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地基与基础

分别指支承建筑物的土层或岩层,以及与地基相接触的建筑物底部结构。凡能直接支承荷重的天然地层称为天然地基。软弱土层经加固后支承荷重则为人工地基。凡砌置深度Df小于宽度B 的基础为浅基础,Df/B大于 5时为深基础。浅基础(图 1)有三种主要类型:独立基础(如柱基),条形基础(如墙基)和筏形基础(如水闸底板),常用的深基础(图2)有墩基和桩基(包括管柱基础)。

分别指支承建筑物的土层或岩层,以及与地基相接触的建筑物底部结构。凡能直接支承荷重的天然地层称为天然地基。软弱土层经加固后支承荷重则为人工地基。凡砌置深度Df小于宽度B 的基础为浅基础,Df/B大于 5时为深基础。浅基础(图 1)有三种主要类型:独立基础(如柱基),条形基础(如墙基)和筏形基础(如水闸底板),常用的深基础(图2)有墩基和桩基(包括管柱基础)。最近还有采用地下连续墙将荷重传递到下卧地层中去。

施加荷重后,地基内将产生应力和应变,应力集中区将发生塑性应变。随着荷重的增加,地基内的塑性区逐渐扩大。当地基上的荷重达到某一极限值时,基础下一大片土层均处于塑性平衡状态,以致形成连续的破裂面,部分基土发生整体或局部滑动。此极限荷重就是地基的极限承载力。此外,由于基土的变形,基础发生沉降。如果建筑物的沉降很大,或者其各部分的差异沉降超过了容许值,就可能引起上部结构剧烈变形,甚至严重倾侧或开裂而影响正常使用。因此,地基设计应该满足两个条件:①基础上的荷重不得超过地基的承载能力,并有足够的安全系数;②建筑物的沉降和差异沉降必须限制在容许值内。水工建筑物地基还应满足抗渗、防冲和抗滑等要求。

图1 浅基础

图2 深基础

设计地基时,一般先根据上部结构传下的荷重假定基础形状、大小和砌置深度,而后分别核算基础各点的沉降量和抵抗整体滑动破坏或相对于极限承载力的安全系数,并逐步修正,直到满足上述要求。对于承受水平荷重的水工建筑物,如闸坝、驳岸和挡墙等,则应考虑其水平荷重而进行稳定验算。对于一般房屋建筑和其他中小型建筑物,地基设计方法可以简化,即利用容许承载力的概念,可以根据土的物理力学性指标或现场标准贯入试验击数,结合土力学基本原则和实际工程经验,确定一种在保证地基稳定条件下,房屋和建筑物的沉降量不超过容许值时的地基承载能力。各国或各地区制订的房屋建筑物的天然地基设计规范中,常有有关各种土层的容许承载力的规定。设计时采用这种地基承载力,就可不必验算基础沉降量(见土的压缩和固结)。

浅基础极限承载力的理论计算,是根据作为刚塑性体的地基土沿着假定滑动面上的极限平衡条件而求解的(图3)。刚塑性体的假定是土在破坏前没有任何变形,破坏后则在常荷重下产生塑性流动。假定滑动面一般由主动区Ⅰ的直线A C,辐射区Ⅱ的曲线C D,以及被动区Ⅲ的直线D E 组成。不考虑土重的影响(γ=0)时,C D 为对数螺线,在粘性土(φ=0)中则为圆弧。按照上法得出近似的极限承载力qf为:

地基与基础

式中 Nc、Nq和Nr为承载力因子。此式是著名的太沙基公式,可用于C≠0,φ≠0、q≠0、γ≠0,和基底面粗糙的情况中,其误差一般偏于安全。为考虑基础形状、荷重倾斜、基底倾斜、地面倾斜、覆盖层强度、以及土的压缩性可能引起局部剪切甚至冲剪的影响,右边三项还需分别乘以校正系数Sc、Sq和Sr

对于深基础,太沙基和佩克(R.B.Peck)提出其总的极限荷重Qf的简化公式为:

Qf=Qp+fAs

图3 浅基础承载力

式中 Qp为基础底面总承载力,其计算方法与浅基承载力的相似;As为基础侧壁总面积,其单位面积上的摩阻力和附着力为f,在粘性土中,f=αc,在砂土中,f=K0γDftgδ(α为粘土抗剪强度c的折减系数,K0为静止侧压力系数,δ为土与基础间的摩阻角)。试验证明,深基础的Qp和f并不无限制地随深度而增大,当深度超过20B时,它们都不再随深度增大而变为常数。

除理论计算外,尚可进行现场静荷载试验,按压力与沉降关系曲线(图4)确定地基承载力。在确定桩的承载力时,此法是最可靠的方法,但也最费钱。决定单桩承载力的方法还有现场触探试验法,经验公式法和动力公式法,其中动力公式法虽然简单,但是缺点较多。近年来由于电子计算机逐渐普及,常用数值法求解打桩问题中的波动方程,以分析打桩应力和桩的承载力,对于难以进行静荷载试验的水中大直径钢管桩等,此法具有很大的实用意义。确定单桩承载力时,还应考虑施工和使用中的一些影响,如地面堆载引起的负摩阻,打桩的振动、挤实,可能使桩周土的原有结构破坏或变得密实等。

图4 压力~沉降曲线

除了打在岩层上的端承桩外,群桩极限承载力Qc一般不等于各单桩极限承载力的总和。Qc的近似计算原理同深基础的Qf。群桩的沉降也比单桩沉降大。桩的间距增大则群桩的沉降减小。当桩距接近六倍桩径时,二者沉降基本相等。群桩的沉降主要决定于桩尖下土层的压缩性,一般可按砌置在桩尖以上三分之一桩长处的平面上的深基础近似地加以计算。

桩基除了支承竖向荷重外,有时还受到水平力和弯矩的作用。例如水闸、码头或挡墙下的桩基。由于桩是细长杆件,其横向承载力远小于其轴向承载力。当桩基承受较大的水平荷重时,通常采用斜桩承受水平分力。