地基及基础结构

出处：按学科分类—工业技术 南京大学出版社《工程师实用手册》第744页（10178字）

(一)地基土

土一般由固体的颗粒、水和空气三部分组成，各占比例的多少反映土的物理性质。根据土的组成，可简化绘成土的三相图(图17－1)。

图17－1 土的三相图

g－土的总重量(g=g_s+g_w)(g)； g_s－土的固体颗粒的重量(g)；

g_ω－土中水的重量(g)； g_w－土中气体的重量(g)，g_a≈0；

V－土的总体积； V_s－土中固体颗粒的体积(cm³)：

V_ω－土中水所占的体积(cm2)； V_a－土中空气所占的体积(cm³)；

V_v－土中空隙的体积_]

1．土的基本物理性质指标

1)土的基本物理性质指标(表17－10)

表17－10 土的基本物理性质指标

表17－11 土的基本物理性质指标的换算

2)土的基本物理性质指标的换算(表17－11)

3)粘性土的可塑性指标(表17－12)

表17－12 粘性土的可塑性指标

注：塑限现场简易测定方法：在土中逐渐加水，至能用手在毛玻璃板上搓成土条，当土条搓到直径3mm时，恰好断裂，此时土条的含水量，即为塑限。

4)砂土的密实度指标和颗粒组成

(1)砂土的密实度指标(表17－13)。

表17－13 砂土的密实度指标

(2)颗粒组成。土按粒径大小分组所占的重量百分数，如分配曲线图(图17－2)。

图17－2 颗粒分配曲线

从颗粒分配曲线求得小于该粒径的颗粒占土总重的60%称为界限粒径(d_e0)，小于该粒径的颗粒占土总重的10%称为有效粒径(d₁₀)。

土的级配是否良好，可用不均匀系数C_u来衡量。

土的不均匀系数愈大，表明土的粒径成分愈不均匀。工程上把C_u＜5的土看作级配均匀，C_u＞10的土看作级配良好。

5)透水性指标

以土的渗透系数K表示，其物理意义为当水力坡度等于1时的渗透速度，计算公式：

式中 K——渗透系数(cm／s或m／d)；

Q——单位时间内渗透通过的水量(cm³／s或m³／d)；

4——通过水量的总横断面积(cm²或m²)；

V——渗透速度(cm／s或m／d)；

I——水力坡度(高水位与低水位之差与渗透距离的比值)。

s——断面间的距离(cm)；

h——距离为s的断面间的水头差(cm)。

砂土的渗透系数与有效粒径的经验公式：

K=Cd₁₀(0．7+0．03t)

式中 K——渗透系数(m／d)；

d₁₀——颗粒的有效粒径(mm)；

t——渗透水的温度(℃)；

C——常数(粘土质砂为500～700，纯砂700～1000)。土的渗透系数参考值，如表17－14所列。

表17－14 土的渗透系数参考值

2．土的力学性质指标

1)压缩系数

通常用压缩系数(或用压缩模量)来表示土的压缩性，其值可由原状土的压缩试验确定。

压缩系数按下式计算：

式中 α——土的压缩系数(MPa^－1)；

P₁，P₂——压力(MPa)；

e₁，e₂——对应于P₁，P₂的孔隙比。

评价地基压缩性时，按p₁为100kPa，p₂为200kPa，相应的压缩系数值以α_1～2表示。

当α_1～2＜0．1时，属低压缩性土；

当0．1≤α_1～2＜0．5时，属中压缩性土；

当α_1～2≥0．5时，属高压缩性土。

2)压缩模量

工程上也常用室内试验求得压缩模量Es作为土的压缩性指标。压缩模量按下式计算：

式中E_s为土的压缩模量(MPa)；其他符号意义同压缩系数计算公式。

地基土按E_s值划分压缩性等级的规定(表17－15)

表17－15 地基土按E_s值划分压缩性等级的规定

3)抗剪强度

土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度，一般在室内用快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法进行。

(1)抗剪强度计算公式

τ=p×tgφ+c

式中 τ——土的抗剪强度(MPa)；

P——土所承受的垂直压力(MPa)；

φ——土的内摩擦角(度)；

c——土的内聚力(MPa)(砂类土没有内聚力，c=0)。

(2)土的内摩擦角φ和内聚力c的求法

同一土样切取不少于4个环刀进行不同垂直压力作用下的剪切试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度τ与垂直压力p的相关直线；直线交τ轴的截距即为土的内聚力c，直线的倾斜角即为土的内摩擦角φ，见图17－3。

图17－3 抗剪强度与垂直压力的相关直线

粘性土的有关物理力学性质指标的经验数据，参见表17－16。

表17－16 粘性土的有关物理力学性质指标的经验数据

3．土的分类

建筑地基土的种类很多且很复杂，一般分为：岩石，碎石土、砂土、粉土、粘性土、特殊土等。

1)岩石分类(表17－17、表17－18)

表17－17 岩石坚固性分类

注：强度系指未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度。

表17－18 岩石风化程度划分表

2)碎石土分类

碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土，根据颗粒级配、粒径含量及形状分类如表17－19。

表17－19 碎石土分类表

3)砂土分类

砂土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，粒径大于0．074mm的颗粒超过全重50%的土。按粒径含量分类如表17－20。

表17－20 砂土分类

砂土的密实度根据标准贯入试验锤击数N_63．6按表17－21确定。

表17－21 砂土的密实度

4)粘性土分类

粘性土是塑性指数I_p大于10的土(I_P由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定的液限计算而得)。

(1)按工程地质特征分类

A．一般粘性土：第四纪全新世(Q₄)沉积的粘性土。在湖、塘、沟、谷与河漫滩场地段新近沉积的粘性土。

B．粉土：塑性指数小于或等于10的土，其性质介于砂土和粘土之间。

C．淤泥和淤泥质土：在静水或缓慢地流水环境中沉积，经化学作用形成，天然含水量W大于液限W_L，天然孔隙比e大于或等于1．5的粘性土称为淤泥。当天然孔隙比小于1．5但大于或等于1．0时为淤泥质土。

D．红粘土和次红粘土：碳酸盐岩系出露区的岩石，经红土化学作用形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土。其液限W_L一般大于50，上硬下软，具有明显的收缩性，裂隙发育。经再搬运后仍保留红粘土基本特征，液限W_L大于45的土称为次生红粘土。

(2)按塑性指数(I_P)分类(表17－22)

表17－22 粘性土按塑性指数分类

注：定名时先按工程地质特征分类型，再按塑性指数确定。

(3)按液性指数I_L分类表(17－23)。

表17－23 粘性土的状态按液性指数分类

5)土的颗粒分类(表17－24)

表17－24 土的颗粒分类

4．地基土的承载力

地基土的承载力是指在保证地基稳定的条件下，房屋和构筑物的地基变形值不大于地基容许变形值的地基承载能力。

1)地基土承载力的设计值

地基土承载力的设计值为标准值乘以分项系数后的值。设计值按下式确定。

式中 f_d——地基土承载力的设计值；

f_k——地基土承载力的标准值。根据物理力学指标、标准贯入度、轻便触探等方法或野外鉴别结果确定。参加统计的样本不少于6个。按表17－27～表17－35查得的承载力基本值f₀乘以回归修正系数φ_f得出承载力标准值，而其余表查得的承载力基本值可作为承载力标准值。

r——分项系数，对岩石、碎石土、砂土取1，其余均按回归修正系数φ_f取值。

2)地基土承载力的基本值

根据物理力学指标平均值或野外鉴别结果，可按表17－25～表17－31确定。

表17－25 岩石f₀(kPa)

注：对于微风化的硬质岩石，其承载力如取用大于4000kPa时，应有工程实践经验。

表17－26 碎石土f₀(kPa)

注：①表中数值适用于骨架颗粒空隙全部由中砂、粗砂或硬塑、坚硬状态的粘性土或饱和度不大于0．5的粉土所充填。

②当粗颗粒为中等风化或强风化时，可按其风化程度适当降低承载力，当颗粒间呈半胶结状时，可适当提高承载力。

表17－27 粉土f₀(kPa)

注：①有括号者仅供内插用。

②折算系数ξ为0。

③在湖塘沟、谷与河漫滩地段新近沉积的粉土，其工程性质一般较差，应根据当地实践经验取值。

表17－28 粘性土f₀(kPa)

注：①有括号者仅供内插用。

②折算系数ξ为0．1。

③在湖、塘、沟谷与河漫地段新近沉积的粘性土，其工程性质一般较差，第四纪晚更新世(Q_s)及其以前沉积的老粘性土，其工程性能通常较好。这些土根据当地实践经验取值。

表17－29 沿海地区淤泥和淤泥质土f₀(kPa)

注：对于内陆淤泥和淤泥质土，可参照使用

表17－30 红粘土f₀(kPa)

注：①本表仅用于定义范围内的红粘土。

②I_r=1．7～2．5时，内插。

③折算系数ξ为0．4。

表17－31 素填土f₀(kPa)

注：①本表只适用于堆填时间超过10年的粘性土，以及超过5年的粉土。

②压实填土地基的承载力，可按实际情况采用。

根据标准贯入试验锤击数N、轻便触探试验锤击数N可按表17－32～表17－35确定。

表17－32 砂土f₀(kPa)

表17－33 粘性土f₀(kPa)

表17－34 粘性土f₀(kPa)

表17－35 素填土f₀(kPa)

注：本表只适用于粘性土与粉土组或的素填土

3)地基承载力设计值的计算

f=f_k+η_br(b－3)+η_dr_o(d－0．5)

式中 f——地基承载力设计值(kN／m²)；

f_k——地基承载力标准值(kN／m²)；

η_b，η_d——基础宽度和埋深的承载力修正系数，按基底下土类查表17－36；

表17－36 承载力修正系数

注：强风化的岩石可参照所风化层的相应土类取值。

r——土的重度，即基底以下土的天然密度ρ与重力加速度g的乘积(r=ρg)；地下水位以下取有效重度(kN／m³)；

b——基础底面宽度(m)，当基础小于3m按3m考虑，大于6m按6m考虑；

r₀——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度(kN／m³)；

d——基础埋置深度(m)，一般自室外地面起算。在填方整平地区，可自填土地面起算，但填土在上部结构施工完成时，应从天然地面起算。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋深自室外地面起算，在其他情况下，应从室内地面起算。

5．地基变形容许值

建筑物的地基变形容许值，可根据上部结构对地基变形的适应能力和使用要求，按表17－37采用。

表17－37 地基变形容许值

注：①有括号者仅适用于中压缩性土。

②l为相邻柱基的中心距离(mm)，H₀为自室外地面起算的建筑物高度(m)

(二)基础

1．基础的类型

基础的类型很多。按基础的材料及受力特点分，有刚性基础和钢筋混凝土基础，刚性基础包括砖基础、灰土基础、三合土基础、毛石基础、混凝土基础等。按构造形分，有带形基础、独立基础、桩基础、薄壳基础、整片基础等。常用的基础类型见表17－38。

表17－38 常用的基础类型

基础类型的选择，应考虑地基的地质、水文、冰冻等条件和上部结构特点、材料及施工等因素，选择有足够强度和稳定性的结构，以保证建筑物或构筑物的安全和正常使用。

2．基础计算的常用表

1)刚性基础台阶高宽比的容许值(表17－39)。

表17－39 刚性基础台阶高宽比的容许值

注：①P为基础底面处的平均压力(kPa)。

②阶梯形毛石基础的每阶伸出宽度不宜大于20cm。

③基础由不同材料叠合组成时，应对接触部分作抗压验算。

2)预制桩桩周围土摩擦力设计值q_s(表17－40)。

表17－40 预制桩桩周围土摩擦力设计值

注：①表中数值仅用作初步设计时估算。

②尚未完成固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土可不计其摩擦力。

3)预制桩桩端支承处土的承载力设计值q_d(表17－41)。

表17－41 预制桩桩端土承载力设计值q_d(kPa)

注：①表中数值仅用作初步设计估算。

②入土深度超过15m时按15m考虑。

③桩端进入持力层的深度，根据桩径和地质条件确定，一般为1～3倍桩径。

3．基础特殊构造

1)相邻建筑物的间隔距离(表17－42)。

表17－42 相邻建筑物的间隔距离

注：①表中l为房屋长度或沉降缝分隔单元长度(m)；h为自基础底面起算的房屋高度(m)。

②当被影响建筑长高比为1．5＜l／h＜2．0时，其间隔距离可适当缩小。

2)房屋沉降缝的宽度(表17－43)

表17－43 房屋沉降缝的宽度

注：当沉降缝两侧单元层数不同时，缝宽按高层者取用。

3)相邻基础之间距离和高差要求(图17－4)

图17－4 相邻基础之间距离和高差

基槽(坑)开挖深于邻近建筑物基础时，应保持一定距离以免在施工时影响邻近建筑物的基础，一般应满足下列条件；

式中 △H——新旧建筑物基础底面标高之差(m)；

L——新旧建筑物基础边缘的最小距离(m)。

4)刚性踏步形基础与留洞(图17－5)

图17－5 刚性踏步形基础与留洞

5)温度缝(图17－6)

图17－6 温度缝

6)双墙沉降缝(图17－7)

图17－7 双墙式沉降缝

7)交叉式沉降缝(图17－8)

图17－8 交叉式沉降缝

8)悬挑式沉降缝(图17－9)

图17－9 悬挑式沉降缝