《建筑构造》第二章2-基础与地下室

建筑构造第二章基础与地下室第一节概述有人说：“地基是建筑物埋在地面以下的最下部分。”也有人说：“基础是建筑物埋在地面以下的最下部分”。哪一个对？地基和基础是一回事吗？一、基础和地基的涵义和它们的关系基础是建筑物的墙或柱深入土中的扩大部分，是建筑物的一部分；地基则是基础下部的土层，它不是建筑物的一部分。建筑物的总荷载（包括建筑物的自重和外加的活荷载）通过基础传给地基，地基因此而产生应力和应变。地基承受荷载的能力称为地基承载力(KPa/㎡)，即地耐力。它是根据对土壤的综合检验所得数据而确定的。如果由基础传到地基的荷载超过了地基承载力，地基土就会出现超过允许值的沉降变形或失稳，从而威胁到建筑物的安全。如图2-1所示，在同一松软的地面上放置两个形状、体积、质量相同的物体，其沉陷量是否相同？如图2-1所示，在同一松软的地面上放置两个形状、体积、质量相同的物体，其沉陷量是否相同？地基承受由基础传来的压力是由上部结构至基础顶面的竖向力F‘和基础自重及基础上部土重G组成的。而全部荷载是通过基础的底面传给地基的，当荷载一定时，如加大基础底面积A，就可以减少地基单位面积所受到的压力。基础底面积与荷载和地基承载力的关系如下：A(㎡)≥(F‘+G(KN))/f(KPa/㎡)从上式可以看到，当地基承载力，不变时，总荷载F=F‘+G愈大，基础底面积A也要求愈大或者说，当总荷载F=F‘+G不变时，地基承载力，愈小，则基础底面积A要求愈大。二、对地基的要求最理想的建筑物基础是埋置浅、断面小、构造简单、沉降量少且均匀，这样可以加速施工，降低造价，保证建筑物的安全和耐久。这些都与基础下的地基情况有直接关系。因此，基础设计对地基有如下要求：1、建筑物的建造地址应尽可能选择在地基情况好或较好的地段。所谓好和较好地段是指地基土的地耐力较高且分布均匀。好和较好的土可分为岩石类、碎石类、砂性土类和粘性土类，它们的地耐力都在100kPa以上，最高可达4MPa。2、地基的承载力要力求均匀，以保证建筑物的基础在荷载作用下沉降均匀不致失稳，否则极易引起墙身开裂、倾斜甚至破坏。3、地基应有较好的持力层和下卧层。地基在荷载作用下产生应力（反力）和应变（变形），其应力与应变值随着深度的增加而减少，到一定深度时，应力与应变值即可忽略不计。直接与基础底接触且需要计算的土层叫做持力层，持力层以下的土层叫做下卧层，它一般不需计算但也必须有足够的强度和厚度。这些都是确定基础底面积和埋置深度的主要依据。图2-2所示为地基荷载扩散示意图。4、尽可能采用天然地基天然地基是指具有足够承载力的天然土层，可以直接在天然土层上建造基础。如果天然土层的承载力不能满足荷载要求，则不能在这样的土层上直接建造基础，必须对这种土层进行人工加工地基较天然地基费工费料，造价较高，只有在天然土层承载力差、建筑总荷载大的情况下方宜采用。人工地基的加工方法有三大类；压实法、换土法和打桩法。(1)压实法用重锤或压路机将较软弱的土层夯实或压实，挤出土层颗粒闻的空气、提高土的密实度以增加土层的承载力。这种做法不用材料，比较经济，适用于土层承载力与设计要求相差不大的情况。(2)换土法当地基土的局部或全部为软弱土，不宜用压实法加固时（如淤泥、沼泽、杂填土、孔洞等），可将局部或全部软弱土清除，换以好土，如粗砂、中砂、砂石料、灰土等。这种人工地基造价较压实法为高。图2-3为局部换土的举例。图中虚线表示软弱土的实际范围，挖方时应在受力方向适当加宽加深，并挖至老土层，且呈台阶状。每级台阶高度不大于500mm，退台长度不小于1000mm，然后分层夯填好土。其原理是避免挖成陡坡锅底状，以防造成应力集中导致局部不均匀下沉。更换的好土应就地取材，如填夯粘土、灰土、水灌粗砂、中砂，虚填砂石混合料等。尤应注意的是，局部换土的选土应与周围土质接近，防止换土部位过硬或过软造成沉降不匀。(3)打桩法是在软弱土层中置入桩身，将建筑物建造在桩上，所以也可称为桩基础。这种人工地基适用于地基承载力较小，建筑物总荷载较大的情况，但造价较高。(a)桩基的组成桩基由桩身和承台梁（或板）组成。桩基是按照设计的点位将桩身置人土中的，在桩的顶部灌筑钢筋混凝土承台梁，承台梁上接柱或墙体。以便将建筑荷载均匀地传递到桩基上。在寒冷地区，承台梁下应铺设100mm左右厚的粗砂或焦渣，以防止土壤冻涨引起承台梁的反拱破坏（图2-4）。(b)桩基受力情况分类桩基可分端承桩和摩擦桩。端承桩是将桩尖直接支承在岩石或硬土层上，用桩身支承建筑的总荷载，也称做柱桩，这种桩适用于坚硬土层较浅、荷载较大的工程。摩擦桩只是用桩挤实软弱土层，靠桩壁与土壤的摩擦力承担总荷载。这种桩适合坚硬土层较深、总荷载较小的工程（图2-5）。绘画摩擦桩与端承桩的示意图。图2-6所示为常用桩基的做法。(c)桩基布点桩基布点是按承重结构的形式而定。独立柱承重结构可用点式布置。点式布置还可根据桩的承载力和荷载大小选择单桩、双桩或多桩组合布置，并用承台板联合为一体共同承受独立柱的荷载（图2-7）。承重结构为带形墙或密集柱时，则应采用带形布置，并用带形承台粱联合为一体共同承受上部荷载。带形布置又可根据桩径、桩距和荷载情况选择单排式、双排交错式或双排行列式（图2-8）。三、对基础的要求1、基础是建筑物的重要组成部分，对建筑的安全和寿命起重大作用，因而基础应具有足够的强度和耐久性，以便有效地传递荷载和保证使用年限。因为基础位于建筑物的最底部且埋于土中，很难观察、维修、加固和更换，因而在选材方面应优先使用石材、混凝土或粘土砖等坚固、抗水、耐腐蚀、不易老化的材料。2、基础属于隐蔽工程，也就是在进行下一个工程项目和工序前已被掩埋，无法再行检验。因此，在基础的施工过程中，必须在标高、尺寸、材料、施工程序、施工方法、养护期限、施工质量、交接手续等方面严格把关，不留隐患，确保按设计图纸和验收规范施工和验收。3、基础工程约占建筑总价的10%～40%，降低基础工程的投资是降低工程总投资的重要一环。因此，在设计中应尽可能选择土质较好的土层作为持力层，尽量使用地方材料以节省运输费用。处理地基时应提出若干方案供论证选择，在保证工程质量和工期的同时降低工程造价。第二节基础的埋置深度一、基础埋置深度的定义基础理深是从室外地坪算起的。室外地坪分自然地坪与设计地坪，自然地坪是指施工地段的原有地坪，而设计地坪是指按设计要求工程竣工后室外场地经垫起或下挖后的地坪。基础埋置深度是指设计室外地坪到基础底面的距离（图2-9）。基础埋置深度不超过5m时叫浅基础，超过5m时叫深基础。浅基础构造简单，施工方便，造价低廉，应优先选用浅基础。只有在表层土质极弱和总荷载较大或其他特殊情况下，才选用深基础。基础埋深也不能过浅，至少不能浅于500mm。以防建筑荷载将基础四周土壤挤出，或地面受到雨水冲刷、机械破坏而导致基础暴露影响建筑的安全。二、基础埋置深度的选择基础埋置深度，应根据三个方面综合考虑确定，即土层构造情况、地下水位情况和冻结深度情况。1、地基土层构造对基础埋深的影响，见表2-1。2、地下水位对基础埋深的影响地基土含水量的大小对承载力影响很大，且含有侵蚀性物质的地下水对基础还将产生腐蚀，所以，基础应争取埋置在地下水位以上(图2-10a)。当地下水位较高时，基础不得不埋置在地下水内。但应注意，基础底面应置于最低地下水位之下，以使基础底面常年置于地下水中，也就是防止置于地下水位升降幅度之内。这是为了减少和避免地下水的浮力对建筑的影响。另外，基础若处在干湿交替的环境下，则抗腐蚀的能力更差(图2-10b)。3、土的冻结深度对基础埋深的影响土的冻结深度即冰冻线，可由当地气象部门得知。如哈尔滨为2m，沈阳为1.5m，北京为0.85m，郑州为0.20m，上海为0.1m。当冻土深度小于0.5m时，基础埋深即不受其影响。土的冻结是由于土中水分受冷冻结而成，水冻结成冰，体积膨胀，因而导致冻土膨胀。如果基础置于冰冻线内，冻结时的冻胀力可将房屋拱起，解冻后房屋又将下沉。冻结、融化的程度在整幢建筑范围内是不可能均匀的，不均匀的冻融，引起不均匀的胀缩，因而导致建筑出现裂缝、倾斜以致破坏。不是所有的地基土都会发生冻涨的，如颗粒很大的砾石、粗砂等，一是因毛细作用较小，难以引起地下水上升；二是因颗粒间空隙很大，不会保留水分，即使冻结也不会引起土的体积膨胀，这就是非冻涨土。而颗粒小、密度大、保水性强的粘土及粘性砂土等则属于冻涨土。在冻涨土中埋置基础必须将基础底面置于冰冻线以下，即置于不冻土之中，以避免冻害发生(图2-11)。在严寒地区，土的冻结深度可达2～3m。对于低层和荷载较小的建筑，如将基础埋置在冻土层以下，势必大幅度提高土方量和工程总造价。因此，这类建筑如室内有采暖和自身刚度较好、体量较小时，将基础埋于冻土层内也不致引起建筑的开裂破坏。三、影响基础埋深的因素很多，主要有以下几点：(1)建筑物上部荷载的大小和性质。多层建筑一般根据地下水位及冻土深度等来确定埋深尺寸。一般高层建筑的基础埋置深度为地面以上建筑物总高度的1／10。(2)工程地质条件。基础底面应尽量选在常年未经扰动而且坚实平坦的土层或岩石上，俗称“老土层”。因为在接近地表面的土层内，常带有大量植物根、茎的腐殖质或垃圾等，故不宜选为地基。(3)水文地质条件。确定地下水的常年水位和最高水位，以便选择基础的埋深。一般宜将基础落在地下常年水位和最高水位之上，这样可不需进行特殊防水处理，节省造价，还可防止或减轻地基土层的冻胀。(4)地基土壤冻胀深度。应根据当地的气候条件了解土层的冻结深度，一般将基础的垫层部分做在土层冻结深度以下。否则，冬天土层的冻胀力会把房屋拱起，产生变形；天气转暖，冻土解冻时又会产生陷落。(5)相邻建筑物基础的影响。新建建筑物的基础埋深不宜深于相邻的原有建筑物的基础；但当新建基础深于原有基础时，则要采取一定的措施加以处理，以保证原有建筑的安全和正常使用。第三节基础的构造一、基础类型基础的类型很多，应选择受力合理、构造简单、施工方便和造价低廉的基础类型；必须根据建筑物的结构类型、高度、地质水文和地方材料等诸多因素全盘分析比较后确定。1、按基础材料受力特点分类(1)刚性基础凡由刚性材料建造、受刚性角限制的基础称为刚性基础，如素混凝土、毛石混凝土、毛石、砖、灰土、三合土建造的基础等。这类基础的大放脚（基础的扩大部分）较高，体积较大，埋置较深。刚性基础有利于使用地方材料，成本较低，施工简便，应用很广。刚性基础适用于土质较均匀、地下水位较低、6层以下的砖墙承重建建筑（图2-12a）。(2)扩展基础（柔性基础）主要指钢筋混凝土基础，它以钢筋抵抗拉应力，不受材料刚性角限制，因而大放脚矮、体积小、挖方少、埋置浅，但耗用钢材、水泥和模板量大，且技术要求较高。因而这种基础多用于土质较差、荷载较大、地下水位较高等条件下的大中型建筑(图2-12b)。2、按构造形式分类(1)独立基础当建筑物为柱承重且柱距较大时，宜采用独立基础，柱间墙体可支承在基础梁上。这种做法土方量较小，施工简便。但基础与基础之间无构件连接，个别基础如发生不均匀沉降，相互不能制约。因此，独立基础适合于地质均匀、荷载均匀和装配式框架结构建筑（图2-13）。墙承重的建筑，也可采用独立基础，可减少土方开挖和便于管道穿过（图2-14）。(2)条形（带形）基础在连续的墙下或密集的柱下，宜采用条形基础。这种基础纵向整体性好，可减缓局部不均匀下沉，多用于砖混结构建筑，并多采用地方材料，用途极广。缺点是土方量大，施工场地开挖纵横沟槽，搬运不便（图2-15）。(3)井格基础当地基条件较差，为了提高建筑物的整体性，防止柱子之间产生不均匀沉降，常将柱下基础沿纵横两个方向扩展连接起来，做成十字交叉的井格基础。柱下基础纵横相连组成井字格状，叫井格基础。它可克服独立基础下沉不均的弊病，适用于荷载较复杂、地质情况较