第2篇 建筑基本构造
第1章 地基与基础
1.1 地基与基础的基本概念
基础是建筑地面以下的承重构件，它承受建筑物上部结构传下来的全部荷载，并把这些荷载连同本身的重量一起传到地基上。地基则是承受由基础传下的荷载的土层。地基承受建筑物荷载而产生的应力和应变随着土层深度的增加而减小，在达到一定深度后就可忽略不计。直接承受建筑荷载的土层为持力层。持力层以下的土层为下卧层（图2.1.1.1）。
图2.1.1.1 地基、基础与荷载的关系
1.1.1 地基、基础与荷载的关系
基础是房屋的重要组成部分，而地基与基础又密切相关，若地基与基础一旦出现问题，就难以补救。从工程造价上看，一般4层、5层民用建筑，其基础工程的造价约占总
造价的10%～20%。
从图2.1.1.1中可看到建筑物上部的总荷载（包括屋面、楼板、墙等的自重和各种活荷载），通过基础传到地基上。由此可见，基础是起承上传下地传递荷载的作用，而地基是起着承受由基础传来的荷载的作用。
地基在稳定的条件下，每平方米所能承受的最大垂直压力称地基容许承载力（或地耐力）。一般地基的容许承载力往往低于建筑物基础所用的砖、石、混凝土等材料的抗压强度。当基础对地基的压力超过地基容许承载力时，地基将出现较大的沉降变形，甚至产生地基土层滑动挤出而破坏。为了保证建筑物的稳定与安全，就有必要将建筑物基础与土层接触部分的底面尺寸适当扩大，以减小单位地基面积所承受的压应力。因此，欲使地基容许承载力R，与建筑物总荷载N相适应，可通过基础底面积F来调整：
F≥N/R
从上式可见，当地基承载力不变的情况下，建筑总荷载越大，要求基础底面积也越大；相反，上部荷载相同，地基容许承载力越小，所需要的基础面积则越大。不同的基础底面积，可以适应不同的建筑总荷载和不同的地基容许承载力。
1.1.2 天然地基与人工地基
1.1.2.1 天然地基
凡天然土层具有足够的承载力，不需经过人工加固，可直接在其上建造房屋的土层称为天然地基。
天然地基的土层分布及承载力大小由勘测部门实测提供。作为建筑地基的土层分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。
1.岩石
岩石为颗粒间牢固连接，呈整体或具有肌理裂隙的岩体。岩石根据其坚固性可分为硬质岩石（花岗岩、玄武岩等）和软质岩石（页岩、黏土岩等）；根据其风化程度可分为微风化岩石、中等风化岩石和强风化岩石等。岩石承载力的标准值在200～4000kPa之间。
2.碎石土
碎石土为粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。碎石土根据颗粒形状和粒组含量又分漂石、块石（粒径大于200mm）；卵石、碎石（粒径大于20mm）；圆砾、角砾
（粒径大于2mm）。碎石土承载力的标准值在200～1000kPa之间。
3.砂土
砂土为粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。根据其粒径大小和占全重的百分率不同，砂土又分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂五种。砂土的承载力标准值在140～500kPa之间。
4.粉土
粉土为介于砂土与黏性土之间，塑性指数Ip≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。粉土的承载力标准值为105～410kPa。
5.黏性土
黏性土为塑性指数Ip＞10的土，按其塑性指数值的大小又分为黏土和粉质黏土两大
类。黏性土的承载力标准值为105～475kPa。
6.人工填土
人工填土根据其组成和成因可分为素填土、杂填土、冲填土。素填土为碎石土、砂土、粉土、黏性土等组成的填土；杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土；冲填土为水利冲填泥砂形成的填土。人工填土的承载力标准为65～160kPa。
1.1.2.2 人工地基
当土层的承载力较差或虽然土层较好，但上部荷载甚大时，为使地基具有足够的承载能力，可以对土层进行人工加固，这种经人工处理的土层，称为人工地基。常用的人工加固地基的方法有压实法、换土法和桩基。
1.压实法
用各种机械对土层进行夯打、碾压、振动来压实松散土的方法为压实法。在开挖基坑后，为改善土层表面松软状况、保证地基质量，往往采用木夯、石硪、蛙式打夯机进行夯打、压实。若需提高地基的承载能力，则应用重锤夯实机、压路机进行碾压，或用振动压
实机压实（图2.1.1.2）。
图2.1.1.2 压实法加固地基
2.换土法
当基础下土层比较软弱，或地基有部分较弱的土层，如淤泥、淤泥质土、填土等，不能满足上部荷载对地基的要求时，可将较弱土层全部或部分挖去，换成其他较坚硬的材料，这种方法叫换土法。换土法所用材料一般是选用压缩性低的无侵蚀性材料，如砂、碎石、矿渣、石屑等松散材料。这些松散材料是被基槽侧面土壁约束，借助互相咬合而获得强度和稳定性，从应力状态上看属于垫层，通常称为砂垫层或砂石垫层。如垫层中石料较多，起到传递荷载的作用，则常称为砂石基础（图2.1.1.3）。
3.桩基
当建筑物荷载很大，地基土层很弱，地基承载力不能满足要求时，可以采用桩基，使基础上的荷载经过桩传给地基土层，这也是一种加固地基的方式。
桩基由承台和桩柱两部分组成（图2.1.1.4）。
承台是在桩柱顶现浇的钢筋混凝土梁或板，上部支承墙的为承台梁，上部支承柱的为承台板，承台的厚度一般不小于300mm，由结构计算确定，桩顶嵌入承台的深度不宜小
于5～100mm。
图2.1.1.3 换土法加固地基
图2.1.1.4 桩基组成
按桩柱的材料不同可分为混凝土桩、钢筋混凝土桩、土桩、木桩、砂桩等。我国采用较多的为钢筋混凝土桩。
钢筋混凝土桩，按施工方法不同又分为预制桩、灌注桩和爆扩桩三种。
预制桩是把桩先预制好，然后用打桩机打入地基土层中。桩的断面一般为200～350mm见方，桩长不超过12m。预制桩质量易于保证，不受地基其他条件影响（如地下水等），但造价高，钢材用量大，打桩时有较大噪声，影响周围环境。
灌注桩是直接在所设计的桩位上开孔（圆形），然后在孔内加放钢筋骨架，浇灌混凝土而成。与钢筋混凝土预制桩相比，灌注桩有施工快、施工占地面积小、造价低等优点，近年来发展较快。
爆扩桩是用机械或爆扩等方法成孔，孔径一般为300～400mm，成孔后用炸药扩大孔底，现浇灌混凝土而成。爆扩桩端是呈球状的扩大体，一般为桩身直径的2～3倍，桩长为
5～7m（图2.1.1.5）。爆扩桩具有设备简单、
图2.1.1.5 爆扩桩
施工速度快、劳动强度低及投资少等优点。缺点是受施工和基础条件的局限，不易保证质量。爆扩桩现在已较少采用。
1.1.3 基础的埋置深度
由室外的设计地面到基础底面的距离，称基础的埋置深度。从基础的经济效果看，基础的埋置深度越小，工程造价越低。但基础底面的土层在受到压力后，会把基础四周的土挤出，没有足够厚度的土层包围基础，基础本身将产生滑移而失去稳定。同时，埋得过浅或把基础暴露在地面，易受外界的影响而损坏。所以，基础的埋置要有一个适当的深度，既保证建筑物的坚固安全，又节约基础的用材，并加快施工速度。根据实践证明，在没有其他条件的影响下，基础的埋置深度不应小于500mm
图2.1.1.6 基础的埋置深度
（图2.1.1.6）。
影响基础埋深的因素有很多，主要应考虑下列几个条件。1.与地基的关系
基础的埋置深度与地基构造有密切关系，房屋要建造在坚实可靠的地基上，不能设置在承载能力低、压缩性高的软弱土层上。在选择埋深时，应根据建筑物的大小、特点、刚度与地基的特性区别对待。如土层是两种土质构成，上层土质好且有足够厚度，则以埋在上层范围内为宜；反之，上层土质差而厚度浅，则以埋置于下层好土范围内为宜。总之，由于地基土形成的地质变化不同，每个地区的地基土的性质也就不会相同，即使同一地区，它的性质也有很大变化，必须综合分析，求得最佳埋深。
2.地下水位的影响
地下水对某些土层的承载能力有很大影响，如黏性土在地下水上升时，将因含水量增加而膨胀，使土的强度降低；当地下水下降时，基础将产生下沉。为避免地下水的变化影响地基承载力及防止地下水对基础施工带来的麻烦，一般基础应争取埋在最高水位以上，
如图2.1.1.7（a）所示。
图2.1.1.7 地下水位与基础埋深
当地下水位较高，基础不能埋在最高水位以上时，宜将基础底面埋置在最低地下水位以下200mm。这种情况，基础应采用耐水材料，如混凝土、钢筋混凝土等。施工时要考
虑基坑的排水，如图2.1.1.7（b）所示。
3.冻结深度与基础埋深的关系
冻结土与非冻结土的分界线称为冻土线。各地区气候不同，低温持续时间不同，冻土深度也不相同，如北京地区为0.8～1.0m，哈尔滨是2m，重庆地区则基本无冻结土。地基土冻结后，是否对建筑产生不良影响，主要看土冻结后会不会产生冻胀现象。若产生冻胀，会把房屋向上拱起（冻胀向上的力会超过地基承载力），土层解冻，基础又下沉。这
种冻融交替，使房屋处于不稳定状态，产生变形，如墙身开裂，门窗倾斜而开启困难；甚至使建筑物结构也遭到破坏等。地基土冻结后是否产生冻胀，主要与土壤颗粒的粗细程度、含水量和地下水位的高低有关。如地基土存在冻胀现象，特别是在粉砂、粉土和黏性土中，基础应埋置在冻土线以
下200mm。
4.其他因素对基础埋深的影响
图2.1.1.8 相邻基础的关系
基础的埋置深度除考虑地基构造、地下水位、冻结深度等因素外，还应考虑相邻基础的深度，拟
建建筑物是否有地下室、设备基础等因素的影响（图2.1.1.8）。1.1.4 地基、基础设计应满足的基本条件
1.强度、稳定性和均匀沉降
基础处于建筑物的底部，是建筑物的重要组成部分，对建筑物的安全起着根本性作用。而地基虽然不是建筑物的构件，但它直接支承着整个建筑，对整个建筑物的安全使用起着保证作用。
因此，基础本身应具有足够的强度来传递整个建筑物的荷载，而地基则应具有良好的稳定性，以保证建筑物的均匀沉降。
有些建筑物在施工过程或建造完工之后出现倾斜，产生墙身或楼层的开裂，甚至破坏。通过调查，多数是由于地基土质分布不均，基础构造处理不当，或房屋结构方案刚度不足等，使得建筑物产生过大的不均匀沉降所致。欲保证建筑物的安全和正常使用，除了要求有坚固的基础和可靠的地基外，也要求有相适应的结构刚度的上部建筑相互配合，共同作用。
2.耐久性
基础是埋在地下的隐蔽工程，建成后的检查和加固是既复杂而又困难。因此，基础材料、构造的选择应与上部建筑的使用年限相适应。防止基础提前破坏，对整个建筑带来严重的后患，但也不能过分保守，造成不必要的浪费。
3.经济
地基与基础工程的工期、工程量及造价在整个建筑工程中占有一定的比重。其比重的变化往往相差悬殊。造价低的不足3%，高的可达35%以上，相差十多倍。一般4～5层的混合结构房屋，约占总造价的10%～20%左右。
所选建筑基地的土质较差，将增加地基的人工处理和上层建筑物加固的成本。如加大
基础埋置深度，大量开挖土方，加长了工期，增加了基础的工程量和造价。因此，建筑基地的选择与基础工程的设计是不可分割的。在选择基地时，应尽可能避开暗塘、河沟以及不适宜作天然地基的基地。选择具有良好承载力的土层作地基，不仅可以减小地基的处理费用，还可降低基础造价，保证建筑物的安全。
同样的建筑物，由于选择不同的地基方案和采用不同基础构造，其工程造价将产生很大的差别。通常应尽可能选择良好的天然地基，争取做浅基础，采用当地产量丰富、价格低廉的材料和先进的施工技术，使设计符合经济合理的原则。