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關於建築結構中地基與基礎知識，本文精簡至約7000字。

地基與基礎

一

建築物的全部荷載都由它下面的地層來承擔，受建築物影響的那一部分地層稱為地基；建築物向地基傳遞荷載的下部結構就是基礎。以最常見的房屋建築為例，荷載的傳遞方式為：

建築物上部結構→基礎→地基。

（ 3 ）組成地層的土或巖石是自然界的產物。它的形成過程、物質成分、工程特性及其所處的自然環境極為復雜多變。因此，在設計建築物之前，必須進行建築物場地的地基勘察。

（ 4 ）建築物的建造使地基中原有的應力狀態發生變化。這就必須運用力學方法來研究荷載作用下地基土的變形和強度問題。一般來講，地基基礎設計應該滿足兩個基本條件：

1 ）要求作用於地基的荷載不超過地基的承載能力；

2 ）控制基礎沉降使之不超過允許值。

（ 5 ）基礎結構的型式很多。設計時應該選擇能適應上部結構和場地工程地質條件、符合使用要求、滿足地基基礎設計兩項基本要求以及技術上合理的基礎結構方案。通常把埋置深度不大（一般淺於5m ）的基礎統稱為淺基礎（各種單獨的和連續的基礎）。反之，淺層土質不良，而須把基礎埋置於深處的好地層時，就要借助於特殊的施工方法，建造各種類型的深基礎瞭。選定適宜的基礎型式後，地基不加處理就可以滿足要求的，稱為天然地基，否則，就叫做人工地基。

二

土既然是散碎顆粒的集合體，顆粒間必然存在著孔隙，而孔隙也必然包含著水或空氣。因此，土是由土顆粒（固相）、水（液相）和空氣（氣相）組成的三相體。

對土的生成貢獻最大的地質作用是風化作用。

2 ．土的組成

（1）土中的固體顆粒。

土中的固體顆粒（簡稱土粒）是土的主要組成部分，是土的骨架。土顆粒的大小、形狀、和礦物成分及組成情況是決定土的物理力學性質的主要因素。

土的礦物成分 ― 組成土中固體顆粒的礦物類型、結構等。瞭解土粒的礦物成分，對認識土性十分重要。

（ 2 ）土中水

（ 3 ）土中氣體。土中氣占據瞭土中未被水占領的孔隙。

自由氣體 ― 與大氣連通、不影響土質，常存在於粗粒土中。

封閉氣體 ― 與大氣隔絕，增加土的彈性，減少土的透水性。

可燃氣體 ― 由微生物的分解作用而形成，常存在於淤泥和泥炭等有機土中。

三、土的物理性質指標

1 ．土粒比重（土粒相對密度） ds

在實驗室內用“比重瓶法”測定。

2 ．土的含水量 ω土中所含水的質量與土粒質量之比，以百分數計，一般用“烘幹法”測定。

3 ．土的密度ρ（又稱天然密度）

一般用“環刀法”測定。

4 ．土的幹密度ρd 、飽和密度ρsat、有效密度ρ’

幹密度是指土單位體積中固體顆粒部分的質量（工程上用作評定土體密實度，控制填土工程的施工質量）。

飽和密度是指土孔隙中充滿水時土體的單位體積質量：

有效密度是指單位土體中土粒的有效質量（在地下水位以下，扣除浮力後單位土體積中土粒的質量） :

5 ．土的孔隙比e和孔隙率 n

6 ．土的飽和度 Sr

四、無黏性土的物理性質

無黏性土主要是指砂土和碎石土，其工程性質與其密實度密切相關。密實度越大，土的強度越大。因此，密實度是反映無黏性土工程性質的主要指標。

五、黏性土的物理性質

黏性土的特性主要是由於黏粒與水之間的相互作用產生，因此含水量是決定因素。黏性土的含水量對其物理狀態和工程性質有重要影響。

六、巖土的工程分類

作為建築地基的巖土，可分為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。

（ 2 ）巖石的軟硬程度應根據巖塊的飽和單軸抗壓強度 frk 分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖。巖石的風化程度可分為未風化、微風化、中風化、強風化和全風化。

（ 3 ）巖體完整程度劃分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎。

（ 4 ）碎石土為粒徑大於 2mm 的顆粒含量超過全重50 ％的土。碎石土可按表 9-4 分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。

（5）碎石土的密實度可 分為松散、稍密、中密、密實。

（ 6 ）砂土為粒徑大於 2mm 的顆粒含量不超過全重 50 ％、粒徑大於0.075mm 的顆粒超過全重 50 ％的土。

（ 13 ）人工填土根據其組成和成因，可分為素填土、壓實填土、雜填土、沖填土。素填土為由碎石土、砂土、粉土、黏性土等組成的填土。經過壓實或夯實的素填土為壓實填土。雜填土為含有建築垃圾、工業廢料、生活垃圾等雜物的填土。沖填土為由水力沖填泥砂形成的填土。

（ 14 ）膨脹土為土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，其自由膨脹率大於或等於 40 ％的黏性土。

七、工程特性指標

（ l ）土的工程特性指標應包括強度指標、壓縮性指標以及靜力觸探探頭阻力，標準貫人試驗錘擊數、載荷試驗承載力等其他特性指標。

（ 2 ）地基土工程特性指標的代表值應分別為標準值、平均值及特征值。抗剪強度指標應取標準值，壓縮性指標應取平均值，載荷試驗承載力應取特征值。

（ 3 ）載荷試驗包括淺層平板載荷試驗和深層平板載荷試驗。淺層平板載荷試驗適用於淺層地基，深層平板載荷試驗適用於深層地基。

（ 5 ）土的壓縮性指標可采用原狀土室內壓縮試驗、原位淺層或深層平板載荷試驗、旁壓試驗確定。

三

地基與基礎設計

常見的地基基礎方案有：天然地基或人工地基上的淺基礎；深基礎；深淺結合的基礎（如樁一筏、樁一箱基礎等）。一般而言，天然地基上的淺基礎便於施工、工期短、造價低，如能滿足地基的強度和變形要求，宜優先選用。

一、地基基礎設計原則

1 ．對地基計算的要求

《 建築地基基礎設計規范 》根據地基復雜程度、建築物規模和功能特征以及由於地基問題可能造成建築物破壞或影響正常使用的程度，將地基基礎設計分為三個設計等級：

根據建築物地基基礎設計等級及長期荷載作用下地基變形對上部結構的影響程度，地基基礎設計應符合下列規定：

（ l ）所有建築物的地基計算均應滿足承載力計算的有關規定；

（ 2 ）設計等級為甲、乙級的建築物，均應按地基變形設計；

（ 5 ）基坑工程應進行穩定性驗算；

（ 6 ）當地下水埋藏較淺，建築地下室或地下構築物存在上浮問題剛，尚應進行抗浮驗算。

2 ．關於荷載取值的規定

地基基礎設計時，所采用的荷載效應最不利組合與相應的抗力限值。

由永久荷載效應控制的基本組合值可取標準組合值的1.35倍。

3．地基設計的基本原則

1 ．上部結構荷載所產生的壓力不大於地基的承載力值；

2 ．房屋和構築物的地基變形值不大於其允許值；

3 ．對經常受水平荷載作用的構築物（如擋土墻）等，不致使其喪失穩定而破壞。

（四）地基變形控制

二、淺基礎

1 ．淺基礎設計內容

2 ．淺基礎的類型

淺基礎根據結構型式可分為擴展基礎、聯合基礎、柱下條形基礎、柱下交叉條形基礎、筏形基礎、箱形基礎和殼體基礎等。根據基礎所用材料的性能可分為無筋基礎（剛性基礎）和鋼筋混凝土基礎。

（ 1 ）擴展基礎。

墻下條形基礎和柱下獨立基礎（單獨基礎）統稱為擴展基礎。擴展基礎的作用是把墻或柱的荷載側向擴展到土中，使之滿足地基承載力和變形的要求。擴展基礎包括無筋擴展基礎和鋼筋混凝土擴展基礎。

l ）無筋擴展基礎。無筋擴展基礎系指由磚、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料組成的無需配置鋼筋的墻下條形基礎或柱下獨立基礎。無筋基礎的材料都具有較好的抗壓性能，但抗拉、抗剪強度都不高，為瞭使基礎內產生的拉應力和剪應力不超過相應的材料強度設計值，設計時需要加大基礎的高度。因此，這種基礎幾乎不發生撓曲變形，故習慣上把無筋基礎稱為剛性基礎。無筋擴展基礎適用於多層民用建築和輕型廠房。

2 ）鋼筋混凝土擴展基礎。鋼筋混凝土擴展基礎常簡稱為擴展基礎，系指墻下鋼筋混凝土條形基礎和柱下鋼筋混凝土獨立基礎。這類基礎的抗彎和抗剪性能良好，可在豎向荷載較大、地基承載力不高以及承受水平力和力矩荷載等情況下使用。與無筋基礎相比，其基礎高度較小，因此更適宜在基礎埋置深度較小時使用。

（ 2 ）聯合基礎。

聯合基礎主要指同列相鄰二柱公共的鋼筋混凝土基礎，即雙柱聯合基礎，但其設計原則，可供其他型式的聯合基礎參考。

（ 3 ）柱下條形基礎。

當地基較為軟弱、柱荷載或地基壓縮性分佈不均勻，以至於采用擴展基礎可能產生較大的不均勻沉降時，常將同一方向（或同一軸線）上若幹柱子的基礎連成一體而形成柱下條形基礎。這種基礎的抗彎剛度較大，因而具有調整不均勻沉降的能力，並能將所承受的集中柱荷載較均勻地分佈到整個基底面積上。柱下條形基礎是常用於軟弱地基上框架或排架結構的一種基礎形式。

（ 4 ）柱下交叉條形基礎。

如果地基軟弱且在兩個方向分佈不均，需要基礎在兩方向有一定的剛度來調整不均勻沉降，則可在柱網下沿縱橫兩向分別設置鋼筋混凝土條形基礎，從而形成柱下交叉條形剪。

（ 5 ）筏形基礎。

當柱下交叉條形基礎底面積占建築物平面面積的比例較大，或者建築物在使用上有要求時，可以在建築物的柱、墻下方做成一塊滿堂的基礎，即筏形（片筏）基礎。筏形基礎由於其底面積大，故可減小基底壓力，同時也可提高地基土的承載力，並能更有效地增強基礎的整體性，調整不均勻沉降。

（ 6 ）箱形基礎。

箱形基礎是由鋼筋混凝土的底板、頂板、外墻和內隔墻組成的有一定高度的整體空間結構，適用於軟弱地基上的高層、重型或對不均勻沉降有嚴格要求的建築物。與筏形基礎相比，箱形基礎具有更大的抗彎剛度，隻能產生大致均勻的沉降或整體傾斜，從而基本上消除瞭因地基變形而使建築物開裂的可能性。箱基埋深較大，基礎中空，從而使開挖卸去的土重部分抵償瞭上部結構傳來的荷載（補償效應），因此，與一般實體基礎相比，它能顯著減小基底壓力、降低基礎沉降量。此外，箱基的抗震性能較好。

（ 7 ）殼體基礎。

為瞭發揮混凝土抗壓性能好的特性，可以將基礎的形式做成殼體。殼體基礎可用作柱基礎和筒形構築物（如煙囪、水塔、料倉、中小型高爐等）的基礎。

3 ．基礎埋置深度的選擇

基礎埋置深度（簡稱埋深）是指基礎底面至天然地面的距離。影響基礎埋深選擇的主要因素可歸納為如下 5 個方面：

（ 1 ）與建築物有關的條件。

確定基礎的埋深時，首先要考慮的是建築物在使用功能和用途方面的要求，例如必須設置地下室、帶有地下設施、屬於半埋式結構物等。

（ 2 ）工程地質條件。

直接支承基礎的土層稱為持力層，其下的各土層稱為下臥層。為瞭滿足建築物對地基承載力和地基變形的要求，基礎應盡可能埋置在良好的持力層上。

（ 3 ）水文地質條件。

有地下水存在時，基礎盡量埋置在地下水位以上。

（ 4 ）地基凍融條件。

《 建築地基基礎設計規范 》(GB50007-2011) 根據凍脹對建築物的危害程度，把地基土的凍脹性分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹和特強凍脹 5 類。

（ 5 ）場地的環境條件。

氣候變化、樹木生長及生物活動會對基礎帶來不利影響，因此，基礎應埋置於地表以下，其埋深不宜小於 0.5m （巖石地基除外）；基礎頂面一般應至少低於設計地面 0 .1m 。

4 ．淺甚礎的地基承載力

地基承載力是地基承受荷載的能力。

（ 1 ）按土的抗剪強度指標確定。

（ 2 ）按地基載荷試驗確定。

載荷試驗包括淺層平板載荷試驗、深層平板試驗及螺旋板載荷試驗。前者適用於淺層地基，後兩者適用於深層地基。

（ 3 ）按規范承載力表確定。

（ 4 ）按建築經驗確定。

5 ．地基變形驗算

7 ．減輕不均勻沉降危害的措施

地基的過量變形將使建築物損壞或影響其使用功能。特別是高壓縮性土、膨脹土、濕陷性黃土以及軟硬不均等不良地基上的建築物，由於總沉降量大，相應的不均勻沉降也較大，因此，如果設計時考慮不周，就更易因不均勻沉降而開裂損壞。

（ 1 ）建築措施：

1 ）建築物的體型應力求簡單；

2 ）控制建築物的長高比，合理佈置墻體；

3 ）設置沉降縫；

4 ）相鄰建築物基礎間保持一定的凈距；

5 ）預抬高。

（ 2 ）結構措施：

1 ）減輕建築物的自重；

2 ）設置圈梁；

3 ）設置基礎梁（地梁）一對采用單獨柱基的框架結構效果好；

4 ）減小或調整基底附加壓力（對非實體基礎，可設（半）地下室，對實體基礎，可調整基底尺寸） ;

5 ）采用對不均勻沉降欠敏感的結構型式（如對油罐等結構物，可設鋼板柔性底板）。

（ 3 ）施工措施：

1 ）遵照先重（高）後輕（低）的施工程序；

2 ）註意堆載、沉樁和降水等對鄰近建築物的影響；

3 ）註意保護坑底士體。

三、樁基礎

一般說來，下列情況可考慮采用樁基礎方案：

（ 1 ）天然地基承載力和變形不能滿足要求的高重建築物；

（ 2 ）天然地基承載力基本滿足要求，但沉降量過大，需利用樁基減少沉降的建築物，如軟土地基上的多層住宅建築，或在使用上、生產上對沉降限制嚴格的建築物；

（ 3 ）重型工業廠房和荷載很大的建築物，如倉庫、料倉等；

（ 4 ）軟弱地基或某些特殊性土上的各類永久性建築物；

（ 5 ）作用有較大水平力和力矩的高聳結構物（如煙囪、水塔等）的基礎，或需以樁承受水平力或上拔力的其他情況；

（ 6 ）需要減弱其振動影響的動力機器基礎，或以樁基作為地震區建築物的抗震措施；

（ 7 ）地基土有可能被水流沖刷的橋梁基礎；

（ 8 ）需穿越水體和軟弱地層的港灣與海洋構築物基礎，如棧橋、碼頭、海上采油平臺及輸油、輸氣管道支架等。

樁基礎可分為低承臺樁基和高承臺樁基兩種。低承臺樁基的承臺底面位於地面以下，而高承臺樁基的承臺底面則高出地面以上。

樁基是由樁、土和承臺共同組成的基礎，設計時應結合地區經驗考慮樁、土、承臺的共同作用。大多數樁基的首要問題是在於控制其沉降量。因此，樁基設計應按變形控制設計。

此外，對於軟土、濕陷性黃土、膨脹土、季節性凍土和巖溶等地區的樁基，應按有關規范的規定考慮特殊性土對樁基的影響，並在樁基設計中采取有效措施。

對於軟土地基上的多層建築，如果鄰近地表的地層具有一定厚度的所謂“硬殼層” , 由於采用淺基礎時的地基變形過大，因而需采用樁基來限制沉降量。在這種情況下，樁是作為減少沉降的措施而設置的，這種當天然地基承載力基本滿足建築物荷載要求而以減少沉降為目的設置的樁，特稱為“減沉樁”。減沉樁的用柱數量是根據沉降控制條件（即允許沉降量）計算確定的。

2 ．樁基礎的類型

（ 1 ）端承型樁和摩

按樁的性狀和豎向受力情況，可分為端承型樁和摩擦型樁兩大類（圖 9 -5 ）。

l ）端承型樁。端承型樁是指樁頂豎向荷載由樁側阻力和樁端阻力共同承受，但樁端阻力分擔荷載較多的樁。

2 ）摩擦型樁。摩擦型樁是指樁頂豎向荷載由樁側阻力和樁端阻力共同承受，但樁側阻力分擔荷載較多的樁。一般摩擦型樁的樁端持力層多為較堅實的勃性土、粉土和砂類土，且樁的長徑比不是很大。

（ 2 ）預制樁和灌註樁。

根據施工方法的不同，可分為預制樁和灌註樁兩大類。

l ）預制樁。根據所用材料的不同，預制樁可分為混凝土預制樁、鋼樁和木樁三類。

預制樁的沉樁方式主要有：錘擊法、振動法和靜壓法等。

①錘擊法沉樁。錘擊法沉樁是用樁錘（或輔以高壓射水）將樁擊人地基中的施工方法，適用於地基土為松散的碎石土（不含大卵石或漂石）、砂土、粉土以及可塑黏性土的情況。錘擊法沉樁伴有噪聲、振動和地層擾動等問題，在城市建設中應考慮其對環境的影響。

② 振動法沉樁。振動法沉樁是采用振動錘進行沉樁的施工方法，適用於可塑狀的黏性土和砂土，對受振動時土的抗剪強度有較大降低的砂土地基和自重不大的鋼樁，沉樁效果更好。

③ 靜壓法沉樁。

2 ）灌註樁。灌註樁是直接在所設計樁位處成孔，然後在孔內加放鋼筋籠（也有省去鋼筋的）再澆灌混凝土而成。灌註樁的橫截面呈圓形，可以做成大直徑和擴底樁，灌註樁可適用於各種類型的地基土。

灌註樁可分為沉管灌註樁、鉆（沖、磨）孔灌註樁、挖孔灌註樁和爆擴灌註樁幾大類。同一類樁還可按施工機械和施工方法以及直徑的不同予以細分。

3 ．單樁豎向承載力的確定

單樁豎向承載力的確定，取決於兩方面：其一，樁身的材料強度；其二，地層的支承力。設計時分別按這兩方面確定後取其中的小值。如按樁的載荷試驗確定，則已兼顧到這兩方面。

靜載荷試驗是評價單樁承載力諸法中可靠性較高的一種方法。

四

軟弱地基

當天然地基不能滿足建築物對地基強度與穩定性和變形的要求時，常采取各種地基加固、補強等類技術措施，改善地基土的工程性狀，以滿足工程要求。這些措施統稱為地基處理。

工程上常需要處理的土類主要有如下幾種：淤泥及淤泥質土、粉質黏土、細粉砂土、砂礫石類土、膨脹土、黃土、紅黏土以及巖溶等。下面將與地基處理有關的幾種土類特性簡要闡述如下：

1 ．淤泥及淤泥質土

簡稱為軟土，大部分是飽和的，含有機質，天然含水量大於液限，孔隙比大於 1 ，抗剪強度低，壓縮性高，滲透性小，具有結構性的土。當天然孔隙比， e≥1 . 5 時，稱為淤泥；1 . 5 ≥e ≥1 時，稱為淤泥質土。

2 ．粉細砂、粉土和粉質土

相對而言，它比淤泥質土的強度要大，壓縮性較小，可以承受一定的靜荷載。但是，在機器振動、波浪和地震等動荷載作用下可能產生液化、震陷，振動速度的增大，使地基失去承載力。所以，這類土的地基處理問題主要是抗震動液化和隔震等。

3 ．砂土、砂礫石等

這類土的強度和變形性能是隨著其密度的大小變化而變化的，一般來說強度較高，壓縮性不大，但透水性較大，所以這類土的地基處理問題主要是抗滲和防滲，防止流土和管湧等。

4 ．其他類土

黃土具有濕陷性，膨脹土具有脹縮性，紅黏土具有特殊的結構性，以及巖溶易出現塌陷等，它們的地基處理方法應針對其特殊的性質進行處理。

因此，地基處理主要目的與內容應包括：① 提高地基土的抗剪強度，以滿足設計對地基承載力和穩定性的要求；② 改善地基的變形性質，防止建築物產生過大的沉降和不均勻沉降以及側向變形等；③ 改善地基的滲透性和滲透穩定，防止滲流過大和滲透破壞等；④ 提高地基土的抗振（震）性能，防止液化，隔振和減小振動波的振幅等；⑤ 消除黃土的濕陷性，膨脹土的脹縮性等。

常用的地基處理方法主要的見表 9-11。表中所列的各種處理方法都有各自的作用原理、適用土類和應用條件。特別要註意，同樣的一種地基處理技術，在不同土類中的作用原理和作用效果往往存在顯著的差別，不可混淆。例如振沖法，在砂土中其主要作用是振動擠密；在飽和黏性土中則為振沖置換組成復合地基；兩者的技術要求不同，設計方法也不同。