论文部分内容阅读
摘要：可见基础设计是一项极其复杂且细致的工作。为了找到最为合理、最为有利的方案，必须综合考虑这些相互联系着的因素，才能做到精心设计。本文讲述了天然地基基础设计的步骤和内容。
关键词：基础设计；结构形式；地基
Abstract: the basic design is a very complex and detailed work. In order to find the most reasonable, the most favourable scheme, we must consider these interrelated factors. This paper describes the contents and steps of the design of natural foundation.
Keywords: foundation design; structure; foundation
中图分类号:[TU973+.35]文献标识码：A文章编号：
1、建筑基础材料与基础的结构形式
通常根据上部结构的要求、荷载大小和性质、工程地质情况以及施工条件等确定。根据基础所用材料的性能可分为刚性基础和柔性基础。刚性基础通常是指由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造的基础。当刚性基础尺寸不能同时满足地基承载力和基础埋深的要求,则改成柔性基础，即钢筋混凝土基础。基础根据在天然地基上的埋置深度分为浅基础和深基础。浅基础根据它的形状和大小可分为下面几种类型：独立基础、条形基础、阀板基础、箱形基础及壳体基础。深基础常见的类型:沉井基础和桩基础。
2、建筑基础设计中应用理论
应用上部结构、基础与地基共同作用的理论进行高层建筑的基础设计，能够比较真实地反映其实际工作状态，此外，还可以利用共同作用理论提高和改善高层建筑基础设计的水平和质量，取得更大的经济效果。具体来说，可从下面几方面入手：
（1）有效地利用上部结构的刚度，使基础的结构尺寸减小到最小程度。例如，把上部结构与基础作为一个整体来考虑，箱形基础高度可大为减小；当上部结构为剪力墙体系时，有可能将箱形改为筏基。应注意的是，上部结构的刚度是随着施工的进程逐步形成的，因此在利用上部结构刚度改善基础工作条件时，应模拟施工过程进行共同作用分析，以免造成基础结构的损坏。
（2）对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与群房，可分别采用不同形式的基础，经慎重而仔细的共同作用分析比较，可使主、裙房的基础与上部结构全都连接成整体，实现建筑功能上的要求。
（3）运用共同作用的理论合理地设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。例如在一定的地质条件下，考虑桩间土的承载作用，得以加大桩径、减少桩数，合理布桩、减少基础内力，从而在整体上降低基础工程的造价。
3、基础的埋置深度
基础的埋置深度，应按下列条件确定：
（1）建筑物的用途和荷载大小及性质
某些建筑物需要具备一定的使用功能或宜采用某种基础形式，这些要求常成为其基础埋深选择的先决条件，例如必须设置地下室或设备层的建筑物、半埋式结构物，须建造带封闭侧墙的筏板基础或箱形基础的高层或重型建筑、带有地下设施的建筑物或具有地下部分的设备基础等等。
位于土质地基上的高层建筑，由于竖向荷载大，又要承受风力和地震力等水平荷载,其基础埋深应随建筑高度适当增大，才能满足稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑，常须依靠基础侧面土体承担水平荷载,其基础埋深应满足抗滑要求。
输电塔等受有上拔力的基础,应有较大的埋深以提供所需的抗拔力。烟囱、水塔和筒体结构的基础埋深也应满足抗倾覆稳定性的要求。确定冷藏库或高温炉窑一类建筑物基础的埋深时，应考虑热传导引起地基土的低温(冻胀)或高温(干缩)效应。
（2）工程地质和水文地质条件
选择基础埋深时应注意地下水的埋藏条件和动态。对底面低于潜水面的基础，除应考虑基坑排水、坑壁围护以及保护基土不受扰动等措施外,还应考虑可能出现的其他施工与设计问题，例如：出现涌土、流砂现象的可能性，地下水对基础材料的化学腐蚀作用，地下室防渗，轻型结构物由于地下水顶托而上浮的可能性,地下水浮托力引起基础底板的内力变化等。
（3）相邻建筑物的基础埋深
对靠近原有建筑物基础修建的新基础,其埋深不宜超过原有基础的底面，否则新、旧基础间应保留一定的净距，其值依原有基础荷载和地基土质而定,且不宜小于该相邻基础底面高差的1到2 倍，不能满足上述要求时，应采取适宜措施以保證邻近原有建筑物的安全。
（4）地基土冻胀和融陷的影响
季节性冻土是冬季冻结、天暖解冻的土层，在我国分布很广。细粒土(粉砂、粉土和粘性土)冻结前的含水量如果较高、而且冰结期间的地下水位低于冻结深度不足1.5～2.0 m，则有可能发生冻胀。位于冻胀区内的基础受到的冻胀力如大于基底以上的荷重，基础就有被抬起的可能，土层解冻融陷，建筑物就随之下沉。地基土的冻胀与融陷一般是不均匀的，容易导致建筑物开裂损坏。
4、基础刚度对基底反力分布的影响
绝对柔性基础当上部结构刚度可以忽略时，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，反力分布p(x,y)则与荷载q(x，y)大小相等、方向相反。当荷载均匀时，基础呈盆形沉降；如欲使基础沉降均匀，则需使荷载从中部向两端逐渐增大，呈不均匀状。绝对刚性基础对荷载传递起着“架越作用”。由于基础为绝对刚性，迫使地基均匀沉降。由于土中塑性区的开展，反力将发生重分布。塑性区最先在边缘处出现，反力将减小，并向中部转移，形成马鞍形分布。理论分析与试验研究表明，基底反力的分布除与基础刚度密切相关外，还涉及到土的类别与变形特性、荷载大小与分布、土的固结与蠕变特性，以及基础的埋深和形状等多种因素。基底反力分布大致分为三种类型：
（1）如果基底面积足够大，有一定的埋深，荷载不大，地基尚处于线性变形阶段，则基底反力图多为马鞍形；如图（a)所示；当地基土比较坚硬时，反力最大值的位置更接近于边缘。
（2）砂土地基上的小型基础，埋深较浅或荷载较大，临近基础边缘的塑性区逐渐扩大，这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体，导致中部基底反力增大，最后呈抛物线形，如图（b）所示。
（3）当荷载非常大，以致地基接近整体破坏时，反力更加向中部集中而呈钟形，如图（c）所示；当两端存在非常大的地面堆载或相邻建筑的影响时，也可能出现钟形的反力分布
5、地基土的承载力验算
建筑物确定了基础类型和基础深度后,对于已知基础底面尺寸，可以进行地基础持力层承载力验算。若地基受力层范围内存在有承载力低于持力层的土层,这种土层称为软弱下卧层，这样还必须对软弱下卧层的承载力进行验算。若基础底面尺寸不知道,可以根据外荷载和地基承载力进行地基基础设计，对于轴心荷载作用，可假定基础底面形状为正方形；对于偏心荷载，可假定基础底面形状为长方形，并根据偏心距的大小给出长边和短边的合适比例后，再进行设计。
6、地基条件对基础受力状况的影响
基础受力状况（乃至上部结构的受力状况）还取决于地基土的压缩性（即软硬程度或刚度）及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上），基础结构不仅不产生整体弯曲，局部弯曲亦很小；上部结构也不会因不均匀沉降产生次应力。实践中最常遇到的情况却是地基土有一定的可压缩性，且分布不均，这样，基础弯矩分布就截然不同。基础与地基界面处往往显示出摩擦特征。由于土的强度有限，形成的摩擦力也有限，不会超过土的抗剪强度。孔隙水压力的变化，可能改变压缩过程中摩擦力的大小与分布。此外，外荷载的分布和性质、基础的相对柔度以及土的蠕变等涉及时间变化的效应等都会影响到界面条件。因此，应从完全光滑一直到完全粘着这两种极端情况之间来慎重估计界面摩擦的影响。
7、验算基础沉降
在软土地基上建造房屋, 在强度和变形两个条件中,变形条件显得比较重要。地基在荷载和其他因素的作用下，要发生变形（均匀沉降或不均匀沉降），变形过大时可能危害到建筑物结构的安全，或影响建筑物的正常使用。为防止建筑物不致因地基变形或不均匀沉降造成建筑物的开裂与损坏，或保证正常使用，必须对地基的变形特别是不均匀沉降加以控制。对于较为次要的建筑物以及《建筑地基基础设计规范》规定的建筑物，按地基承载力设计值计算设计时，已满足地基变形的要求，可不进行地基沉降计算。
8、小结
由于建筑物高耸，不仅竖向荷载大而集中，而且风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩成倍增长，因此要求基础和地基提供更高的竖直和水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内，并保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性。这就对基础的设计和施工提出了更高、更严的要求。
关键词：基础设计；结构形式；地基
Abstract: the basic design is a very complex and detailed work. In order to find the most reasonable, the most favourable scheme, we must consider these interrelated factors. This paper describes the contents and steps of the design of natural foundation.
Keywords: foundation design; structure; foundation
中图分类号:[TU973+.35]文献标识码：A文章编号：
1、建筑基础材料与基础的结构形式
通常根据上部结构的要求、荷载大小和性质、工程地质情况以及施工条件等确定。根据基础所用材料的性能可分为刚性基础和柔性基础。刚性基础通常是指由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造的基础。当刚性基础尺寸不能同时满足地基承载力和基础埋深的要求,则改成柔性基础，即钢筋混凝土基础。基础根据在天然地基上的埋置深度分为浅基础和深基础。浅基础根据它的形状和大小可分为下面几种类型：独立基础、条形基础、阀板基础、箱形基础及壳体基础。深基础常见的类型:沉井基础和桩基础。
2、建筑基础设计中应用理论
应用上部结构、基础与地基共同作用的理论进行高层建筑的基础设计，能够比较真实地反映其实际工作状态，此外，还可以利用共同作用理论提高和改善高层建筑基础设计的水平和质量，取得更大的经济效果。具体来说，可从下面几方面入手：
（1）有效地利用上部结构的刚度，使基础的结构尺寸减小到最小程度。例如，把上部结构与基础作为一个整体来考虑，箱形基础高度可大为减小；当上部结构为剪力墙体系时，有可能将箱形改为筏基。应注意的是，上部结构的刚度是随着施工的进程逐步形成的，因此在利用上部结构刚度改善基础工作条件时，应模拟施工过程进行共同作用分析，以免造成基础结构的损坏。
（2）对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与群房，可分别采用不同形式的基础，经慎重而仔细的共同作用分析比较，可使主、裙房的基础与上部结构全都连接成整体，实现建筑功能上的要求。
（3）运用共同作用的理论合理地设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。例如在一定的地质条件下，考虑桩间土的承载作用，得以加大桩径、减少桩数，合理布桩、减少基础内力，从而在整体上降低基础工程的造价。
3、基础的埋置深度
基础的埋置深度，应按下列条件确定：
（1）建筑物的用途和荷载大小及性质
某些建筑物需要具备一定的使用功能或宜采用某种基础形式，这些要求常成为其基础埋深选择的先决条件，例如必须设置地下室或设备层的建筑物、半埋式结构物，须建造带封闭侧墙的筏板基础或箱形基础的高层或重型建筑、带有地下设施的建筑物或具有地下部分的设备基础等等。
位于土质地基上的高层建筑，由于竖向荷载大，又要承受风力和地震力等水平荷载,其基础埋深应随建筑高度适当增大，才能满足稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑，常须依靠基础侧面土体承担水平荷载,其基础埋深应满足抗滑要求。
输电塔等受有上拔力的基础,应有较大的埋深以提供所需的抗拔力。烟囱、水塔和筒体结构的基础埋深也应满足抗倾覆稳定性的要求。确定冷藏库或高温炉窑一类建筑物基础的埋深时，应考虑热传导引起地基土的低温(冻胀)或高温(干缩)效应。
（2）工程地质和水文地质条件
选择基础埋深时应注意地下水的埋藏条件和动态。对底面低于潜水面的基础，除应考虑基坑排水、坑壁围护以及保护基土不受扰动等措施外,还应考虑可能出现的其他施工与设计问题，例如：出现涌土、流砂现象的可能性，地下水对基础材料的化学腐蚀作用，地下室防渗，轻型结构物由于地下水顶托而上浮的可能性,地下水浮托力引起基础底板的内力变化等。
（3）相邻建筑物的基础埋深
对靠近原有建筑物基础修建的新基础,其埋深不宜超过原有基础的底面，否则新、旧基础间应保留一定的净距，其值依原有基础荷载和地基土质而定,且不宜小于该相邻基础底面高差的1到2 倍，不能满足上述要求时，应采取适宜措施以保證邻近原有建筑物的安全。
（4）地基土冻胀和融陷的影响
季节性冻土是冬季冻结、天暖解冻的土层，在我国分布很广。细粒土(粉砂、粉土和粘性土)冻结前的含水量如果较高、而且冰结期间的地下水位低于冻结深度不足1.5～2.0 m，则有可能发生冻胀。位于冻胀区内的基础受到的冻胀力如大于基底以上的荷重，基础就有被抬起的可能，土层解冻融陷，建筑物就随之下沉。地基土的冻胀与融陷一般是不均匀的，容易导致建筑物开裂损坏。
4、基础刚度对基底反力分布的影响
绝对柔性基础当上部结构刚度可以忽略时，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，反力分布p(x,y)则与荷载q(x，y)大小相等、方向相反。当荷载均匀时，基础呈盆形沉降；如欲使基础沉降均匀，则需使荷载从中部向两端逐渐增大，呈不均匀状。绝对刚性基础对荷载传递起着“架越作用”。由于基础为绝对刚性，迫使地基均匀沉降。由于土中塑性区的开展，反力将发生重分布。塑性区最先在边缘处出现，反力将减小，并向中部转移，形成马鞍形分布。理论分析与试验研究表明，基底反力的分布除与基础刚度密切相关外，还涉及到土的类别与变形特性、荷载大小与分布、土的固结与蠕变特性，以及基础的埋深和形状等多种因素。基底反力分布大致分为三种类型：
（1）如果基底面积足够大，有一定的埋深，荷载不大，地基尚处于线性变形阶段，则基底反力图多为马鞍形；如图（a)所示；当地基土比较坚硬时，反力最大值的位置更接近于边缘。
（2）砂土地基上的小型基础，埋深较浅或荷载较大，临近基础边缘的塑性区逐渐扩大，这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体，导致中部基底反力增大，最后呈抛物线形，如图（b）所示。
（3）当荷载非常大，以致地基接近整体破坏时，反力更加向中部集中而呈钟形，如图（c）所示；当两端存在非常大的地面堆载或相邻建筑的影响时，也可能出现钟形的反力分布
5、地基土的承载力验算
建筑物确定了基础类型和基础深度后,对于已知基础底面尺寸，可以进行地基础持力层承载力验算。若地基受力层范围内存在有承载力低于持力层的土层,这种土层称为软弱下卧层，这样还必须对软弱下卧层的承载力进行验算。若基础底面尺寸不知道,可以根据外荷载和地基承载力进行地基基础设计，对于轴心荷载作用，可假定基础底面形状为正方形；对于偏心荷载，可假定基础底面形状为长方形，并根据偏心距的大小给出长边和短边的合适比例后，再进行设计。
6、地基条件对基础受力状况的影响
基础受力状况（乃至上部结构的受力状况）还取决于地基土的压缩性（即软硬程度或刚度）及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上），基础结构不仅不产生整体弯曲，局部弯曲亦很小；上部结构也不会因不均匀沉降产生次应力。实践中最常遇到的情况却是地基土有一定的可压缩性，且分布不均，这样，基础弯矩分布就截然不同。基础与地基界面处往往显示出摩擦特征。由于土的强度有限，形成的摩擦力也有限，不会超过土的抗剪强度。孔隙水压力的变化，可能改变压缩过程中摩擦力的大小与分布。此外，外荷载的分布和性质、基础的相对柔度以及土的蠕变等涉及时间变化的效应等都会影响到界面条件。因此，应从完全光滑一直到完全粘着这两种极端情况之间来慎重估计界面摩擦的影响。
7、验算基础沉降
在软土地基上建造房屋, 在强度和变形两个条件中,变形条件显得比较重要。地基在荷载和其他因素的作用下，要发生变形（均匀沉降或不均匀沉降），变形过大时可能危害到建筑物结构的安全，或影响建筑物的正常使用。为防止建筑物不致因地基变形或不均匀沉降造成建筑物的开裂与损坏，或保证正常使用，必须对地基的变形特别是不均匀沉降加以控制。对于较为次要的建筑物以及《建筑地基基础设计规范》规定的建筑物，按地基承载力设计值计算设计时，已满足地基变形的要求，可不进行地基沉降计算。
8、小结
由于建筑物高耸，不仅竖向荷载大而集中，而且风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩成倍增长，因此要求基础和地基提供更高的竖直和水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内，并保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性。这就对基础的设计和施工提出了更高、更严的要求。