建筑基础设计理论与施工方法

建筑基础设计理论与施工方法地基与基础工程是建筑施工的主导工程之一，也是建筑施工技术最为复杂、难度最大、工期最长、占投资最多的分部工程。它的施工质量的好坏，直接影响到建筑物的安危和寿命，以及施工成本和工程整体的顺利进行。下面仅以我个人的学习成果为基础，分享我对建筑基础的认识。地基和基础的概念：基础指建筑底部与地基接触的承重构件，它的作用是把建筑上部的荷载传给地基。因此地基必须坚固、稳定而可靠。基础下面承受建筑物全部荷载的土体或岩体称为地基。地基不属于建筑的组成部分，但它对保证建筑物的坚固耐久具有非常重要的作用。是地球的一部分。承受建筑物基础所传递的上部结构荷载的土层（或岩层）。地基就其受力情况而言，在建筑物基础荷载作用影响范围内的部分，称为持力层；在持力层以下的部分，称为下卧层。基础的发展方向：（一）基础形状的理论研究不断深入由于计算机的应用日趋广泛，许多计算方法如有限元法、边界元法、特征线法等在基础工程形状的分析中得到应用；土工离心机模型实验，已成为验证计算方法和解决包括基础工程在内的土工问题的有理手段。土的本构模型也是基础工程分析中的一个重要组成部分。（二）现场原位测试技术和基础工程质量检测技术的发展为了改善取样实验质量或者进行现场施工监测，原位测试技术和方法有很大发展。如旁压实验、动静触探、测斜仪、压力传感器和空隙水压力测试仪等测试仪器和手段已被广泛应用。测试数据采集和资料整理自动化、实验设备和实验方法的标准化以及广泛采用新技术已成为发展方向。（三）高层建筑深基础继续受到重视随着高层建筑物数量的增多，各类高层建筑深基础大量修建，尤其是大直径桩墩基础、筏板带桩、箱基带桩等基础类型更受重视。由于深基坑开挖支护工程的需要，如地下连续墙、挡土灌注桩、深层搅拌挡土结构、锚杆支护、钢板桩、铅丝网水泥护坡和沉井等地下支护结构的设计、施工方法都引起人们极大兴趣。（四）软弱地基处理技术的发展在我国各地区的经济建设中，有许多建筑物不得不建造在比较松软的不良地基上。这类地基如不加特殊处理就很难满足上不建筑物对控制变形、保证稳定和抗震的要求。因此，各种不同类型的地基处理新技术因需要而产生和发展，成为岩土工程中的一个重要专题。地基处理的目的在于改善地基土的工程性质，例如提高土的强度、改善变形模量或提高抗液化性能等。地基处理的方法很多，每种方法都有其不同的加固原理和适用条件，在实际工程中必须根据地基上的特点选用最适宜的方法。今后随着建筑物的层高和荷载不断增大，软弱地基的概念和范围也有新的变化，各种新的处理方法会不断出现，地基处理技术必然会进一步发展。（五）既有房屋增层和基础加固与托换对于房屋的需求量在今后较长时期内都会很大，目前国家资金困难，基本建设投资不会很多，为了满足当前的急需，对现有房屋的改建增层工程会日趋增多，为此必须对已有建筑物的地基进行正确的评价，提出合理的承载力值，重视地基加固与托换技术的探讨与应用。地基的种类：地基有天然地基和人工地基两类：天然地基具有足够的承载能力，在荷载作用下的压缩变形不超过允许范围，可以支承建筑物基础的天然土（岩）层。凡能保证地基稳定的岩石、碎石土、砂土、粘性土等都可作为天然地基。设计时要充分掌握地基土（岩）层的压缩和沉降、抗剪和滑坡、土中含水量等因素，以保证地基安全可靠。人工地基不具有充分承载能力的淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性的软弱土层经过人工加固处理而成的建筑物地基。设计时既要注意分析和合理利用基土的持力层，又要正确选择加固处理措施。地基的处理方法：人工地基的处理方法有密实法、换土法和加固法三类：（1）密实法用密实法处理地基又可分为：①碾压夯实法：对含水量在一定范围内的土层进行碾压或夯实。此法影响深度约为200毫米,仅适于平整基槽或填土分层夯实。②重锤夯实法：利用起重机械提起重锤，反复夯打，其有效加固深度可达1.2米。此法适用于处理粘性土、砂土、杂填土、湿陷性黄土地基和对大面积填土的压实以及杂填土地基的处理。③机械碾压法：用平碾、羊足碾、压路机、推土机及其他压实机械压实松散土层。碾压效果取决于被压土层的含水量和压实机械的能量。对于杂填土地基常用8～12吨的平碾或13～16吨的羊足碾，逐层填土，逐层碾压。④振动压实法：在地基表面施加振动力,以振实浅层松散土。振动压实效果取决于振动力、被振的成分和振动时间等因素。用此法处理以砂土、炉渣、碎石等无粘性土为主的填土地基，效果良好。⑤强夯法：利用重量为8～40吨的重锤从6～40米的高处自由落下，对地基进行强力夯实的处理方法。经过强夯的地基承载能力可提高3～4倍,以至6倍，压缩性可降低200～1000％,影响深度在10米以上。此法适用于处理砂土、粉砂、黄土、杂填土和含粉砂的粘性土等。施工时噪声与振动较大。⑥堆载预压法：在堆积荷载作用下，使饱和软土层排水固结，提高抗剪能力，增加地基的稳定性。⑦砂井堆载预压法:在软土层中按一定距离打入管井,井中灌入透水性良好的砂,形成排水“砂井”，在堆载预压下，加速地基排水固结，提高地基承载能力。此外，还有挤密砂桩法和振动水冲桩法等。（2）换土法当地基持力层软弱，密集法不能满足建筑物荷载要求时，可采用换土垫层的办法处理土层。此法是先将基础底下一定深度的软弱土层挖出，回填砂、碎石、素土或灰土等，逐层夯实，便成为承载能力较高的垫层。（3）加固法用加固法处理地基可分为：①化学加固法：通过压力灌注或搅拌混合等措施，使化学溶液或胶结剂进入土层，使土粒胶结。所用浆液主要有：高标号硅酸盐水泥和速凝剂配制成的水泥浆液；以水玻璃为主加氯化钙配制成的水玻璃浆液；以丙烯酸氨为主的浆液；以重铬酸盐木质素浆等纸浆液为主的浆液。目前应用较多的是水泥浆液；纸浆液虽加固效果较好，但有毒，会污染地下水。②高压旋喷法：利用喷射化学浆液与土粒混合搅拌处理地基。目前多使用水泥浆液。为防止浆液流失，常加入三乙醇胺和氯化钙等速凝剂。此法还可用于建筑物地基的补强。③硅化加固法：此法是在渗透性较强的土层，利用一定的压力，把浆液通过下端带孔的管子注入土中，使土粒胶结起来。其加固效果同所用的化学溶液浓度、土壤渗透性和注液压力有关。对于渗透系数每分钟小于10-6米的粘性土，压力注入的硅酸钠溶液要依靠电渗作用，才能进入土层空隙，这种方法称为电硅化法。此法加固作用快，工期短，还可用来制止流砂、堵塞泉眼，也可用于加固已建工程。建筑地基的处理：人工地基的处理在建筑学中十分重要的，上层建筑是否牢固，地基是有无可替代的作用的。建筑物的地基不够好，上层建筑很可能倒塌，这样说一点也不为过，而地基处理的主要目的是采用各种地基处理方法以改善地基条件。地基处理的对象是软弱地基和特殊土地基。中国的《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）中明确规定：“软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基”。特殊土地基带有地区性的特点，它包括软土、湿陷性黄土、膨胀土、红粘土和冻土等地基。地基改善措施：对于地基的改善措施主要有以下五方面：1.改善剪切特性：地基的剪切破坏表现在建筑物的地基承载力不够；使结构失稳或土方开挖时边坡失稳；使临近地基产生隆起或基坑开挖时坑底隆起。因此，为了防止剪切破坏，就需要采取增加地基土的抗剪强度的措施。2.改善压缩特性：地基的高压缩性表现在建筑物的沉降和差异沉降大，因此需要采取措施提高地基土的压缩模量。3.改善透水特性：地基的透水性表现在堤坝、房屋等基础产生的地基渗漏；基坑开挖过程中产生流沙和管涌。因此需要研究和采取使地基土变成不透水或减少其水压力的措施。4.改善动力特性：地基的动力特性表现在地震时粉、砂土将会产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，使邻近地基产生振动下沉。因此需要研究和采取使地基土防止液化，并改善振动特性以提高地基抗震性能的措施。5.改善特殊土的不良地基的特性：主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀缩性等地基处理的措施。建筑基础的类型：基础按受力特点及材料性能可分为刚性基础和柔性基础；按构造的方式可分为条形基础、独立基础、片筏基础、箱形基础等。1．按材料及受力特点分类(1)刚性基础:受刚性角限制的基础称为刚性基础。刚性基础所用的材料的抗压强度较高，但抗拉及抗剪强度偏低。刚性基础中压力分布角a称为刚性角。在设计中，应尽力使基础大放脚与基础材料的刚性角相一致，目的：确保基础底面不产生拉应力，最大限度地节约基础材料。构造上通过限制刚性基础宽高比来满足刚性角的要求。常用的有：砖基础。灰土基础。三合土基础。毛石基础。混凝土基础。毛石混凝土基础。1)大放脚为保证基础外挑部分在基底反力作用下不至发生破坏。2)灰土基础灰土基础适用于地下水位较低的地区，并与其他材料基础共用，充当基础垫层。3)三合土基础三合土基础一般多用于地下水位较低的四层和四层以下的民用建筑工程中。4)毛石基础具有强度较高、抗冻、耐水、经济等特点。5)混凝土基础常用于地下水位高，受冰冻影响的建筑物。6)在上述混凝土基础中加入一定体积毛石，称为毛石混凝土基础。2)柔性基础。在混凝土基础底部配置受力钢筋，利用钢筋受拉，这样基础可以承受弯矩，也就不受刚性角的限制。所以钢筋混凝土基础也称为柔性基础。钢筋混凝土基础断面可做成梯形，最薄处高度不小于200mm；也可做成阶梯形，每踏步高300-500mm。通常情况下，钢筋混凝土基础下面设有C7．5或C10素混凝土垫层，厚度lOOmm左右；无垫层时，钢筋保护层为75mm，以保护受力钢筋不受锈蚀。2．按构造分类(1)独立基础(单独基础)。1)柱下单独基础。单独基础是柱子基础的主要类型。2)墙下单独基础。墙下单独基础是当上层土质松软，而在不深处有较好的土层时，为了节约基础材料和减少开挖土方量而采用的一种基础形式。(2)条形基础。1)墙下条形基础。条形基础是承重墙基础的主要形式。当上部结构荷载较大而土质较差时，可采用钢筋混凝土建造，墙下钢筋混凝土条形基础一般做成无肋式；肋式的条形基础条件：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。2)柱下钢筋混凝土条形基础。当地基软弱而荷载较大时为增强基础的整体性并节约造价，可做成钢筋混凝土条形基础。(3)柱下十字交叉基础。荷载较大的高层建筑，如土质较弱，可做成十字交叉基础。(4)片筏基础。如地基基础软弱而荷载又很大，采用十字基础仍不能满足要求或相邻基槽距离很小时，可用钢筋混凝土做成整块的片筏基础。按构造不同它可分为平板式和梁板式两类。(5)箱形基础。它的主要特点是刚性大，减少了基础底面的附加应力，因而适用于地基软弱土层厚、荷载大和建筑面积不太大的一些重要建筑物，目前高层建筑中多采用箱形基础。基础的选择：房屋基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等综合考虑，选择经济合理的基础型式。[3]砌体结构优先采用刚性条形基础，如灰土条形基础、Cl5素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础和四合土条形基础等，当基础宽度大于2.5m时，可采用钢筋混凝土扩展基础即柔性基础。多层内框架结构，如地基土较差时，中柱宜选用柱下钢筋混凝土条形基础，中柱宜用钢筋混凝土柱。无地下室、地基较差、荷载较大为增强整体性，减少不均匀沉降，可采用十字交叉梁条形基础。如采用上述基础不能满足地基基础强度和变形要求，又不宜采用桩基或人工地基时，可采用筏板基础（有梁或无梁）。框架结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降要求严、防水要求高、柱网较均匀，可采用箱形基础；柱网不均匀时，可采用筏板基础。有地下室，无防水要求，柱网、荷载较均匀、地基较好，可采用独立柱基，抗震设防区加柱基拉梁。或采用钢筋混凝土交叉条形基础或筏板基础。筏板基础上的柱荷载不大、柱网较小且均匀，可采用板式筏形基础。当柱荷载不同、柱距较大时，宜采用梁板式筏基。无论采用何种基础都要处理好基础底板与地下室外墙的连结节点。框剪结构无地下室、地基较好、荷载较均匀，可选用单独柱基，墙下条基，抗震设防地区柱基下设拉梁并与墙下条基连结在一起。无地下室，地基较差，荷载较大，柱下可选用交叉条形基础并与墙