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地基
來源:互聯網

地基(foundation soils),是支撐建筑物的土體或巖體。作為建筑地基的土層分為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。地基的類型可以分為天然地基和人工地基。天然地基是指在自然狀態下即可滿足承擔基礎全部荷載要求的地基,不需要人工加固;人工地基需要通過人工處理來滿足承載力要求,常見有石屑墊層、砂墊層、混合灰土回填再夯實等,人工地基也包括復合地基。

中國古代建筑的地基技術從原始社會人們就懂得夯實土層可以增加土的承載力,能夠提高建筑物的穩定性,發明了夯土地基,而后又創造了強度更高,耐水防潮性能優越的灰土地基、磚渣地基。原始社會時期就有木樁基礎夏朝采用了“柱礎”,增強立柱的穩定性,并減輕土中的水分對木柱根部的侵蝕。商代出現了在柱與礎之間加放銅質墊片的構造做法,有效避免了木柱埋地而腐朽。戰國時期發明了“相土”“驗土”等科學方法。宋代創造性地應用了“筏形地基”技術。

在地基設計和施工中,需要考慮地基變形、承載力、地基加固、地基沉降、風險評估等重要因素,并確保基礎底面的單位面積壓力小于地基的容許承載力,建筑物的沉降值小于容許變形值,地基無滑動的危險。進行地基設計時,需要對地基土層的剪切強度、壓縮性和抗液化能力進行評估,并考慮地基土層的類型、深度、厚度以及地下水位等因素。在施工過程中,需要對地基進行處理和加固,以確保建筑物的安全。

地基基礎應具備將上部結構荷載傳遞給地基的承載力和剛度,且地基的沉降量需控制在一定范圍內,其次不同部位的地基沉降差不能太大。在建筑與市政工程施工與建(構)筑物正常使用期間,地基不得出現失穩;地基基礎沉降變形不得影響建筑結構功能和正常使用;地基基礎應滿足建(構)筑物正常使用期間的耐久性要求;基坑工程應保證周邊建(構)筑物、地下管線、道路、城市軌道交通等市政設施的安全和正常使用,保證主體地下結構的施工空間和安全;邊坡工程應保證邊坡穩定性及周邊建(構)筑物、地下管線、道路等市政設施的安全和正常使用等功能要求。

地基歷史

中國古代建筑的地基技術從原始社會人們就懂得夯實土層可以增加土的承載力,能夠提高建筑物的穩定性,發明了夯土地基,而后又創造了強度更高,耐水防潮性能優越的灰土地基、磚渣地基。原始社會時期就有木樁基礎夏朝采用了“柱礎”,增強立柱的穩定性,并減輕土中的水分對木柱根部的侵蝕。商代出現了在柱與礎之間加放銅質墊片的構造做法,有效避免了木柱埋地而腐朽。戰國時期發明了“相土”“驗土”等科學方法。宋代創造性地應用了“筏形地基”技術。

地基工程在20世紀50~60年代邁出了重要的一步,隨后進入了繼承發展的階段。在學習和繼承蘇聯階段的地基處理技術時,主要采用淺層處理法,如砂石墊層、砂樁擠密、灰土樁等,應用于工業和民用建筑。

在地震頻發的日本,地基技術也得到了特別的發展。日本工程師和建筑師通過創新設計和材料應用,發展了先進的地基技術,以提高建筑物的抗震能力,這些技術在國際上也得到了廣泛的認可和應用。

基地定義

地基要求

地基種類

天然地基

天然地基是指不需要對地基進行處理就可以直接放置基礎的天然土層。其子分類包括巖石、碎石土、砂土、粘性土。地基的特點包括不需要人工處理、節約工程造價、直接放置基礎的土層。適用場景是在土層地質狀況較好、承載力較強的情況下。

人工地基

人工地基是經過人工處理或改良的地基。當土層的地質狀況較好、承載力較強時可以采用天然地基;而在地質狀況不佳的條件下,如坡地、沙地或淤泥地質,或雖然土層質地較好,但上部荷載過大時,為使地基具有足夠的承載能力,則要采用人工加固地基,即人工地基。其特點包括經過人工處理或改良、適用于地質狀況不佳或上部荷載過大的情況。適用場景是在地質狀況不佳的條件下,或土層承載能力不足的情況。

設計與施工

地基加固處理方法

地基加固處理方法常見的包括換填、夯實、擠密、排水、膠結、加筋和熱處理等,針對軟弱地基采取相應的加固處理。這些方法的作用原理在于通過改善土體工程特性來增加地基的承載能力和穩定性。

地基變形監測與環境保護

變形監測

地基變形監測可分為垂直(方向)沉降測量、水平(方向)位移測量、建筑物相鄰影響及場地沉降測量。此外還有滑坡測量、裂縫觀測、抗壓觀測、日照變形觀測及風振觀測等。地基變形監測的主要內容包括沉降觀測、傾斜觀測、位移觀測、裂縫觀測和撓度觀測等。在地基變形監測中,進行最多的是沉降觀測和水平位移觀測。地基變形監測的任務是周期性地對設置在地基上的觀測點進行重復觀測,求得觀測點位置的變化量。地基變形監測能否達到預定的目的要受很多因素的影響,其中最基本的因素是變形測量點的布設、變形觀測的精度與頻率。

按測定沉降或位移的要求,選定變形測量點。變形測基點分為基準點、工作基點和變形觀測點,其布設應符合下列要求:①每個工程至少應有三個穩固可靠的點作為基準點;②工作基點應選在比較穩定的位置。對通視條件較好或觀測項目較少的工程,可不設工作基點,在基準點上直接測定變形觀測點;③變形觀測點應設立在變形體上能反映變形特征的位置。變形監測的精度要求,取決于某建筑物預計的允許變形值的大小和進行觀測的目的,必須滿足《工程測量規范》的要求。若為建筑物的安全監測,其觀測中誤差應小于允許變形值的1/10~1/20;若是為了研究建筑物的變形過程和規律,則其中誤差應比這個數值小得多,即精度要求要高得多。通常以當時能達到的最高精度作為標準來進行觀測。

環境保護

生態環境保護

在選擇巖土工程施工方式和材料時, 施工單位應盡量減少對周圍自然環境的破壞和影響。在土方開挖過程中,施工單位應采取可持續的土壤回填和復綠措施,以恢復植被和生態系統。此外,通過合理的水土保持措施、防塵和噪音控制等,減輕施工活動對空氣質量和生物多樣性的不良影響。

資源有效利用

施工單位應積極采用資源有效利用的方法,這包括:優化設計,減少土方開挖量;采用再生材料和節能設備,降低對原材料和能源的消耗;推廣循環經濟理念,促進廢棄物的資源化利用和減少排放等。通過這些手段,施工單位可以降低工程對自然資源的依賴,減少環境負荷。

環境監測與管理

施工單位需要建立科學有效的環境監測與管理機制,及時掌握施工過程中的環境影響情況。通過監測土壤、水體和空氣等環境指標的變化,及時發現潛在的環境風險并采取措施應對。同時,建立健全的環境管理體系,明確責任與義務,并進行定期評估和審查,確保工程符合環境保 護要求。

樁基礎設計與施工

在軟土地基和高荷載建筑物的樁基礎設計中,關鍵要點包括樁的類型、直徑、長度和承載力要求的確定,以及根據地質勘察和工程要求確定樁基礎的布置方案。施工技術方面,需注意打樁方法、制作安裝、樁頂水平度和垂直度的控制,以確保樁的質量和位置準確。

地基處理

地基處理的對象是軟弱地基和特殊土地基。軟弱地基是指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其它高壓縮性土層構成的地基;特殊土地基包括軟土、濕陷性黃土、膨脹土、紅粘土和凍土等地基。地基處理有兩種類型:第一種是對天然的地基土體進行土質改良,可以采用原位壓實法、強夯法、預壓法等多種方法;第二種是形成復合地基,主要由天然地基與復合材料共同組成,復合材料可以插入天然地基土體形成增強體。

地基加固處理方法

地基加固的原理可采取不同的加固方法,這些加固方法可歸納為挖、填、換、夯、壓、擠、拌七個字,也就是基本的其中地基加固法。

改善方法

上述是基本的改善措施,如果要有堅固的地基就必須根據實際情況來選擇合適的處理方法,以下幾種地基的處理方法是比較實用的。

淺基礎

通常把埋置深度不大,只需經過挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起來的基礎稱為淺基礎。它可擴大建筑物與地基的接觸面積,使上部荷載擴散。淺基礎主要有:①獨立基礎(如大部分柱基);②條形基礎(如墻基);③筏形基礎(如水閘底板)。當淺層土質不良,需把基礎埋置于深處的較好地層時,就要建造各種類型的深基礎,如樁基礎、墩基礎、沉井或沉箱基礎、地下連續墻等。它將上部荷載傳遞到周圍地層或下面較堅硬地層上。

樁基礎

一種古老的地基處理方式。中國隋朝的鄭州超化寺塔和五代十國的杭州灣海堤工程都采用樁基。按施工方法不同,樁可分為預制樁和灌注樁。預制樁是將事先在工廠或施工現場制成的樁,用不同沉樁方法沉入地基;灌注樁是直接在設計樁位開孔,然后在孔內澆灌混凝土而成。

地下連續墻

地下連續墻是指基坑工程未進行開挖之前,在地表使用挖槽機械,沿基坑周邊開挖成槽,預先為基坑工程修建的一道作為支擋圍護結構的地下連續混凝土墻壁,簡稱地連墻。地下連續墻不僅可以作為基坑工程的支擋圍護結構起到承重、擋土、截水、防滲的作用,也可以成為地下工程的外墻或內墻作為主體結構永久使用,還能作為基礎工程成為地上工程的剛性基礎承受荷載。

人工地基加固

振沖法

利用振沖器的強力振動和高壓水沖加固土體的方法叫振沖法,該法是應用較普遍和有效的地基處理方法,適用于各類可液化土的加密和抗液化處理,以及碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土、濕陷性土等地基的加固處理。采用振沖法地基處理技術,可以達到提高地基承載力、減小建(構)筑物地基沉降量、提高土石壩(堤)體及地基的穩定性、消除地基液化的目的。

深層攪拌法

深層攪拌法是一種地基處理技術,它通過在地基土中注入水泥漿液,與土體發生化學反應,形成水泥加固土,從而提高地基的承載能力和穩定性。這種方法適用于處理軟土、淤泥質土、粉土等不良地基土,處理深度可達8~12m。

墊層

原理與技術: 在地基表面鋪設一層較硬的材料(如礫石、碎石混凝土等),用以分散荷載、減少沉降。應用范圍: 適用于軟弱地基、需要分散荷載和減少沉降的情況。效果: 分散荷載、減少地基沉降,提高地基的穩定性。

換土法

原理與技術: 將原有地基土體挖除,重新填充更加適宜的土質,以改善地基的性質和提高承載能力。應用范圍: 適用于地基土質不良、需要改善土體性質和提高承載能力的情況。效果: 改善地基土體性質、提高承載能力,增加地基的穩定性。

加固法

原理與技術: 使用加固材料(如鋼筋混凝土、聚合物材料等)對地基進行加固,以提高地基的強度和穩定性。應用范圍: 適用于需要增加地基強度和穩定性的情況。效果: 增加地基的承載能力和穩定性,延長地基的使用壽命。

樁基

原理與技術: 在地基中打入樁基(如鋼筋混凝土樁、鋼樁等),通過樁基的承載力傳遞荷載至深層土體,提高地基的承載能力。應用范圍: 適用于需要加固深層土體、提高地基承載能力的情況。效果: 提高地基的承載能力、抗側移性能和穩定性。

地基承載力

基本值

地基承載力基本值,是指按有關規范(鐵路、公路行業規范常見)規定的一定的基礎寬度和埋置深度條件下的地基承載能力,通常是根據室內試驗及其它原位測試綜合確定,也可以根據室內試驗測定的地基土的某些物理力學性能指標來查取承載力表來確定。《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)也曾使用過地基承載力基本值這個概念。

標準值與設計值

地基承載力標準值與地基承載力設計值都是按概率極限狀態原則設計提出的,標準值是指按有關規范規定的標準方法試驗并經統計處理后的承載力值, 設計值等于標準值除以分項系數,按照概率極限 狀態設計的原理,抗力分項系數是大于1的,因此設計值必然小于標準值。

特征值

地基承載力特征值是《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2002)提出的,指由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內規定的變形所對應的壓力值,其最大值為比例界限值 ,但是規范中又提出地基承載力特征值可由其他原位測試、公式計算、并結合經驗值等方法確定,按其基本屬性仍然是強度條件下的地基承載力,因此這種承載力并不一定滿足建筑地基的容許變形值,還要根據建筑地基基礎設計等級及與地基容許變形值配合使用。

承載力

地基容許承載力,是指作用在基底的壓應力不超過地基的極限承載力,并且有足夠的安全度,而所引起的變形又不超過建筑物的容許變形,同時滿足強度和變形要求的地基單位面積上所能承受的荷載就定義為地基容許承載力,取極限荷載除以安全系數(一般為2)得到地基容許承載力。

地基極限承載力,是指使地基土發生剪切破壞而即將失去整體穩定性時相應的最小基礎底面壓力,一般是在鋼塑體假定的基礎上考慮鋼塑體的極限平衡條件得到的半理論半經驗公式,或是從原位的載荷試驗得到。

中國地基承載力

中國地基承載力評價方法經歷了從純理論到理論和經驗相結合的過程。在 “57規范”中,地基承載力根據臨界荷載的理論公式計算;在“74規范”中,一是根據工程經驗對臨界荷載理論公式中的系數進行了調整,二是引入了地基承載力經驗值表格和修正公式,從而奠定了理論和經驗相結合的地基承載力評價方法體系;“89規范” 及后續規范則延承“74規范”的方法體系,結合工程經驗對細節進行持續改進,最終形成了目前廣泛使用的地基承載力評價方法。

用經驗表格和寬深修正相結合的地基承載力評價方法,即首先按照具體土質類型(如碎石土、砂土、黏性土等)查經驗表格獲取地基承載力特征值,然后考慮基礎埋深和寬度對地基承載力特征值進行修正,修正公式如下:;式中,為修正后的地基承載力特征值;為修正前的地基承載力特征值,對于非軟土,可通過查規范經驗表格獲取,對于軟土,應由載荷試驗或其他原位測試取得;為基礎底面最小寬度,當時,取,當時,取;為地基埋置深度,從自然地面起算,有水流沖刷時一般自沖刷線起算,當時,取,當時,取;、為基地寬度和深度修正系數,可從規范中查表獲取。

國外地基承載力

北美地區規范

北美地區規范主要包括美國和加拿大2個國家的規范。美國規范層級眾多,且沒有統一的地基基礎設計國家標準。

美國陸軍工程兵部隊編制的EM 1110-1-1905《Engineering and designbearing capacity of soils 》 和加拿大基礎工程設計手冊《Canadian foundation engineering manual:4th edition》規范中,地基承載力的評價方法也可以分為理論計算法和原位測試法。

理論計算法

美國加拿大規范均根據地基極限承載力確定地基承載能力,其中美國規范的地基極限承載力計算公式為:式中,Rn是地基極限承載力;qs為基底壓力;為考慮基礎形狀、持力層黏聚力、持力層重度和荷載影響的修正系數,可根據經驗公式計算獲得;為承載力系數,可直接選用TERZAGHI、MYERHOFF、HANSEN或VESIC公式的承載力系數值。

加拿大規范采用下式計算地基的極限承載力:該式與美國規范的地基極限承載力計算公式非常類似,兩者的區別在于修正系數和承載力系數的取值不同。加拿大規范中,為考慮基礎形狀、埋深、基底傾斜度、荷載傾斜度以及地面坡度影響的修正系數。 一方面,以上修正系數所考慮的影響因素與美國規范不同,另一方面,修正系數的計算公式不同。為承載力系數,其中和根據MYERHOFF公式的承載力系數取值,則根據BOOKER公式的承載力系數取值,取值所依據的公式也與美國規范不同。

原位測試法

加拿大規范指出可通過靜力觸探試驗有效評價地基承載力,并根據土質類型給出了不同的經驗修正公式。當地基土為粗粒土時,經驗修正公式為:;式中,為地基極限承載力;為經驗系數,取決于 土體密度和基礎形狀,其取值為0.16~0.3,在工程中絕大多數情況可取0.16;為基底下方深度b處的平均錐頭阻力。當地基土為細粒土和不排水條件時,其經驗修正公式為:;式中,為經驗系數,其取值為0.3~0.6,工程中絕大多數情況可保守取為0.3。

歐洲地區規范

歐洲地區普遍采用統一的巖土設計規范,即 《Eurocode 7: Geotechnical design. Part 1: General rules EN1997-1》。該規范同樣使用理論計算法和原位測試法2種方法來確定地基承載力。

理論計算法

歐洲規范為適應不同工況,按照地基排水條件給出了不同的地基承載力理論公式。在地基不排水情況下,地基承載力為:式中,為基礎有效面積,為地基土的不排水抗剪強度,為與基底傾斜度有關的系數,為與基礎形狀有關的系數,為與荷載傾斜有關的系數,為上覆土壓力。在地基排水條件下,地基承載力為:式中,為地基土的有效黏聚力,為上覆有效土壓 力,為基礎有效寬度;為地基承載力系 數;為與基底傾斜度有關的系數; 為與基礎形狀有關的系數;為與荷載傾斜有 關的系數;以上各系數可通過規范給出的公式計算。

原位測試法

歐洲規范還介紹了使用旁壓試驗評價地基承載 力的方法,如下所示: ;式中為有效基底面積;為初始豎向應力;為等效的極限凈壓力設計值,為測得的極限荷載,為靜止水平土壓力;為有效上覆土壓力,為孔隙水壓力,為靜止土壓力系數;為與土質類型、基礎埋深和形狀有關的承載力系數,取值為0.8~3.0。

通過上述理論計算法和原位測試法獲得地基承載力后,根據下式進行地基承載力驗算:;式中:為基礎所受豎向荷載設計值,包括基礎重量、基礎上覆土壓力及由非基礎荷載引起的水壓力。先將地基土黏聚力和內摩擦角用指定的分項系數進行修正,再使用修正后的黏聚力和內摩擦角計算地基極限承載力,用于最終地基基礎設計驗算中。

參考資料 >

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日本建筑為何如此抗震?.第一財經.2024-02-23

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樁基礎技術概論.東南巖土.2024-04-22

什么是地下連續墻?如何施工有何要點?一篇就懂.東南巖土.2024-04-22

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