岩土工程设计与施工---天然地基上的浅基础和基础下的应力分布 (C5)

1 引言

这节课讨论天然地基上浅基础的设计和基础下的应力分布计算。对于基础设计，由于地质工程专业比土木工程专业的要求低，因此这节课侧重理解最基本的概念和方法 论，着重强调从岩土工程的角度来理解地基和基础，更详细的讨论以及思考题目参看下面为土木工程专业的授课内容:

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2 地基与基础

任何建筑物都建造在一定的地层上，建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担。一般而言，将承受建筑物各种作用的地层称为地基，而将建筑物与地基接触的最下部分，也就是将建筑物的各种作用传递至地基的结构物称为基础。可以认为受建筑物影响的那一部分地层称为地基，建筑物与地基接触的部分称为基础。对于岩土工程师来讲，我们更关心的是地基。地基分为天然地基和人工地基，天然地基是未经过人为处理即可满足设计要求的地基，人工地基是经过人工加固或处理后的地基。对于工业与民用建筑，地基和基础比较容易区分，着重介绍一下桥梁工程的地基和基础。桥梁上部结构为桥跨结构，下部结构包括桥墩、桥台及其基础，如下图所示。

要求掌握下面的概念：

(1) 地基：承担建筑物荷载的地层。

(2) 基础：介于上部结构与地基之间的部分，即建筑物最底下的一部分。刚性基础是不需配置受力钢筋的基础；柔性基础是用钢筋砼修建的基础。

(3) 天然地基：自然状态下即可满足承担基础全部荷载要求，不需要人工处理的地基。

(4) 人工地基：天然地基的承载力不能承受基础传递的全部荷载，需经人工处理后作为地基的土体称为人工地基。

(5) 地基容许承载力：指地基稳定有足够安全度的承载能力，它由地基极限承载力除以一个安全系数所得。

(6) 持力层：直接支撑建筑物基础的土层，其下的土层为下卧层。

(7) 下卧层：持力层下部的土层，持力层地基承受的荷载是随着土体深度的加深而慢慢减小，到一定深度后土体承受的荷载，就可以忽略不计了，这时我们就把这一层往下的土体叫做下卧层。

(8) 软弱下下卧层---地基由多层土组成时，持力层以下存在容许承载力小于持力层容许承载力的土层时，这样的土层叫做软弱下卧层。

3 地基基础在工程中的重要性

工程实践表明,建筑物地基与基础的设计和施工质量的优劣，对整个建筑物的质量和正常使用起着根本的作用。基础工程是隐蔽工程，如有缺陷，较难发现，也较难弥补和修复，而这些缺陷往往直接影响整个建筑物的使用甚至安全。基础工程的进度，经常控制整个建筑物的施工进度。基础工程的造价，通常在整个建筑物造价中占相当大的比例，尤其是在复杂地质条件下或深水中修建的基础更是如此。因此，对基础工程必须做到精心设计和施工。作为一个岩土工程师，任何上部结构出现的破坏或损伤，首先想到的是应该是地基或基础是不是出了问题。

基础工程设计的基本原则和目的如下： 

(1) 基础底面的压力小于地基承载力容许值；

(2) 地基及基础的变形值小于建筑物要求的沉降值；

(3) 地基及基础的整体稳定性有足够保证；

(4) 基础本身的强度、耐久性满足要求。

4 浅基础和深基础

基础分为浅基础和深基础(Foundations may be classified based on where the load is carried by the ground)。浅基础(Shallow Foundations)的埋置深度不大(小于或等于基础底面宽度，D/B<=1, 一般认为小于5m), 且可用简便施工方法进行基坑开挖和排水，天然地基浅基础常见的类型有：柱下独立基础、刚性扩大基础、单独和联合基础、条形基础、筏板基础、交叉梁基础和箱形基础等。深基础(Deep Foundations)的浅层土质不良，需要利用深处良好地层,采用专门的施工方法和机具建造，如桩基、沉井、地下连续墙、箱形基础、较深的筏板基础等。

基础工程的常见形式分为天然地基上的浅基础、天然地基上的深基础、人工地基上的浅基础三类。如若天然地基承载力较高，足以满足上部结构物荷载作用下的强度、变形和稳定性的要求，一般优先选用天然地基上的浅基础；若浅层土承载力不足，但下部较深土层有良好的承载力，可考虑天然地基上的深基础形式；若深基础不可行或没有较好土层，可考虑对浅层地基进行人工加固处理后设置人工地基上的浅基础。

浅基础与深基础两者区别主要在三个方面：⑴埋置深度：浅基础是指埋置深度在5米以内或基础宽度比埋深大的基础，其结构形式较简单，深基础是埋深大于5米以上且基础宽度小于埋深的基础，其结构形式一般较复杂；⑵设计：浅基础不考虑基础侧面的土体对基础竖向的摩阻力和水平向的土抗力，而深基础要考虑；⑶施工：浅基础一般是明挖，施工方法及设备简单，造价低，而深基础一般需要专门的设备开挖，施工方法及设备较复杂，造价较高。

5 基础设计的内容和步骤

当选择基础形式时优先采用浅基础，这是因为天然地基上明挖基础埋深浅，结构形式简单，施工简便易行，造价低，保证质量，经济效益好。天然地基上浅基础的设计，包括下述各项内容：

⑴  初步拟定基础的结构形式、类型、材料与平面布置；

⑵ 确定基础埋置深度；

⑶ 计算作用在基础顶面的荷载；

⑷  计算地基承载力；

⑸  确定基础尺寸，根据作用在基础顶面的荷载和地基承载力，计算基础的底面积，并以此计算基础的长度和宽度；

⑹  计算基础高度、确定剖面形状；

⑺  承载力验算，若地基持力层下存在软弱下卧层时，则需验算软弱下卧层承载力；

⑻  按要求计算地基变形；

⑼  基础结构设计，进行基础细部构造和构造设计；

⑽  绘制基础施工图，提出施工说明。    

6 确定地基承载力

地基容许承载力设计方法是我国20世纪最常用的方法，并集累了丰富的工程经验。地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力, 无论是轴心荷载作用还是偏心荷载作用,都应该使用修正后的地基承载力特征值. 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值尚应进行深宽修正; 当地基受力层范围内有软弱下卧层时,应该进行下卧层验算。

建筑物荷载通过基础传递到地基上，对于刚性扩大基础而言，作用在基础底面单位面积上的压力称为基底压力。设计中要求基底压力不能超过地基极限承载力，而且要有足够的安全度；同时所引起的地基变形不能超过建筑物容许变形值。满足这两项要求，地基单位面积上所能承受的最大压力就称为地基容许承载力。如果地基容许承载力确定了，则要求的基础底面积A就可用下式计算：

地基容许承载力的确定一般有以下方法：(A) 在土质基本相同的条件下，参照邻控近建筑物地基容许承载力；(B) 根据现场荷载试验的p-s曲线；(C) 按地基承载力理论公式计算；(D) 按现行规范提供的经验公式计算。

7 基础埋置深度

基础埋置深度是指设计地面到基础底面的深度. 基础埋置深度关系到建成后建筑物的牢固、稳定和正常使用. 主要的影响因素包括:

(1) 与建筑物有关的条件---包括建筑物的用途，有无地下室、设备基础和地下设施，基础的型式和构造等。

(2) 作用在地基上的荷载大小和性质

(3) 工程地质条件和水文地质条件---合理选择地基持力层。另外，选择基础埋深时应注意地下水的埋藏条件和动态。

(4) 相邻建筑物的基础埋深---当存在相邻建筑物时，新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑物的基础埋深。当埋深大于原有建筑物的基础埋深时，两基础之间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑物荷载大小、基础型式和土质情况而定。

(5) 地基土冻胀和融陷的影响---当地的冻结深度. 为了保证建筑物不受地基土季节性冻胀的影响，除地基为非冻胀性土外，基础底面应埋置在天然最大冻结线以下一定深度。《公桥基规》规定，当上部结构为超静定结构时，基底应埋置在最深冻结线以下不小于0.25m；对静定结构的基础，一般也按此要求，但在冻结较深地区，为了减少基础埋深，有些类别的冻土经计算后也可将基底置于最大冻结线以上。 

8 基础下的应力分布

尽管数值解能够解决复杂地层内的应力和位移问题，但在实践中岩土工程师还在使用一些经验设计方法。下面简要讨论两种常见的基础下应力分布计算方法---2:1方法和Westergaard方法，其中2:1方法是课程的学习重点和考察重点, Westergaard方法仅作为一般了解即可。对于岩土工程师来说，获得地基土内的应力不仅可以用于计算地基沉降量，而且在岩土工程勘察阶段可以用来估算钻孔深度。详情参看【基础下的应力分布计算---(2:1法和Westergaard法)】

2:1方法假设一个矩形载荷的影响区域按照2:1扩展。例如一个3m*3m的正方形基础, 柱的载荷是180KN, 求基础下4m平面内的垂直应力。

Step 1: 计算平面A一条边的边长: AB + BC + CD = 3 + 2 + 2 = 7m

Step 2: 在平面A的应力 = 180/ (7*7) = 3.67kPa