基础工程 长安大学

主要内容 第一章、前言 第二章、天然地基上的浅基础 第三章、桩基础 第四章、桩基础的设计计算 第五章、沉井基础及地下连续墙 第六章、地基处理 第七章、几种特殊地基上的基础工程

第一章、前言 学科概况 基础工程学科的发展概况 基础工程设计和施工所需的资料 基础工程设计计算应注意的事项 基础工程的发展方向

土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指工程建设的对象，即建造在地下、地下或水中的各种工程设施；也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动。 土木工程科学技术的发展有着悠久的历史，它是伴随着人类社会的进步而发展起来的，人类建造的工程设施反映出各个历史时期社会、经济、文化、科学、技术发展的面貌。 基础设施建设中的各类工程结构物，如房屋、隧道与地下工程、铁路、公路和机场以及各项市政与交通运输工程等，都需要土木工程学科的理论及其工程实践方面的研究成果。 一、学科概况

土木工程学科属于工学门类，在整个科学技术领域中占有非常重要的地位，它是人类生存、社会进步、经济发展所依赖的主要学科之一。随着科学技术的进步和工程实践的发展，土木工程这个学科也已发展成为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系。土木工程学科的发展需要借助于基础科学、材料科学、管理科学和电子信息技术等研究成果。同时，土木工程学科的发展需要借助于基础科学、材料科学、管理科学和电子信息技术等研究成果。同时，土木工程学科的发展也促进了其它相关学科以及高新技术的发展。

土木工程学科有如下二级学科： （1）岩土工程 （2）结构工程 （3）市政工程 （4）供热、供燃气、通风及空调工程 （6）桥梁与隧道工程 （5）防灾减灾工程及防护工程

基础工程的基本概念 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。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。桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础 。 基础工程包括建筑物的地基与基础的设计与施工。

1-下部结构；2-基础；3-地基；4-桥台；5-桥墩；6-上部结构 图1-1 桥梁结构各部分立面示意图 1-下部结构；2-基础；3-地基；4-桥台；5-桥墩；6-上部结构

地基：承受建筑物荷载应力与应变不能忽略的土层。（有一定深度和范围） 基础：埋入土层一定深度并将荷载传给地基的建筑物下部结构。 持力层 ：直接支撑建筑物基础的土层。 下卧层(软弱) ：持力层下部的土层。

结构荷载 基底压力

天然地基：没有经过人为处理，直接修建。 地基 人工地基：承载力低，高压缩性地基，人工处 理后才能修建。 刚性扩大基础 单独和联合基础 条形基础 筏板和箱形基础 桩基础 沉井基础 浅基础 基础 深基础

上部结构、基础、地基间的关系： 上部结构（荷载）、基础（压力）、地基（ 应力、变形 ），三者间相互制约协同工作。 设计方法：简化设计 将三部分相对独立分开，按静力平衡原则，采用不同的简化假定进行分析计算.

地基基础在工程中的重要性 隐蔽工程，处理困难，事故危害大； 工程造价高，占20-25%； 特点 设计上应做方案比较。 比萨斜塔、虎丘塔（地基不均匀沉降）； 加特朗斯康谷仓、巴桩基大厦（地基破坏）； 上海锦江饭店整体下沉、香港宝成大厦失稳。 特点 实例

软弱地基 整体破坏 地基土承载力低，产生强度破坏

地基不均匀沉降， 建筑倾斜 基岩 不均匀 软土层

均质软弱地基整体下沉

案例一：比萨斜塔 世界著名的比萨斜塔于1173年动工，1370年竣工，塔身高约55m，建成后因地基压缩层产生不均匀沉降，使塔的北侧下沉近1m，南侧下沉近3m，塔身倾斜约5.5°，塔顶离开铅垂线的距离已达5.27m，是我国虎丘塔的倾斜值的2.3倍。幸亏该塔使用的大理石材质优良，在塔身严重倾斜的情况下尚未出现裂缝。比萨斜塔建成后曾经数次加固，但效果甚微，每年仍下沉约1mm，倾斜尚未有加速迹象，已成为一座名副其实的危塔。

案例一：比萨斜塔

案例二：加拿大特朗斯康谷仓 加拿大的特朗斯康谷仓建于1913年，谷仓的平面为矩形，长59.44m,宽23.47m，高度为31m，由65个圆柱形筒仓组成，采用钢筋混凝土阀板基础。设计时对地基未作勘察，不了解基底下有厚达15m左右的软粘土层，仅根据对临近建筑的调查判定地基承载力。建成后于当年9月开始均匀地向谷仓内装载谷物，至10月发现谷仓产生大量快速沉降，1小时内的垂直沉降量竟达到30.5cm，在其后的24小时内谷仓倾倒，倾倒后谷仓的西侧下沉达7.32m，东侧则抬高了1.53m，整体倾斜达尽27度。因谷仓整体性很强，筒仓本身完好无损。

案例二：加拿大特朗斯康谷仓

案例三：墨西哥城某建筑

案例四：日本新泻地震

二、基础工程学科的发展概况 国外在18世纪产业革命以后，城建、水利、道路建筑规模的扩大促使人们对基础工程的重视与研究，对有关问题开始寻求理论上的解答。此阶段在作为本学科的理论基础的土力学方面，如土压力理论、土的渗透理论等有局部的突破，基础工程也随着工业技术的发展而得到新的发展，如19世纪中叶利用气压沉箱法修建深水基础。本世纪20年代，基础工程有比较系统、比较完整的专著问世，1936年召开第一届国际土力学与基础工程会议后，土力学与基础工程作为一门独立的学科取得不断的发展。上世纪50年代起，现代科学新成就的渗入，使基础工程技术与理论得到更进一步的发展与充实，成为一门较成熟的独立的现代学科。

我国是一个具有悠久历史的文明古国，我国古代劳动人民在基础工程方面，也早就表现出高超的技艺和创造才能，许多宏伟壮丽的中国古代建筑逾千百年仍留存至今安然无恙的事实就充分说明了这一点。例如，远在1300多年前隋朝时所修建的赵州安济石拱桥，不仅在建筑结构上有独特的技艺，而且在地基基础的处理上也非常合理，该桥桥台座落在较浅的密实粗砂土层上，沉降很小，现反算其基底压力约为500kPa～600kPa，与现行的各设计规范中所采用的该土层容许承载力的数值（550kPa）极为接近。在当时就能如此充分利用天然地基的承载力，真令人赞叹不已。在桩基础和地基加固方面，我国自古已有广泛运用，具有悠久的历史。

中国古代案例－：赵州桥

中国古代案例二：河姆渡木桩

中国古代案例三：上海龙华古塔 位于上海市龙华公园南侧，直径8.0m，7层，高40.40m.该塔建于北宋（公元997年），距今已有1000多年历史。塔基使用了大量的木桩，值得称道的是建塔者用三合土对木桩进行了很好的隔离防腐处理，木桩因之保存千年而不腐，使龙华古塔至今风光依然。

圣母殿

中国古代案例四：苏州虎丘塔

三、基础工程设计和施工所需的资料 桥梁的地基与基础在设计及施工开始之前，除了应掌握有关全桥的资料，包括上部结构形式、跨径、荷载、墩台结构等及国家颁发的桥梁设计和施工技术规范外，还应注意地质、水文资料的搜集和分析，重视土质和建筑材料的调查与试验。主要应掌握各项地质、水文、地形等资料，资料内容范围可根据桥梁工程规模、重要性及建桥地点工程地质、水文条件的具体情况和设计阶段确定取舍。

基础工程设计和施工所需的资料： 桥位（包括桥头引道）平面图及拟建上部结构及墩台形式、总体构造及有关设计资料 桥位工程地质勘测报告及桥位地质纵剖面图 地基土质调查试验报告 河流水文调查资料

四、基础工程设计计算应注意的事项 （一）基础工程设计计算的原则 1．基础底面的压力小于地基的容许承载力； 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．基础本身的强度满足要求。

地基与基础方案的确定主要取决于地基土层的工程性质与水文地质条件、荷载特性、上部结构的结构形式及使用要求，以及材料的供应和施工技术等因素，方案选择的原则是：力求使用上安全可靠、施工技术上简便可行和经济上合理。因此，必要时应作不同方案的比较，从中选出较为适宜与合理的设计方案和施工方案。

（二）考虑地基、基础、墩台及上部结构整体作用 建筑物是一个整体，地基、基础、墩台和上部结构是共同工作且相互影响的，地基的任何变形都必定引起基础、墩台和上部结构的变形；不同类型的基础会影响上部结构的受力和工作；上部结构的力学特征也必然对基础的类型与地基的强度、变形和稳定条件提出相应的要求，同时恰当的上部结构、墩台结构型式也具有调整地基基础受力条件，改善位移情况的能力。因此，基础工程应紧密结合上部结构、墩台特性和要求进行；上部结构的设计也应充分考虑地基的特点，把整个结构物作为一个整体，考虑其整体作用和各个组成部分的共同作用。

(三)基础工程极限状态设计 应用可靠度理论进行工程结构设计是当前国际上一种共同发展的趋势，是工程结构设计领域一次带有根本性的变革。可靠性分析设计又称概率极限状态设计。 可靠性含义就是指系统在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率。系统不能完成预定功能的概率即是失效概率。这种以统计分析确定的失效概率来度量系统可靠性的方法即为概率极限状态设计方法。

结构设计的极限状态一般分为承载力极限状态和正常使用极限状态，承载力极限状态指结构失稳或强度不足，正常使用极限状态指结构变形或局部损坏使其不能满足正常使用和耐久性的情况。 地基基础设计中的承载力极限状态不仅包含了地基整体失稳所引起的极限状态，也包含了由于地基土的变形或局部破坏使上部结构发生严重破坏的情况，即地基土的变形也可能是上部结构发生承载力极限状态的原因之一。

地基可靠性分析的特点 由于地基土是在漫长的地质年代中形成的，是大自然的产物，其性质十分复杂，不仅不同地点的土性可以差别很大，即使同一地点，同一土层的土，其性质也随位置发生变化。所以地基土具有比任何人工材料大得多的变异性，它的复杂性质不仅难以人为控制，而且要清楚地认识它也很不容易。在进行地基可靠性研究的过程中，取样、代表性样品选择、试验、成果整理分析等各个环节都有可能带来一系列的不确定性，增加测试数据的变异性，从而影响到最终分析结果。地基土因位置不同引起的固有可变性，样品测值与真实土性值之间的差异性，以及有限数量所造成误差等，就构成了地基土材料特性变异的主要来源。这种变异性比一般人工材料的变异性大。

基础工程极限状态设计与结构极限状态设计相比还具有物理和几何方面的特点 ： 地基是一个半无限体，与板梁柱组成的结构体系完全不同。在结构工程中，可靠性研究的第一步先解决单构件的可靠度问题，目前列入规范的亦仅仅是这一步，至于结构体系的系统可靠度分析还处在研究阶段，还没有成熟到可以用于设计标准的程度。地基设计与结构设计不同的地方在于无论是地基稳定和强度问题或者是变形问题，求解的都是整个地基的综合响应。地基的可靠性研究无法区分构件与体系，从一开始就必须考虑半无限体的连续介质，或至少是一个大范围连续体。显然，这样的验算不论是从计算模型还是涉及的参数方面都比单构件的可靠性分析复杂的多。

在结构设计时，所验算的截面尺寸与材料试样尺寸之比并不很大。但在地基问题中却不然，地基受力影响范围的体积与土样体积之比非常大。这就引起了两方面的问题，一是小尺寸的试件如何代表实际工程的性状，二是由于地基的范围大，决定地基性状的因素不仅是一点土的特性，而是取决于一定空间范围内平均土层特性，这是结构工程与基础工程在可靠度分析方面的最基本的区别所在。

结论： 我国基础工程可靠度研究始于20世纪80年代初，虽然起步较晚，但发展很快，研究涉及的课题范围较广，有些课题的研究成果，已达国际先进水平。但由于研究对象的复杂性，基础工程的可靠度研究落后于上部结构可靠度的研究，而且要将基础工程可靠度研究成果纳入设计规范，进入实用阶段，还需要做大量的工作。国外有些国家已建立了地基按半经验半概率的分项系数极限状态标准。在我国，随着结构设计使用了极限状态设计方法，在地基设计中采用极限状态设计工作也已提到议事日程上了。

基础工程的发展方向 （一）开展地基的强度、变形特性的基本理论研究 由于天然地基中土层较复杂，具有明显的非线性和各向异性，粘性土更具有回滞性及时间效应，因此，地基土的强度、变形的基本理论及计算方法的研究，应结合岩土力学的新成果、现代计算方法和计算工具的发展而提高。同时要加强地基土的试验研究，尤其是原位测试的研究。考虑土的不均匀性，采用数理统计的分析方法，具有较大的实用价值。 我国土地辽阔，幅员广大，地基土的种类繁多，性质相差悬殊，很多土具有区域性特性，因此，应加强对软土、黄土、膨胀土和多年冻土等区域性特殊土的基本理论、特性和处理措施的研究。

（二）进一步开展各类基础型式设计理论和施工方法的研究 桩基础是我国采用较多的深基础型式，其结构轻巧且形式多样，便于因地制宜，适应性较强，也便于机械化施工。因此，应大力发展桩基础技术，进一步发展各种桩基础结构型式、通过试验和理论研究进一步明确各种条件下荷载传递机理，桩土共同作用关系，桩基础沉降计算，完善桩基础的设计计算理论。 基础施工方面，应加强施工机械化、自动化及各种新技术应用于施工工艺的研究，以提高施工效率、缩减工期和改善劳动条件；为保证工程质量应进行隐蔽工程质量检查的可靠简便方法的研究。

由于电子计算机的发展与运用，可研究应用最优化方法来设计基础，求得在技术上先进可行，经济上合理，施工方便的设计方案。 结构抗震理论当前正在不断发展，对建筑物抗震性能至关重要的地基基础抗震理论现在还不太成熟，落后于建设的需要。应进一步运用现代化计算工具和测试手段开展各类基础和地基土的动力分析的理论和科学试验。