) ;

( 6 )繪制基礎(chǔ)施工圖，提出施工說明。

設(shè)計(jì)淺基礎(chǔ)時要充分掌握擬建場地的工程地質(zhì)條件和地基勘察資料，地基勘察的詳細(xì)程度應(yīng)與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級和場地的工程地質(zhì)條件相適應(yīng)。

在仔細(xì)研究地基勘察資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合考慮上部結(jié)構(gòu)的類型、荷載的性質(zhì)及大小和分布、建筑布置和使用要求以及擬建基礎(chǔ)對周圍環(huán)境的影響，即可選擇基礎(chǔ)類型和進(jìn)行基礎(chǔ)平面布置，并確定地基持力層和基礎(chǔ)埋置深度。

上述淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)內(nèi)容是互相關(guān)聯(lián)的。設(shè)計(jì)時可按上述順序逐項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，如發(fā)現(xiàn)前面的選擇不妥，則須修改設(shè)計(jì)，直至各項(xiàng)計(jì)算均符合要求且各數(shù)據(jù)前后一致為止。對規(guī)模較大的基礎(chǔ)工程，還宜對若干可能的方案作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，然后擇優(yōu)采用。

2 .淺基礎(chǔ)的類型

淺基礎(chǔ)根據(jù)結(jié)構(gòu)型式可分為擴(kuò)展基礎(chǔ)、聯(lián)合基礎(chǔ)、柱下條形基礎(chǔ)、柱下交叉條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和殼體基礎(chǔ)等。根據(jù)基礎(chǔ)所用材料的性能可分為無筋基礎(chǔ)(剛性基礎(chǔ))和鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

( 1 )擴(kuò)展基礎(chǔ)。

墻下條形基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)(單獨(dú)基礎(chǔ))統(tǒng)稱為擴(kuò)展基礎(chǔ)。擴(kuò)展基礎(chǔ)的作用是把墻或柱的荷載側(cè)向擴(kuò)展到土中，使之滿足地基承載力和變形的要求。擴(kuò)展基礎(chǔ)包括無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)和鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)。

l )無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)。無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)系指由磚、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料組成的無需配置鋼筋的墻下條形基礎(chǔ)或柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。無筋基礎(chǔ)的材料都具有較好的抗壓性能，但抗拉、抗剪強(qiáng)度都不高，為了使基礎(chǔ)內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力不超過相應(yīng)的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)時需要加大基礎(chǔ)的高度。因此，這種基礎(chǔ)幾乎不發(fā)生撓曲變形，故習(xí)慣上把無筋基礎(chǔ)稱為剛性基礎(chǔ)。無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)適用于多層民用建筑和輕型廠房。

無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，因此必須控制基礎(chǔ)內(nèi)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時可以通過控制材料強(qiáng)度等級和臺階寬高比(臺階的寬度與其高度之比)來確定基礎(chǔ)的截面尺寸，而無需進(jìn)行內(nèi)力分析和截面強(qiáng)度計(jì)算。圖 9-3 所示為無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)構(gòu)造示意圖，要求基礎(chǔ)每個臺階的寬高比( b2： h )都不得超過 《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 》 ( GB 50007-2011 )中表 8 . 1 . 1 中所列的臺階寬高比的允許值(可用圖中角度α的正切 tanα 表示)。設(shè)計(jì)時一般先選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)埋深和基礎(chǔ)底面尺寸，設(shè)基底寬度為 b ，則按上述要求，基礎(chǔ)高度應(yīng)滿足下列條件

由于臺階寬高比的限制，無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)的高度一般都較大，但不應(yīng)大于基礎(chǔ)埋深，否則，應(yīng)加大基礎(chǔ)埋深或選擇剛性角較大的基礎(chǔ)類型(如混凝土基礎(chǔ))，如仍不滿足，可采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

2 )鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)。鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)常簡稱為擴(kuò)展基礎(chǔ)，系指墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)和柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。這類基礎(chǔ)的抗彎和抗剪性能良好，可在豎向荷載較大、地基承載力不高以及承受水平力和力矩荷載等情況下使用。與無筋基礎(chǔ)相比，其基礎(chǔ)高度較小，因此更適宜在基礎(chǔ)埋置深度較小時使用?？煞譃閴ο落摻罨炷翖l形基礎(chǔ)和柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。

( 2 )聯(lián)合基礎(chǔ)。

聯(lián)合基礎(chǔ)主要指同列相鄰二柱公共的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，即雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)，但其設(shè)計(jì)原則，可供其他型式的聯(lián)合基礎(chǔ)參考。

在為相鄰二柱分別配置獨(dú)立基礎(chǔ)時，常因其中一柱靠近建筑界線，或因二柱間距較小，而出現(xiàn)基底面積不足或荷載偏心過大等情況，此時可考慮采用聯(lián)合基礎(chǔ)。聯(lián)合基礎(chǔ)也可用于調(diào)整相鄰兩柱的沉降差，或防止兩者之間的相向傾斜等。

( 3 )柱下條形基礎(chǔ)。

當(dāng)?shù)鼗^為軟弱、柱荷載或地基壓縮性分布不均勻，以至于采用擴(kuò)展基礎(chǔ)可能產(chǎn)生較大的不均勻沉降時，常將同一方向(或同一軸線)上若干柱子的基礎(chǔ)連成一體而形成柱下條形基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)的抗彎剛度較大，因而具有調(diào)整不均勻沉降的能力，并能將所承受的集中柱荷載較均勻地分布到整個基底面積上。柱下條形基礎(chǔ)是常用于軟弱地基上框架或排架結(jié)構(gòu)的一種基礎(chǔ)形式。

( 4 )柱下交叉條形基礎(chǔ)。

如果地基軟弱且在兩個方向分布不均，需要基礎(chǔ)在兩方向有一定的剛度來調(diào)整不均勻沉降，則可在柱網(wǎng)下沿縱橫兩向分別設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，從而形成柱下交叉條形剪。

( 5 )筏形基礎(chǔ)。

當(dāng)柱下交叉條形基礎(chǔ)底面積占建筑物平面面積的比例較大，或者建筑物在使用上有要求時，可以在建筑物的柱、墻下方做成一塊滿堂的基礎(chǔ)，即筏形(片筏)基礎(chǔ)。筏形基礎(chǔ)由于其底面積大，故可減小基底壓力，同時也可提高地基土的承載力，并能更有效地增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性，調(diào)整不均勻沉降。

( 6 )箱形基礎(chǔ)。

箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土的底板、頂板、外墻和內(nèi)隔墻組成的有一定高度的整體空間結(jié)構(gòu)，適用于軟弱地基上的高層、重型或?qū)Σ痪鶆虺两涤袊?yán)格要求的建筑物。與筏形基礎(chǔ)相比，箱形基礎(chǔ)具有更大的抗彎剛度，只能產(chǎn)生大致均勻的沉降或整體傾斜，從而基本上消除了因地基變形而使建筑物開裂的可能性。箱基埋深較大，基礎(chǔ)中空，從而使開挖卸去的土重部分抵償了上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載(補(bǔ)償效應(yīng))，因此，與一般實(shí)體基礎(chǔ)相比，它能顯著減小基底壓力、降低基礎(chǔ)沉降量。此外，箱基的抗震性能較好。

箱基的鋼筋水泥用量很大，工期長，造價(jià)高，施工技術(shù)比較復(fù)雜，在進(jìn)行深基坑開挖時，還需考慮降低地下水位、坑壁支護(hù)及對周邊環(huán)境的影響等問題。因此，箱基的采用與否，應(yīng)在與其他可能的地基基礎(chǔ)方案做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后再確定。

( 7 )殼體基礎(chǔ)。

為了發(fā)揮混凝土抗壓性能好的特性，可以將基礎(chǔ)的形式做成殼體。殼體基礎(chǔ)可用作柱基礎(chǔ)和筒形構(gòu)筑物(如煙囪、水塔、料倉、中小型高爐等)的基礎(chǔ)。

殼體基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是材料省、造價(jià)低。不過，由于較難實(shí)行機(jī)械化施工，因此施工工期長，同時施工工作量大，技術(shù)要求高。

3 .基礎(chǔ)埋置深度的選擇

基礎(chǔ)埋置深度(簡稱埋深)是指基礎(chǔ)底面至天然地面的距離。影響基礎(chǔ)埋深選擇的主要因素可歸納為如下 5 個方面：

( 1 )與建筑物有關(guān)的條件。

確定基礎(chǔ)的埋深時，首先要考慮的是建筑物在使用功能和用途方面的要求，例如必須設(shè)置地下室、帶有地下設(shè)施、屬于半埋式結(jié)構(gòu)物等。

( 2 )工程地質(zhì)條件。

直接支承基礎(chǔ)的土層稱為持力層，其下的各土層稱為下臥層。為了滿足建筑物對地基承載力和地基變形的要求，基礎(chǔ)應(yīng)盡可能埋置在良好的持力層上。當(dāng)?shù)鼗芰?或沉降計(jì)算深度)范圍內(nèi)存在軟弱下臥層時，軟弱下臥層的承載力和地基變形也應(yīng)滿足要求。

( 3 )水文地質(zhì)條件。

有地下水存在時，基礎(chǔ)盡量埋置在地下水位以上。對底面低于地下水位的基礎(chǔ)，應(yīng)考慮施工期間的基坑降水、坑壁圍護(hù)、是否可能產(chǎn)生流砂、涌土等問題，并采取保護(hù)地基土不受擾動的措施。對于具有侵蝕性的地下水，應(yīng)采用抗侵蝕的水泥品種和相應(yīng)的措施(詳見有關(guān)勘察規(guī)范)。此外，設(shè)計(jì)時還應(yīng)該考慮由于地下水的浮托力而引起的基礎(chǔ)底板內(nèi)力的變化、地下室或地下貯罐上浮的可能性以及地下室的防滲問題。

( 4 )地基凍融條件。

《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB50007-2011) 根據(jù)凍脹對建筑物的危害程度，把地基土的凍脹性分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹 5 類。

不凍脹土的基礎(chǔ)埋深可不考慮凍結(jié)深度。對于埋置于可凍脹土中的基礎(chǔ)，其最小埋深dmin可按下式確定：

式中zd(設(shè)計(jì)凍深)和 hmax(基底下允許殘留凍土層的最大厚度)可按 《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB50007-2011) 的有關(guān)規(guī)定確定。對于凍脹、強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹地基上的建筑物，尚應(yīng)采取相應(yīng)的防凍害措施。

( 5 )場地的環(huán)境條件。

氣候變化、樹木生長及生物活動會對基礎(chǔ)帶來不利影響，因此，基礎(chǔ)應(yīng)埋置于地表以下，其埋深不宜小于 0.5m (巖石地基除外);基礎(chǔ)頂面一般應(yīng)至少低于設(shè)計(jì)地面 0 . lm 。

靠近原有建筑物修建新基礎(chǔ)時，新基礎(chǔ)的埋深不宜超過原有基礎(chǔ)的底面，否則新、舊基礎(chǔ)間應(yīng)保持一定的凈距，其值不宜小于兩基礎(chǔ)底面高差的 1~2 倍(土質(zhì)好時可取低值) , 如圖 9-4 所示。如不能滿足這一要求，則在基礎(chǔ)施工期間應(yīng)采取有效措施以保證鄰近原有建筑物的安全。

如果在基側(cè)影響范圍內(nèi)有管道或溝、坑等地下設(shè)施通過時，基礎(chǔ)底面一般應(yīng)低于這些設(shè)施的底面，否則應(yīng)采取有效措施，消除基礎(chǔ)對地下設(shè)施的不利影響。

在河流、湖泊等水體旁建造的建筑物基礎(chǔ)，如可能受到流水或波浪沖刷的影響，其底面應(yīng)位于沖刷線之下。