基础的设计原理

基础的设计原理地基、基础与荷载的关系建筑物的全部荷载是通过基础传给地基的。

地基承受荷载的能力有一定的限度，地基每平方米所能承受的最大压力，称为地基允许承载力（也称为地耐力）。

当基础传递给地基的荷载超过地基允许承载力时，地基将出现较大的沉降变形，甚至失去稳定而破坏。

地基一旦发生强度破坏，有时是灾难性的，因此，为保证建筑物的安全和正常使用，地基应有足够的强度和安全度。

如果地基发生过量的变形，将导致建筑物倾斜、墙体开裂，甚至造成建筑物的破坏，因而地基变形应控制在允许范围内。

因此，为了保证房屋的稳定和安全，基础底面的平均压力不得超过地基承载力。

地基承受的荷载，是由上部结构传至基础顶面的竖向荷载、基础自重及基础上部埋土重量组成。

当荷载一定时，加大基础底面积可以减少单位面积地基上所受到的压力。

当地基承载力不变时，建筑总荷载越大，基础底面积也要求越大；当建筑总荷载不变时，地基承载力越小，基础底面积也将越大。

基础的埋置深度基础埋置深度是指室外设计地面至基础底面的距离。

基础埋置深度的大小，直接影响着建筑物的工程造价、施工工期和施工技术措施，因此在满足强度和变形要求的前提下，基础应尽量浅埋。

但基础埋置深度太浅，将影响建筑物的稳定性，所以基础埋置深度一般不小于500mm，高层建筑基础埋置深度，一般为建筑高度的1/10-1/12。

为防止自然因素或人为因素造成基础损伤，影响建筑的安全，基础顶面应低于室外设计地面100mm。

根据基础埋置深度的不同，基础一般可分为浅基础和深基础：基础埋置深度为500-5000mm时，称为浅基础；超过5000mm时称为深基础。

决定基础埋置深度的因素很多，如地基土质好坏、地下水位高低、土层的冻结深度以及相邻建筑物的基础埋深等。

设计时应综合考虑，合理的确定基础埋置深度。

工程地质情况——基础必须建造在坚实可靠的地基土层上，不得设置在耕植土、淤泥等软弱土层上。

从附加应力原理也可以知道，适当增加基础的埋置深度，也可以有效降低附加应力的大小，提高地基对于基础的承载能力。

如果地基直接坐落在承载力高的土层土，且土质分布均匀，基础宜浅埋，但埋置深度不得低于500mm。

若地基的上部土层为软弱土层，应适当加深基础埋置深度，越过软弱土层或减小附加应力。

但当软弱土层较厚，一般深达2000mm-5000mm时，加深基础埋置深度不经济，可改用人工地基或采取其他结构措施，此时最好的办法是采用桩基础，越过该土层，直接将荷载传递只下部良好土层。

水文地质情况——地下水位的高低、随季节的升降直接影响着地基承载力。

如粘性土遇水后，因土中含水量增加、体积膨胀，土的承载力下降。

而含有侵蚀性物质的地下水，对基础会产生腐蚀。

故建筑物的基础应尽可能埋置在地下水位以上。

如必须埋置在地下水位以下时，应将基础底面埋置在最低地下水位200mm以下，避免基础底面处于地下水位变化的范围之内，这样可以获得比较稳定的水文环境，有利于基础于地基在稳定的状态下工作。

当地下水含有腐蚀性物质时，基础应采取防腐蚀措施。

地基土的冻结深度——地面以下的冻结土层与非冻结土层的分界线称为冰冻线或称冻结深度。

一年内冻结和解冻交替出现的土层称为季节性冻土。

土的冻结深度取决于当地的气候条件，我国严寒地区土的冻结深度最大可达3000mm。

土中水分冻结后，土体积增大的现象称为冻胀，冻土融化后产生的沉陷称为融陷。

如果基础埋置在季节性冻土的冻结深度内，在冻融过程中，由于冻胀和隔陷的不均匀性，建筑物易出现墙身开裂、门窗变形等现象，甚至发生基础冻融破坏。

土壤冻胀现象及其严重程度与地基土的颗粒粗细、含水量、地下水位高低等因素有关。

冻而不胀或冻胀轻微的地基土，基础埋深可不考虑冻胀的影响；而为冻胀性土时，基础埋深宜大于冻结深度，一般将基础底面埋置在冰冻线以下约200mm，以避免冻土的影响。

但在我国北方严寒地区，到达地面以下一定深度后就会出现永久冻土——终年不融化。

此时建筑物的地基宜坐落在永久冻土深度线以下，以确保基础于地基的相对稳定的工作环境。

相邻建筑物的基础埋置深度——在原有建筑物附近建造房屋时，要考虑新建建筑物荷载对原有建筑物基础的影响。

一般新建建筑物基础的埋置深度，应小于原有建筑物的基础埋置深度，以保证原有建筑的安全。

当新建建筑物基础的埋置深度必须大于原有建筑物基础时，两基础间应保持一定净距，一般为相邻基础底面高差的1-2倍。

此外，对于新建建筑物的基础埋置深度，还应注意新建建筑物有无地下室、设备基础、地下设施、以及与周边市政设施的连接状况等进行综合考虑。

基础的稳定性：基础的稳定性是指建筑物的基础，当承受水平荷载很大时，基础是否会发生滑动，当建筑物较高或很轻，而水平荷载又较大时，建筑物会连同基础发生倾覆的问题。

尤其是在土坡边缘的基础，更会由于土坡失稳导致基础失稳。

为防止基础随土坡失稳，《建筑地基基础设计规范》规定，位于稳定土坡坡顶上的建筑，当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m：对于条形基础，a≥3.5b- d/tgβ；矩形基础，a≥2.5b- d/tgβ式中a——基础底面外边缘线至坡顶的水平距离b——垂直于坡顶边缘线的基础底面边长d——基础埋置深度，β——边坡坡角。

基础的类型与构造：不同的建筑物，不同的上部结构，不同的荷载组合，不同的地质状况，需要不同的基础设计，以满足特殊的需要。

对于上部结构来讲，在同一地区可能会有两栋完全相同的建筑，同一套图纸，但建筑物的下部结构会截然不同，从不会有基础相同的建筑。

刚性基础与柔性基础：按基础所用材料及受力特点分类可以分为刚性基础与柔性基础。

以承担压力为主的脆性材料所构筑的基础称为刚性基础，而以可以承担拉力的相对延性材料所构筑的基础为柔性基础。

刚性基础仅能承担压力，而柔性基础在承担压力的同时还可以受弯。

对于刚性基础，为了满足地基承载力的要求，基础底面宽度（或面积）会远远大于上部墙或柱的宽度。

上部结构荷载在基础中是沿着一定角度向下扩散的，这个角称为力的扩散角，也被称为基础的刚性角α。

基础底面宽度超过力的扩散角部分，相当于一个倒置的悬臂构件，它的底面受拉，当拉应力超过基础材料的抗拉强度时，基础底面将出现裂缝导致破坏。

当采用抗压强度高，抗拉、抗剪强度远低于其抗压强度的材料（如砖、石、混凝土等）做基础时，为保证基础不出现弯曲或冲切破坏，基础就必须具有足够的高度，保证基础底面宽度在力的扩散角范围内。

凡受刚性角限制的基础称为刚性基础，不同材料具有不同的刚性角，通常用基础的挑出长度与高度之比表示（通称宽高比）。

建筑物的荷载较大，地基承载力较小时，基础底面必须加宽。

如果仍采用砖、石、混凝土做基础，为满足刚性角的要求，基础必须有相应的高度，这样势必加大基础的埋置深度，既不经济，施工又麻烦。

如果在混凝土基础的底部配置钢筋，利用钢筋来承受拉应力，基础可承受较大的弯矩。

不受刚性角的限制的基础，称为柔性基础。

柔性基础可以承担弯矩的作用，可以将基础高度降低，在满足承载力的条件下，减少埋置深度，降低工程成本。

常规基础的形式基础构造形式取决于建筑物的上部结构类型、荷载大小及地基土质情况。

一般情况下，上部结构类型直接决定了基础的形式，但当上部荷载较大或地基土质情况有变化时，基础形式也应随之变化。

条形基础——当建筑物为墙承重结构时，基础沿墙体连续设置成长条形，称为条形基础或带形基础。

这种基础整体性好，可防止或减缓基础的不均匀沉降。

条形基础多为砖、石、混凝土基础，也可采用钢筋混凝土条形基础。

采用砖、石、混凝土等脆性材料的条形基础，其横截面应符合刚性角的基本要求。

当地基条件较差或上部荷载较大时，为提高建筑物的整体刚度，避免不均匀沉降，常将两个方向用条形基础接起来，形成十字交叉的井字形基础，又称柱下交梁基础。

独立基础——当建筑物为柱承重结构，且柱距较大时，基础常采用单独基础，称独立基础图、杯形基础或柱下独立式基础。

独立基础是柱下基础的基本形式，常用的断面形式有阶梯形、锥形等。

当柱采用预制构件时，则独立基础做成杯口形，将柱子插入杯口内并嵌固，又称杯形基础。

当建筑物上部为墙承重结构，也可采用独立基础，此时需在独立基础上设基础梁支承墙体。

独立基础受力各自独立，因此对其设计也是各自独立的，每个基础的底面积埋置深度均可能不同。

独立基础易产生不均匀沉降。

由于独自受力，对于岩层变化剧烈的地基，基础之间容易形成高差过大而导致滑坡，施工中宜特别加以注意。

C 独立基础的设计当上部荷载较大，地基承载力又差，采用前述基础类型难以满足建筑物的整体刚度和地基变形要求时，可将墙或柱下基础做成一块整板，称为满堂基础。

满堂基础按其结构形式不同主要有筏式基础和箱形基础两种。

筏形基础——筏形基础按结构形式分为板式结构和梁板式结构两类。

前者板的厚度较大，构造简单；后者板的厚度较小，经济且受力合理，但板顶不平，在地面铺设前应将梁间空格填实或在梁间铺设预制钢筋混凝土板。

片筏基础就象在水中漂流的木筏，将井格式基础下用钢筋混凝土板连成一片，大大地增加了建筑物基础与地基的接触面积，接换句话说，使单位面积地基土层承受的荷载减少了，这种基础适合于软弱地基。

箱形基础——箱形基础是由顶板、底板和纵横墙隔板组成，整体现浇而成的盒状基础。

箱形基础刚度大、整体性好，且内部中空部分可形成地下室，多用于高层建筑以及需设地下室的建筑中。

但由于隔板是连接上顶板与下底板的重要构件，不能取消或减少，因此箱型基础的地下空间的利用将受到种种限制。

桩基础——当建筑物荷载较大、地基的软弱土层厚度在5000mm 以上，对沉降最限制要求较严的建筑物或对围护结构等几乎不允许出现裂缝的建筑物，往往采用桩基础。

桩基础可以节省基础材料，减少土方工程量，改善劳动条件，缩短工期。

桩按传力方式不同，可以将桩分为两类：端承桩——通过桩端将上部荷载传给较深的坚硬土层，适用于表层软弱土层不太厚，而下部为坚硬土层的地基情况；摩擦桩——通过桩表面与周围土壤的摩擦力和桩尖的阻力将上部荷载传给地基，适用于软弱土层较厚，而坚硬土层距地表很深的地基情况。

桩基础的类型桩基础的种类很多，根据材料不同，一般分为木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩等；根据桩的断面形式不同分为圆形桩、方形桩及工字形桩等；根据施工方法不同，分为预制桩、灌注桩及爆扩桩等。

大多数桩基础是由桩基础由承台和桩群两部分组成。

承台设于桩顶，把各单桩连成整体，并把上部结构的荷载均匀地传递给各根桩，再由桩传至地基。

桩顶进入承台梁长度不宜小于50mm，承台梁高度一般不小于300mm，宽度不得小于桩直径（或桩边长）的2倍。

在寒冷地区，承台梁下一般铺设100-300mm厚的干炉渣或粗砂防冻胀层。

当桩比较粗大时，尤其桩的直径已经大于柱的对角线时，可以不设承台，直接将柱坐落于装上。