第九章地基與基礎(chǔ)
概述
( 1 )地球上但凡人類居住、生活和工作及與之相關(guān)的一切建筑物均建造在地殼的表層 ― 地基上，“空中樓閣”是不存在的。因此，以地基土為研究對象的這門課程 ― 地基與基礎(chǔ)在土木工程中占據(jù)重要地位。
( 2 )建筑物的全部荷載都由它下面的地層來承擔(dān)，受建筑物影響的那一部分地層稱為地基;建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ)。以最常見的房屋建筑為例，荷載的傳遞方式為：
建筑物上部結(jié)構(gòu)→基礎(chǔ)→地基，如圖 9-1 所示。
( 3 )組成地層的土或巖石是自然界的產(chǎn)物。它的形成過程、物質(zhì)成分、工程特性及其所處的自然環(huán)境極為復(fù)雜多變。因此，在設(shè)計建筑物之前，必須進行建筑物場地的地基勘察，對場地的工程地質(zhì)條件作出正確的評價。
( 4 )建筑物的建造使地基中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。這就必須運用力學(xué)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(chǔ)設(shè)計應(yīng)該滿足兩個基本條件：
1 )要求作用于地基的荷載不超過地基的承載能力，保證地基在防止整體破壞方面有足夠的安全儲備;
2 )控制基礎(chǔ)沉降使之不超過允許值，保證建筑物不因地基沉降而損壞或者影響其正常使用。
( 5 )基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的型式很多。設(shè)計時應(yīng)該選擇能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)和場地工程地質(zhì)條件、符合使用要求、滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計兩項基本要求以及技術(shù)上合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案。通常把埋置深度不大(一般淺于5m )的基礎(chǔ)統(tǒng)稱為淺基礎(chǔ)(各種單獨的和連續(xù)的基礎(chǔ))。反之，淺層土質(zhì)不良，而須把基礎(chǔ)埋置于深處的好地層時，就要借助于特殊的施工方法，建造各種類型的深基礎(chǔ)了。選定適宜的基礎(chǔ)型式后，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。
( 6 )地基和基礎(chǔ)是建筑物的根本，又屬于地下隱蔽工程。它的勘察、設(shè)計和施工質(zhì)量直接關(guān)系著建筑物的安危。實踐表明，建筑物事故的發(fā)生，很多與地基基礎(chǔ)問題有關(guān)，而且，地基基礎(chǔ)事故一旦發(fā)生，補救并非容易。此外，基礎(chǔ)工程費用與建筑物總造價的比例，視其復(fù)雜程度和設(shè)計、施工的合理與否，可以變動于百分之幾到幾十之間。因此，地基及基礎(chǔ)在建筑工程中的重要性是顯而易見的。
第二節(jié)土的物理性質(zhì)及分類
一、概述
土作為建筑物地基的主體，顯然是土力學(xué)研究的主要對象。土是巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物，是巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕作用等而形成的碎散顆粒的集合體。
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。
二、土的成因與組成
1 .形成作用與成因類型嚴格地說，土是由地質(zhì)作用而生成的。
地質(zhì)作用——導(dǎo)致地殼( 30~80km )成分變化和構(gòu)造變化的作用。是土的生成的根本原因和動力。
地質(zhì)年代 ― 地殼發(fā)展歷史與地殼運動、沉積環(huán)境及生物演化相應(yīng)的世代段落。分為絕對的和相對的，后者應(yīng)用最廣。
相對地質(zhì)年代 ― 根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，將地殼歷史劃分成的一些自然時段，共劃分為五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。
代又分為紀，紀又分為若干世和期，即代一紀一世一期。
每一地質(zhì)年代中都劃分有相應(yīng)的地層，依次為界一系一統(tǒng)一階(層)。
在新生代中最新近的一個紀段稱為第四紀，我們現(xiàn)在所見的土就是在這一地質(zhì)年代生成且尚未膠結(jié)成巖的，距今約 100 萬年。
因此，我們現(xiàn)在所指的土可稱為第四紀沉積物(層)，需要指出：
巖石經(jīng)風(fēng)化而成土，土也可經(jīng)壓實固結(jié)、脫水、膠結(jié)硬化而成為巖石(沉積巖)，即
當(dāng)然這需要漫長的時間(以百萬年計)。
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(xué)性質(zhì)的主要因素。
土是由大小不同的土粒組成的。隨著顆粒的變化，土的性質(zhì)將發(fā)生變化。例如：隨著粒徑的變細，土的性質(zhì)由無黏性變?yōu)轲ば浴Ｒ虼�，為了區(qū)分土顆粒的特征，常將其劃分為不同的粒組，粒組是指粒徑界于一定范圍內(nèi)的土粒的集合。
顆粒級配 ― 土中所含各種粒組的重量所占土粒(干土)總重的百分數(shù)。它反映了土中各粒組的比例關(guān)系，由土的顆粒分析試驗確定。
礦物 ― 地殼中天然生成的自然元素或化合物，也是構(gòu)成巖石的基本元素或化合物。
土的礦物成分 ― 組成土中固體顆粒的礦物類型、結(jié)構(gòu)等。了解土粒的礦物成分，對認識土性十分重要。
( 3 )土中氣體。土中氣占據(jù)了土中未被水占領(lǐng)的孔隙。
自由氣體 ― 與大氣連通、不影響土質(zhì)，常存在于粗粒土中。
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，常存在于淤泥和泥炭等有機土中。
三、土的物理性質(zhì)指標(biāo)
土的物理性質(zhì)指標(biāo) ― 表示土中三相比例關(guān)系的一些物理量(圖 9-2 )，可分為如下兩類：
黏性土：ρ=1 . 8 ~2 . 09 / cm3;砂土 1 . 6 ~2 . 09 g /cm3;腐殖土 1 . 5 ~1 . 7g / cm3 。一般用“環(huán)刀法”測定。
4 .土的干密度ρd 、飽和密度ρsat、有效密度ρ’
干密度是指土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量(工程上用作評定土體密實度，控制填土工程的施工質(zhì)量)。
四、無黏性土的物理性質(zhì)
無黏性土主要是指砂土和碎石土，其工程性質(zhì)與其密實度密切相關(guān)。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(zhì)的主要指標(biāo)。
評判無黏性土的密實度有以下方法：
1 .根據(jù)相對密實度 Dr (大小位于0~l 之間)判別
密實( l ≥Dr≥0 . 67 );中密( 0 . 67≥Dr≥0 . 33 );松散( 0 . 33 ≥ Dr≥0 )。該法適用于透水性好的無黏性土，如純砂、純礫。
2 .根據(jù)天然孔隙比e判別。
e越小，土越密實。一般，e< 0 . 6 時屬密實，e> 1 . 0 時屬疏松。該法適用于砂土，但不能考慮礦物成分、級配等對密實度的影響。
3 .根據(jù)原位標(biāo)準貫人等試驗判別
密( N > 30 )、中密( 15 ≤N≤ 30 )、稍密( 10≤N≤15 )、松散( N≤10 )
五、黏性土的物理性質(zhì)
黏性土的特性主要是由于黏粒與水之間的相互作用產(chǎn)生，因此含水量是決定因素。黏性土的含水量對其物理狀態(tài)和工程性質(zhì)有重要影響。
液限(ωL, Liqud Limit )：土由可塑狀態(tài)變到流動狀態(tài)的界限含水量;土處于可塑狀態(tài)的最大含水量，稍大即流態(tài);
塑限(ωP， Plastic Limit )：土由半固態(tài)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水量;土處于可塑狀態(tài)的最小含水量，稍小即半固態(tài);
縮限(ωS , Shrinkage Limit )：土由固態(tài)變?yōu)榘牍虘B(tài)的界限含水量;土處于半固態(tài)的最小含水量，稍小即為固態(tài)。
塑性指數(shù)IP ― 表示土處于可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。
IP 越大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍也越大。
土顆粒越細，黏粒含量越高，土能吸附的結(jié)合水量越多，則IP越大。黏土礦物蒙脫石含量越高，IP越大。IP在一定程度上綜合反映了影響?zhàn)ば酝撂卣鞯母鞣N主要因素，故常用于對黏性土進行分類。
液性指數(shù)IL ― 表示黏性土軟硬程度的一個指標(biāo)。
故可根據(jù) IL 的大小評判土的軟硬程度，分為如下 5 種(表 9-1 )：
六、巖土的工程分類
作為建筑地基的巖土，可分為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。
( l )巖石應(yīng)為顆粒間牢固連接，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。作為建筑物地基，除應(yīng)確定巖石的地質(zhì)名稱外，尚應(yīng)按下面的( 2 )~( 4 )條來劃分其堅硬程度和完整程度。
( 2 )巖石的軟硬程度應(yīng)根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強度 frk 按表 9-2 分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖。當(dāng)缺乏飽和單軸抗壓強度資料或不能進行該項試驗時，可在現(xiàn)場通過觀察定性劃分，劃分標(biāo)準可按《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 》附錄 A . 0 . 1 執(zhí)行。巖石的風(fēng)化程度可分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化和全風(fēng)化。
( 3 )巖體完整程度應(yīng)按表 9 一 3 劃分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎。
( 4 )碎石土為粒徑大于 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)碎石土的密實度可按表 9 -5 分為松散、稍密、中密、密實。
( 6 )砂土為粒徑大于 2mm 的顆粒含量不超過全重 50 %、粒徑大于0.075mm 的顆粒超過全重 50 %的土。砂土可按表 9-6 分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂。
( 7 )砂土的密實度，可按表 9-7 分為松散、稍密、中密、密實。
( 8 )黏性土為塑性指數(shù) IP 大于 10 的土，可按表 9-8 分為黏土、粉質(zhì)黏土。
( 9 )黏性土的狀態(tài)，可按表 9-9 分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑。
( 10 )粉土為介于砂土和黏性土之間，塑性指數(shù)IP≤10 且粒徑大于0.075mm 的顆粒含量不超過全重 50 %的土。
( 11 )淤泥為在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于 1 . 5 的黏性土。當(dāng)天然含水量大于液限而天然孔隙比小于 1 . 5 但大于或等于 1.0的黏性土或粉土為淤泥質(zhì)土。
( 12 )紅黏土為碳酸鹽巖系的巖石經(jīng)紅土化作用形成的高塑性黏土。其液限一般大于 50 。紅黏土經(jīng)再搬運后仍保留其基本特征，其液限大于 45 的土為次生紅黏土。
( 13 )人工填土根據(jù)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(jīng)過壓實或夯實的素填土為壓實填土。雜填土為含有建筑垃圾、工業(yè)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，其自由膨脹率大于或等于 40 %的黏性土。
( 15 )濕限性土為浸水后產(chǎn)生附加沉降，其濕限系數(shù)大于或等于0.015的土。
七、工程特性指標(biāo)
( l )土的工程特性指標(biāo)應(yīng)包括強度指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)以及靜力觸探探頭阻力，標(biāo)準貫人試驗錘擊數(shù)、載荷試驗承載力等其他特性指標(biāo)。
( 2 )地基土工程特性指標(biāo)的代表值應(yīng)分別為標(biāo)準值、平均值及特征值�？辜魪姸戎笜�(biāo)應(yīng)取標(biāo)準值，壓縮性指標(biāo)應(yīng)取平均值，載荷試驗承載力應(yīng)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于淺層地基，深層平板載荷試驗適用于深層地基。
( 4 )土的抗剪強度指標(biāo)，可采用原狀土室內(nèi)剪切試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、現(xiàn)場剪切試驗、十字板剪切試驗等方法測定。當(dāng)采用室內(nèi)剪切試驗確定時，應(yīng)選擇三軸壓縮試驗中的不固結(jié)不排水試驗。經(jīng)過預(yù)壓固結(jié)的地基可采用固結(jié)不排水試驗。每層土的試驗數(shù)量不得少于 6 組。室內(nèi)試驗抗剪強度指標(biāo)ck、ψk，可按本規(guī)范附錄 E 確定。
在驗算坡體的穩(wěn)定性時，對于已有剪切破裂面或其他軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，應(yīng)進行野外大型剪切試驗。
( 5 )土的壓縮性指標(biāo)可采用原狀土室內(nèi)壓縮試驗、原位淺層或深層平板載荷試驗、旁壓試驗確定。
當(dāng)采用室內(nèi)壓縮試驗確定壓縮模量時，試驗所施加的最大壓力應(yīng)超過土自重壓力與預(yù)計的附加壓力之和，試驗成果用e-p 曲線表示。當(dāng)考慮土的應(yīng)力歷史進行沉降計算時，應(yīng)進行高壓固結(jié)試驗，確定先期固結(jié)壓力、壓縮指數(shù)，試驗成果用 e-lgp 曲線表示。為確定回彈指救，應(yīng)在估計的先期固結(jié)壓力之后進行一次卸荷，再繼續(xù)加荷至預(yù)定的最后一級壓力。
地基土的壓縮性可按 pl 為100kPa , p2為 200kPa 時相對應(yīng)的壓縮系數(shù)值 α1-2劃分為低、中、高壓縮性，并應(yīng)按以下規(guī)定進行評價：
當(dāng)考慮深基坑開挖卸荷和再加荷時，應(yīng)進行回彈再壓縮試驗，其壓力的施加應(yīng)與實際的加卸荷狀況一致。
