力学与结构-17地基与基础课件

第17章

地基与基础

返回总目录土的工程性质及分类土中应力及地基计算基础的类型及选用柱下钢筋混凝土独立基础设计桩基础设计习题本章内容

教学要求：了解土的组成及基本性能、土的工程特性指标、地基承载力、安全使用地基的概念；了解基础的类型与选用；了解浅基础类型、浅基础设计的一般要求、设计步骤和方法；重点掌握柱下钢筋混凝土独立基础设计；了解桩的分类、单桩承载力的确定、桩基础设计、承台的设计及构造要点。基础是建筑结构的重要受力构件，上部结构所承受的荷载都要通过基础传至地基。地基与基础对建筑结构的重要性是显而易见的，它们埋在地下，一旦发生质量事故，不光开始难以察觉其修补工作也要比上部结构困难得多，事故后果又往往是灾难性的，实际上建筑结构的事故绝大多数是由地基和基础引起的。基础是建筑结构的一部分，和上部结构相同，基础应有足够的强度、刚度和耐久性。基础虽然有很多种型式，但可概括分为两大类，即浅基础和深基础。深、浅基础没有一个明确的分界线，一般将埋置深度不大，只需开挖基坑及排水等普通施工工艺建造的基础称为浅基础；反之，埋置深度较大，需借助于特殊的施工方法建造的基础称为深基础。前面各章研究的是建筑结构的上部结构，本章研究与建筑结构的地基基础设计有关的主要问题。包括土的工程性质及地基计算、常用基础的类型与选用、浅基础设计、桩基础设计等基本内容。土的工程性质及分类一、土的三相组成、物理性质指标1.土的三相组成土一般由固体颗粒(固相)、水(液相)和空气(气相)组成。其中固体颗粒是土的骨架，气体、水及溶解物质填充孔隙，故土为三相体系。土中三相成分之间的比例和土中固体颗粒的大小、成分的不同，决定了土的不同性质，如干湿、轻重、软硬、松密、粘聚和离散性能。孔隙完全被水充满时为饱和土；孔隙完全被气体充满时为干土；含气体的土称为非饱和土。2.土的物理性质指标将土中原本相互分散交错的固体颗粒、气体和水分别集中起来，绘制出土的三相图。土的三相图分别按体积和质量表示了土中气体、水、固体颗粒间的比例关系，如图17.2所示。它是影响土的物理性质指标的主要原因，用它可计算土的各项基本物理性能指标。Va—土中气体体积；Vw—土中水体积；Vv—土中空隙体积，Vv=Vw+Va；Vs—土中颗粒体积；V—土的总体积；V=Vs+Vw+Va；ma—土中气体的质量，ma≈0；mw—土中水质量；ms—土中颗粒质量；m—土的总质量，m=mw+ms。图17.2土的三相组成示意图土的工程性质及分类1)土的密度(1)土在天然状态下即保持土原来的成分、结构和含水量不变的情况下，单位体积内土的质量称为土的天然密度ρ，即天然状态下土的密度变化范围很大，一般为ρ=(1.6～2.2)g/m3，通常采用“环刀法”测定。除土的天然密度外，还有土粒的相对密度(比重)ds、土的干密度ρd、土的饱和密度ρsat、土的浮密度ρ’。(2)土粒质量与同体积的4℃时水的质量之比，称为土粒相对密度(比重)ds，即(17-1)(17-2)式中，ρw——水在4℃时的密度，ρw=1g/cm3。一般土的土粒相对密度常为(2.65～2.76)g/cm3之间，对同一种类的土，其值变化不大，一般在试验室内用“比重瓶法”测定。(3)土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度ρd，即土的工程性质及分类土的干密度一般为(1.3～1.8)g/cm3，工程上常用土的干密度来评价填土的填压密实程度以控制工程质量。(4)土孔隙中充满水时单位体积的质量，称为土的饱和密度ρsat，即(5)土的浮密度是地下水位以下土的有效密度，等于单位体积中土粒的质量扣出同体积水的质量，即2)土的重度γ单位体积内土的重量称为土的重力密度，简称重度，即(17-3)(17-6)(17-5)(17-4)土的工程性质及分类土的孔隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理性质指标。一般情况下，它们愈大，土愈疏松；反之土愈密实。5)土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比称为土的饱和度Sp，用百分数表示，即土的饱和度反映了土中孔隙被水充满的程度。当Sr=1时，土孔隙内全被水充满；当Sr=0时，土是完全干燥的，通常可根据Sr的大小来区分土的潮湿状态。对于砂性土：当Sr小于50时，土是稍潮湿的；当Sr在50～80之间时，土是很潮湿的；当Sr大于80时，土是饱和的。以上土的各项三相物理性质指标中，密度ρ、土粒相对密度ds、含水量ω可通过土工试验测定，称为基本指标，由它们可导出其他各项指标，相应的换算公式见表17-1所示。(17-10)土的工程性质及分类

【例17.1】某原状土样的体积为70cm，湿土质量0.126kg，干土质量为0.1043kg，土粒的相对密度为2.68。求土样的密度、重度、干土密度、干土重度、含水量、孔隙比、饱和土重度及有效重度。解(1)土的密度：ρ=0.126/70=0.0018kg/cm3=1.8t/m3。(2)土的重度：γ=ρg=1.810=18kN/m3。(3)干土密度：ρd=0.1043/70=0.00149kN/cm3=1.49t/m3。(4)干土重度：γd=ρdg=1.49×10=14.9kN/cm3。(5)土的含水量：ω=(0.126-0.1043)/0.1043=0.2081=20.81%。(6)土的孔隙比：－1=(2.681)/1.49-1=0.8。(7)饱和土重度：=(2.68+0.8)/(1+0.8)10=19.33kN/m3。(8)有效重度：γ’=γsat－γw=19.33-10=9.33kN/m3。6)塑限ωp、液限ωL、塑性指数Ip及液性指数IL对于粘性土，还有塑限ωp、液限ωL、塑性指数Ip及液性指数IL等物理性质指标。(1)粘性土由固体状态变化到可塑状态的界限含水量称为塑限ωp。一般用“搓条法”测定。土的工程性质及分类《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)，以下简称规范，根据IL的大小将粘性土的软硬状态分为五类，如表17-3所示。表17-3粘性土的状态

【例17.2】某原状土样处于完全饱和状态，测得其含水量ω=32.45%，密度ρ=1.8t/m3。土粒的相对密度ds=2.65，液限ωL=36.4%，塑限ωP=18.9%。试求：(1)土样的名称及其物理状态；(2)将土样压密，使其干土密度达到1.58t/m，此时土的孔隙比将减小多少？解(1)土样的塑性指数IP=ωL－ωP=36.4-18.9=17.5由表17-2可知，该土样为粘土。(2)土样的液性指数(0.3245-0.189)/0.175=0.77，由表17-3可知，该土处于软塑状态。(3)原状土样的孔隙比为：土的工程性质及分类(4)压密后土的孔隙比为：(5)压密后的土的孔隙比减小为：

△e=e－e’=0.95－0.68=0.27以上介绍了一般土最基本的物理性质指标，依据它们可对地基土有一个初步了解和进行简单评价。如通过天然土的密度和重度可知它的轻重；通过孔隙比可判断土的压缩程度；通过饱和度可判断地基土的潮湿程度；通过塑性指数和液性指数所处的范围能判定粘性土的属性和坚硬程度。仅了解以上的地基土的简单情况还很不够，还要综合分析地基土更多的各种工程特性指标，研究其分类的方法，才能确定地基土的承载能力和沉降情况，以此作为基础设计的重要依据。土的工程性质及分类二、地基土(岩)的工程分类地基土(岩)分类的方法很多。建筑结构中，土作为地基承受上部结构通过基础传来的荷载。从工程的角度，即着眼于土的工程性质(特别是各种强度和变形特性)及其与地基土的地质成因之间的关系来分类是合理而必要的。地基土分类的主要依据是三相的组成、粒径级配、土粒的形状和矿物成分等。我国现行规范将地基土(岩)分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土等。(1)岩石。岩石应为颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑结构的地基，除应确定岩石的地质名称外，还应分别按表17-4、表17-5划分其坚硬程度和完整程度。岩石的坚硬程度应根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能进行该项试验时，可在现场通过观察定性划分，划分标准可按《建筑地基基础设计》执行。岩石的风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。表17-4岩石坚硬程度的划分土的工程性质及分类表17-5岩石完整程度的划分(2)碎石土。碎石土为粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。碎石土可按粒组含量和颗粒形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，如表17-6所示。表17-6碎石土的分类土的工程性质及分类碎石土的密实度，可分为松散、稍密、中密、密实。碎石土的密实度按表17-7确定。表17-7碎石土的密实度(3)砂土。砂土为粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。砂土按表17-8所示分类。表17-8砂土的分类土的工程性质及分类(6)人工填土。人工填土是指由于人类活动堆积的土。其物质成分杂乱且均匀性较差，堆积时间也各不相同，故用作地基时应特别慎重。人工填土根据其组成和成因可分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土。素填土为由碎石、砂土、粘性土、粉土等组成的填土；经分层压实者统称为压实填土；杂填土为含有建筑垃圾、工业废物、生活垃圾等杂物的填土；冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。(7)特殊土。特殊土指具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。大体可分为软土、红粘土、黄土、膨胀土、多年冻土、湿陷性土、盐渍土等。三、土的工程特性指标1.土的工程特性指标及其代表值土的工程特性指标应包括强度指标、压缩性指标及静力触探探头阻力、标准贯入试验锤击数、载荷试验承载力等和其他特性指标。地基土工程特性指标的代表值应分别为标准值、平均值及特征值。其中，抗剪强度指标应取标准值；压缩性指标应取平均值；载荷试验承载力应取特征值。土的工程性质及分类2.土的抗剪强度指标

(1)土的抗剪强度。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。当土体内某点的剪应力达到土体的抗剪强度时，该点即发生剪切破坏。土的抗剪强度是土最重要工程特性指标之一，在计算挡土墙及地下结构的土压力、确定建筑物地基的承载力和各类边坡的稳定分析中，均由土的抗剪强度控制。(2)测定土的抗剪强度。土的抗剪强度可用室内原状土直接剪切试验、无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验；现场原位测试、十字板剪切试验等方法测定。采用室内剪切试验时，应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验。已经预压固结的地基可采用固结不排水试验，每层土的试验数量不能少于六组。验算土坡体的稳定性时，对于已有剪切破裂面或其他软弱结构面土的抗剪强度，应进行野外大型剪切试验。(3)土的抗剪强度指标。土的抗剪强度有两种表达方法，相应有两种强度指标：土的c和φ统称为土的总应力强度指标；土的c’和φ’统称为土的有效应力强度指标。其中c、φ分别为土的粘聚力和内摩擦角；c’、φ’分别为土的有效粘聚力和有效内摩擦角。工程中往往选用最接近实际条件的试验方法取得土的总应力强度指标。土的工程性质及分类

压缩模量Es与土的压缩系数α成反比，故也能评价土的压缩性的高低。一般认为，Es＜4MPa时为高压缩性土；Es=(4～15)MPa时为中压缩性土；Es＞15MPa时为低压缩性土。(2)土的压缩性指标可采用室内原状土压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、旁压试验、触探试验确定。4.标准贯入试验锤击数

标准贯入试验锤击数N值，可对砂土、粉土、粘性土的物理状态，土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力，砂土和粉土的液化，成桩的可能性等做出评价。5.载荷试验承载力载荷试验是确定岩土承载力的主要方法，包括浅层平板载荷试验和深层平板载荷试验。浅层平板载荷试验适用于浅层地基；深层平板载荷试验适用于深层地基。土中应力及地基计算一、土中应力计算1.土中自重应力

为了计算基础沉降以及对地基进行强度与稳定性分析，必须知道土中应力的分布。土中应力包括土的自重应力和附加应力。土的自重应力是在未建造基础前，由土体本身受重力作用引起的应力。附加应力则是由于建筑物荷载在土中引起的应力。土中应力计算通常利用弹性理论求得，即假定地基土是均匀、连续、各向同性的半无限弹性体。这样的假定使计算比较简单适用，但与土的实际情况不尽相符。实践表明，当基底压力不超过土体的比例界限时，土中应力与应变的关系近似呈直线关系。这时，应用弹性理论计算土中应力还是容许的。

在计算土中自重应力时，假定地基土为半无限弹性体。对于地表水平的均质土地面以下任一深度处竖向自重应力都是在水平面上均匀无限分布的，所以在自重应力作用下地基土只产生竖向变形，而无侧向位移及剪切变形。若土的天然重度为γ，地面以下深度为z(m)处的自重应力σcz与深度z成正比，如图17.3所示。图17.3匀质土中竖向自重应力土中应力及地基计算可按式(17-17)计算出各土层分界处的自重应力，然后在所计算竖直线的一侧用水平线段按一定比例表示各点的自重应力值，再用直线加以连接，如图17.4所示，所得折线称为土的自重应力曲线。

必须指出，这里所讨论的土中自重应力是指土颗粒之间接触点传递的应力，故称有效自重应力。本节所讨论的自重应力都是有效自重应力，简称自重应力。自然界中的土层，一般从形成至今已有很长的地质年代，在自重应力作用下引起的压缩变形早已完成，因此自重应力不会引起天然土层上建筑物的沉降。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑在自重应力作用下的变形。2.基底压力分布与简化计算计算土中的附加应力，须先知道基底压力分布，这是建筑物荷载通过基础传给地基的压力，也是地基作用于基础底面的反力，是计算地基和基础设计的依据。基底压力分布很复杂，它不仅与基础的刚度、平面形状、尺寸大小和埋置深度有关，而且还与作用在基础上的荷载大小与分布、地基土的性质等有关。当基础尺寸较小时，如柱下独立基础及墙下条形基础，基底压力可当作直线分布按材料力学公式简化计算。对于较复杂的基础，如柱下条形基础、筏形基础和箱形基础，要考虑上部结构和基础的刚度以及地基土力学性质的影响，用弹性地基梁的方法计算。土中应力及地基计算此处仅介绍计算中心受压和偏心受压基础的基底压力的简化方法。1)中心受压基础作用在基底上的荷载合力通过基底形心时，基底压力可假定为均匀分布，如图17.5所示，可按下式计算：式中，p——基底平均压力，单位为kPa；F——作用在基础上的竖向荷载，单位为kN；G——基础及其台阶上回填土的总重，单位为kN，，其中γG为基础及回填土的平均重度，一般取20kN/m3，但地下水位以下应取浮重度；——基础平均埋深，单位为m；A——基底面积，单位为m2；对条形基础，通常沿基础长度方向取1m计算。2)偏心受压基础在单向偏心荷载作用下，设计时通常将基础长边方向定在偏心方向，如图17.6所示。此时，基底边缘压力可按材料力学偏心受压公式计算：图17.5按简化法计算中心受压基础基底反力(17-18)土中应力及地基计算(17-19)式中，pmax、pmin——基底最大、最小边缘压力，单位为kPa；M——作用在基底形心上的力矩，单位为kNm；W——基础底面的抵抗矩，W=，单位为m3；e——偏心矩，单位为m。将弯矩和抵抗矩代入式(17-19)，得由式(17-20)和图17.6可见：当e＜l/6时，基底压力呈梯形分布。e＝l/6时，基底压力呈三角形分布。当e＞l/6时，按式(17-20)计算结果，pmin为负值，即pmin＜0，此时基底与地基局部脱开，由于基底与地基之间承受拉力的能力很小，使基底应力重新分布。根据偏心荷载与基底反力平衡的条件，荷载合力F+G应通过三角形反力分布图的形心，图17.6按简化法计算偏心受压基础基底反力(17-20)土中应力及地基计算地基计算包括基础埋置深度、地基承载力、地基变形和地基稳定性等内容。地基计算要求与地基基础设计等级有关，地基基础设计等级见表17-10。表17-10地基基础设计等级土中应力及地基计算二、基础埋置深度1.建筑物的用途基础的埋置深度是指室外设计地面至基础底面的竖向距离。基础埋置深度对建筑物的安全及正常使用、施工工期和造价有很大影响，合理确定基础的埋置深度是很重要的问题，应综合考虑以下几个方面的因素。建筑物的各种用途、有无地下室、设备基础和地下设施，基础的形式和构造对基础埋深影响很大。如有地下管道和设备基础要求时，还应满足建筑物使用功能上提出的埋深要求将基础局部或整体加深。2.作用在地基上的荷载大小和性质

不同的荷载的大小对基础埋深的要求不同；承受动力或较大水平荷载的建筑物与一般以承受竖向荷载为主的建筑物对基础埋深的要求也不同。高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18~1/20。位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑要求。注意可能承受上拔力的建筑物基础，如输电塔和大跨度悬索桥的锚碇会要求较大或很大的埋深。土中应力及地基计算

在满足地基承载力、稳定和变形要求的前提下，基础应尽量浅埋，当上层地基土的承载力大于下层土时，宜利用上层土作持力层。如果承载力比较高的土层在地基土的下部时，则持力层宜进行地基处理后才能浅埋。基础浅埋的深度，除岩石地基外，不宜小于0.5m，为保护基础，基础顶面低于室外地面不小于0.1m。基础宜埋置在地下水位以上，以避免施工时排水带来的困难，并可减轻地基上的冻害。当必须埋在地下水位以下时，应采取地基土在施工时不受扰动的措施。当基础埋置在易风化的岩层上，施工时应在基坑开挖后立即铺筑垫层。当地下水有侵蚀性时，还应对基础采取防护措施。3.工程地质和水文地质条件2.作用在地基上的荷载大小和性质新建筑物靠近原有建筑物时，其基础埋置深度不宜大于原有建筑物基础。如新基础埋深大于原有建筑基础时，为保证相邻建筑物的安全和正常使用，两基础间应保持一定净距，其数值应视原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况而定。当上述要求不能满足时，施工时应采取措施，如分段施工、设临时加固支撑、打板桩、构筑地下连续墙或加固原有建筑物的地基。土中应力及地基计算

土中水分冻结后体积变大形成冰晶，使土中孔隙体积增大使土变得疏松的现象称为冻胀；冻土融化后使土变软、含水量增大、强度降低产生的附加沉陷称为融陷。季节性冻土在冻融过程中，反复地产生冻胀和融陷使土的强度降低，沉陷增大会对建筑物产生不良影响，可能引起开裂甚至破坏。土的冻胀性大小与土粒大小、含水量和地下水位高低有密切关系。《建筑地基基础设计规范》根据土的类别、含水量、地下水位和平均冻胀率将地基土分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀土五类。对于埋置于不冻胀土中的基础，其埋深可不考虑冻胀的影响；对埋置于冻胀土中的基础，其最小埋深要考虑冻胀的影响，由规范按公式确定。5.地基土冻胀和融陷的影响地基承载力系指在保证地基强度和稳定的条件下，建筑物不产生过大沉降和不均匀沉降而安全承受荷载的能力。地基承载力的确定在地基基础设计中是一个非常重要而又十分复杂的问题，它不仅与土的物理力学性质有关，而且还与建筑类型、结构特点、基础型式、基础的底面尺寸、基础埋深、施工速度等因素有关。确定地基承载力的基础是确定地基承载力特征值。三、地基承载力计算土中应力及地基计算地基承载力特征值可由野外鉴别、载荷试验或其他原位测试、土样试验与公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按式(17-23)修正为：1.地基承载力特征值的宽度及深度修正式中，fa——修正后的地基承载力特征值，单位为kPa；fak——地基承载力特征值，可由载荷试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定，单位为kPa；ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表17-11取值；γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；b——基础底面宽度，单位为m。当基础宽度小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；γm——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；(17-23)土中应力及地基计算d——基础埋置深度，单位为m。一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。表17-11地基承载力修正系数土中应力及地基计算(1)当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按规范(5.2.5)式计算，并应满足变形要求。(2)岩石地基承载力特征值，可按规范附录H岩基载荷试验方法确定。对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度按规范(5.2.6)式计算。(3)当地基受力层范围内有软弱卧层时，应按规范(5.2.7-1)式验算。(4)对于沉降已经稳定的建筑或经过预压的地基，可适当提高地基承载力。基础底面的压力的确定和应符合的要求详见17.4节柱下独立基础设计的相关内容。四、地基变形计算1.地基变形特征地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜四种，如图17.7所示。图17.7基础沉降分类土中应力及地基计算(1)沉降量：指基础中心点的沉降量。(2)沉降差：指相邻两单独基础沉降量之差。(3)倾斜：指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。(4)局部倾斜：指砌体承重结构沿纵向6m～10m内基础两点的沉降差与其距离的比值。由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于砌体承重结构应用局部倾斜控制；对于框架结构和单层排架结构应由相邻地基的沉降差控制；对于多层或高层建筑和高耸构筑物应用倾斜控制。对于建筑在软弱地区上的建筑物，必要时尚应控制平均沉降量。2.地基变形计算1)地基变形计算深度地基变形计算深度应符合规范第5.3.6条要求；当无相邻荷载影响，基础宽度在1m～30m范围内时，基础中点的地基变形计算深度也可按规范第5.3.7条的简化公式计算；计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算；当建筑物地下室基础埋置较深时，需要考虑开挖基坑地基土的回弹变形量；在同一整体大面积基础上建有多栋高层和低层建筑，应该按照上部结构、基础与地基的共同作用进行变形计算。土中应力及地基计算2)地基最终变形量的计算(1)计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论，其最终变形量可按规范第5.3.5条用分层总和法计算。(2)地基变形与时间有关，地基变形所需时间随土的渗透性大小和排水条件而定。在必要情况下，需要分别预估建筑物在施工期间和使用期间的地基变形值，以便预留建筑物有关部分之间的净空，考虑连接方法和施工顺序。一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量：砂土由于渗透性强可认为其最终沉降量已完成80%以上；对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的50%～80%；对于中压缩性土可认为已完成20%～50%；对高压缩性的饱和粘性土，压缩变形过程可达几十年，施工完毕时仅完成总变形量的5%～20%。3.地基验算的范围和要求对表17-12所列的建筑物，按地基承载力计算一般已能满足地基变形要求，不必进行沉降计算；如有下列情况之一时，仍应作地基变形验算。土中应力及地基计算表17-12可不作地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围土中应力及地基计算①地基承载力特征值小于130kPa，且体形复杂的建筑；②在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时；③软弱地基上的建筑物受有偏心荷载时；④相邻建筑物距离过近，可能发生倾斜时；⑤地基内有厚度较大或厚薄不均匀的填土，自重固结未完成时。但对于甲级、乙级和此表以外的丙级建筑物，除需满足承载力要求外，还要做地基变形验算。若变形条件不能满足，则应调整基础底面尺寸或采取其他措施。地基验算的要求是：建筑物的地基变形计算值不应大于建筑物地基变形允许值，即式(17-24)。建筑物的地基变形允许值按规范表5.3.4采用。地基变形容许值的确定是一项十分复杂的工作、涉及的因素很多，除了要考虑使用要求外，还与建筑物的结构型式、不均匀沉降对结构的影响以及结构的可靠度等问题有关。规范中规定的建筑物的地基变形允许值是对各类建筑物沉降观测资料的综合分析、对某些结构附加内力的计算、以及参考一些国外资料提出的。对表中未包括的建筑物，其地基变形允许值应根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。式中，△——地基变形计算特征值；[△]——地基变形容许值，按规范表5.3.4取值。(17-24)土中应力及地基计算4.减轻基础不均匀沉降损害的措施一般来说，建筑物出现沉降是难以避免的，但是，过大的地基变形将使建筑物损坏或影响它的使用功能。如何防止和减轻基础不均匀沉降引起的损害是建筑设计中必须考虑的问题。我们可以从地基、基础和上部结构相互作用的观点出发，综合选择合理的建筑、结构设计及施工方案和采取相应的措施，以减轻不均匀沉降对建筑物的危害。1)建筑措施(1)建筑体形力求简单、高差不宜过大。建筑平面简单、高度一致的建筑物，基底应力较均匀，整体刚度好，即使沉降较大，建筑物也不易产生裂缝和损坏。例如平面呈“一”字形的建筑物整体性好，建筑物体型(平面及剖面)复杂，往往削弱建筑物的整体刚度。建筑物立面体形变化也不要太大。(2)控制建筑物的长高比及合理布置纵横墙。砖石承重的建筑物，当其长度与高度之比较小时，建筑物的刚度好。即使沉降较大，也不至于引起建筑物开裂。相反，长高比大的建筑物其整体刚度小，纵墙很容易因挠曲变形过大而开裂。根据建筑实践经验，当基础计算沉降量大于120mm时，建筑物的长高比不宜大于2.5；对于平面简单，内、外墙贯通，横墙间隔较小的房屋，长高比可适当放宽，但一般不宜大于3.0。土中应力及地基计算合理布置纵横墙是增强建筑物刚度的重要措施之—，因为纵横墙构成了建筑物的空间刚度，所以适当加密横墙的间距，就可增强建筑物的整体刚度，纵横墙转折会削弱建筑物的整体性，所以建造在软弱地基上的建筑物，纵横墙最好不转折或少转折。(3)设置沉降缝。当地基很不均匀且建筑物体形复杂又不可避免时，用沉降缝将建筑物从屋面到基础分割为若干个独立的单元，使建筑平面变得简单可有效地减轻地基不均匀沉降。沉降缝通常设置在如下部位：平而形状复杂的建筑物转折处；建筑物高差或荷载差别很大处；长高比过大的建筑物的适当部位；地基土压缩性有显著变化处；建筑物结构或基础类型不同处；分期建筑的交接处。沉降缝应留有足够的的宽度，缝内一般不填塞材料，以保证沉降缝上端不致因相邻单元内倾而顶住。沉降缝的宽度与建筑物的层数有关。(4)控制建筑物基础间距。相邻建筑物太近，由于地基应力扩散作用，会互相影响，引起相邻建筑物产生附加沉降。建造在软弱地基上的建筑物，应将高低悬殊部分(或新老建筑物)离开一定距离。如离开距离后的两个单元之间需要连接时，应设置能自由沉降的独立连接体或采用简支、悬臂结构。2)结构措施(1)减轻建筑物自重。基底压力中，建筑物自重所占比例很大。采用高强轻型砌体材料、选用轻型结构、减少基础和回填土重量能大大减少建筑物沉降量。土中应力及地基计算(2)设置圈梁。不均匀沉降会引起砌体房屋墙体开裂，圈梁的设置可增大建筑物的整体性、刚度和承载力。(3)减少和调整基底附加压力。改变基础型式及基底尺寸、增设地下室等架空层可减少和调整基底附加压力。(4)将上部结构作成静定体系。当发生不均匀沉降时采用静定结构体系不致引起很大的附加应力，故在软弱地基上建造的公共建筑、单层工业厂房、仓库等，可考虑采用静定结构体系，以适应不均匀沉降的要求。3)施工措施合理安排施工顺序和注意选用施工方法可减少或调整不均匀沉降。当建筑物存在高低或轻重不同部分时，应先施工高层及重的部分，后建轻的及低层部分。如果在高低层之间使用连接体时，应最后修建连接体，以调整高低层之间部分沉降差异。不要扰动基底土的原来结构，通常在坑底保留约200mm厚的土层，如发现坑底土已被扰动，应将已扰动土挖去，再用砂、碎石等回填夯实。在软弱地基土上、已建和在建房屋外围应避免大量、长时间堆放，以免引起新老房屋的附加沉降。土中应力及地基计算五、地基稳定性验算地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算。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符合规范要求，但不得小于2.5m。基础的类型及选用1.按基础埋置深度分类按其埋置深度和施工方法的不同，可分为浅基础和深基础两大类。埋置深度不大，用一般方法施工的基础属于浅基础；埋置深度较大施工较为复杂的属于深基础。如桩基础、箱形基础、沉井和地下连续墙等。2.按材料分类

基础按使用的材料分为砖基础、毛石基础、灰土基础、三合土基础、毛石混凝土基础、混凝土基础、钢筋混凝土基础等。(1)砖基础。砖基础取材容易、施工简便、价格低廉，广泛应用于六层及六层以下的民用房屋中。砖基础具有一定的抗压强度但抗拉和抗剪强度较低，抗冻性能也较差。《砌体结构设计规范》(GB5003—2001)规定了砖石砌块基础地面以下或防潮层以下及潮湿房间墙体所有材料的最低强度等级，如表17-13所示。砖基础的剖面呈阶梯状，这个阶梯称为大放脚。大放脚从垫层上开始砌筑，为保证其刚度应为两皮砖一收，具体构造要求如图17.8所示。图17.8砖基础基础的类型及选用表17-13地面以下或防潮层以下及潮湿房间墙体所有材料的最低强度等级(2)毛石基础。毛石基础用于石料取材容易、价格相对便宜的地方。毛石基础用强度较高又未风化的毛石砌筑。毛石是指未经加工整理的石料，其石料及砌筑砂浆的最低强度等级应满足表17-13的要求。毛石基础的宽度和每阶台阶高度不宜小于400mm；为保证锁结力，每一阶梯宜用两排或三排块石砌筑且每个台阶外伸宽度不宜大于200mm，具体构造要求如图17.9所示。基础应竖砌、错缝、缝内砂浆饱满。图17.9毛石基础(3)灰土基础。灰土基础适用于五层和五层以下，地下水位较低的民用混合结构房屋和用墙承重的轻型厂房。灰土是用经过熟化后的石灰粉和粘性土(以粉质粘土为宜)按一定比例加适量的水拌合分层夯实而成的。其配合比为3∶7或2∶8。一般多采用三步灰土，即分三步夯实，夯实后总厚度为450mm。(4)三合土基础。三合土基础在我国南方地区应用较为广泛，它的优点是施工简单，造价低廉；但其强度较低，故这种基础只宜用于地下水位较低、不超过四层的民用混合结构房屋。三合土基础是用石灰、砂与骨料(碎石、碎砖、矿渣)加入适当的水经充分拌合后，均匀铺入基槽内，并分层夯实而成(虚铺220mm，夯至150mm为一步)，然后在它上面砌砖大放脚。石灰、砂及碎砖三合土的体积配合比为l∶2∶4或1∶3∶6。三合土的强度和骨料种类有关：矿渣由于有水硬性最好、碎砖次之、碎石因不易夯打而质量较差。(5)混凝土和毛石混凝土基础。当荷载较大时，常用混凝土基础。混凝土基础的强度、耐久性、抗冻性都较好但因水泥用量较大，造价比砖、毛石基础高。为节约水泥用量，可在混凝土内掺入25%～30%体积的毛石(毛石尺寸大小不宜超过300mm)即为毛石混凝土基础。以上五种类型基础有个共同的弱点，就是没有配置钢筋，其组成材料的抗拉、抗弯强度都较低。在地基反力作用下，基础下部的扩大部分像悬臂梁一样要向上弯曲，如果悬臂过长，则易产生弯曲裂缝。因此，需要限制台阶宽高比的容许值以保证基础的强度安全。悬臂长度只要符合宽高比的规定，就不会发生弯曲破坏，这类基础统称刚性基础，又称无筋扩展基础。基础的类型及选用无筋扩展基础台阶宽高比的允许值见表17-14。(6)钢筋混凝土基础。钢筋混凝土基础应用广泛，常用于上部结构荷载大或地基条件不好的建筑结构和各种高层结构的各种基础中。钢筋混凝土基础具有良好的抗弯抗剪性能，强度大，故在相同宽度的情况下高度远小于刚性基础；还有抗冻防潮适用面广的优点但造价较高。相对于刚性基础而言，钢筋混凝土基础又称为柔性基础或弹性基础。基础的类型及选用表17-14无筋扩展基础台阶宽高比的允许值基础的类型及选用3.按构造分类

1)单独基础(1)柱下单独基础。柱基础的主要类型之一是单独基础。若柱的材料是钢筋混凝土或钢；则基础材料多为混凝土或钢筋混凝土。荷载不大时，可用砖石材料基础。柱下现浇钢筋混凝土单独基础的竖截面可做成阶梯形或锥形，如图17.10(a)，图17.10(b)所示；预制的柱下单独基础一般做成杯形，如图17.10(c)所示。(2)墙下单独基础。上部结构荷载不大但基础需要跨越障碍或深埋时，采用墙下单独基础，基础顶面应架设钢筋混凝土过梁，其跨度一般为4m～5m。2)条形基础(1)墙下条形基础。条形基础是墙基础的主要类型，常用砖石材料建造，必要时可用钢筋混凝土制成，后者又分为有肋式和无肋式两种，如图17.11所示。图17.10柱下单独基础图17.11墙下钢筋混凝土条形基础(2)柱下条形基础。当荷载较大而地基软弱时，采用柱下单独基础会使基底面积过大，这时可将同一排(条)柱的基础连通做成钢筋混凝土条形基础，如图17.12所示。(3)柱下十字交叉基础。当荷载更大而地基相对更软弱时，可在柱网的纵、横两个方向都设置钢筋混凝土条形基础连成柱下十字交叉基础以提高基础的承载力、刚度和整体性，减少基础的不均匀沉降，如图17.13所示。基础的类型及选用图17.12柱下钢筋混凝土条形基础图17.13柱下十字形基础(4)筏形基础。若地基特别软弱荷载又很大，用十字交叉基础也不能满足要求时，可采用筏形基础。筏形基础以整个房屋下大面积的筏片与地基接触，因而可以传递较大的上部荷载，筏形基础的整体性较好，能调整各部分的不均匀沉降。它可以做成倒置的肋形楼盖的形式如图17.14所示；也可以做成倒置的无梁楼盖的形式。后者板厚较大，用料多，刚度较前者差，但施工方便；前者则折算厚度小，用料省，刚度好，但施工麻烦且费模板。国外以厚平板式筏形基础应用居多，厚度常达2m～3m，它有利于降低整个房屋重心和提高抗倾覆能力，但也将较多地增加地基的负担，尤其是对软弱地基不利。当房屋层数较少时宜采用倒置无梁楼盖式筏形基础，我国此种基础采用较多。基础的类型及选用图17.14筏形基础(6)桩基础。当上部结构荷载太大且浅层地基软弱又不宜采用地基处理、或坚实土层距基础底面较深、采用其他基础型式可能导致沉降过大而不能满足地基变形与强度要求时，必须利用地基下部深层较坚硬的土层作为持力层而设计成桩基。桩基础由承台和桩身两部分组成，桩基础的作用是将上部结构的荷载通过桩身与桩尖传至深层较坚硬的地层中，故桩基础能承受较大的荷载，能减少建筑物不均匀沉降，而且对地基土有挤密作用。桩基础是一种最常用的深基础，它承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、抗震和抗振性能好、便于机械化施工、适应性强，在高层建筑、动力设备基础、桥梁及港口工程中应用极为广泛。它是一种发展迅速的深基础，桩基础的分类见以下17.5节中的内容。基础的类型及选用图17.15箱形基础(7)其他基础。其他的基础有壳体基础、岩层锚杆基础、沉井基础、地下连续墙、墩基础、沉箱基础等。沉井和沉箱基础多用于工业建筑、桥梁和地下构筑物；与大开挖相比，它具有挖土量少、施工方便、占地少和对邻近建筑物影响较小等优点。沉箱是将压缩空气压入一个特殊的沉箱室内以排除地下水，工作人员在沉箱内操作，比较容易排除障碍物，使沉箱顺利下沉。目前可达地下水位以下35m～40m的深度。地下连续墙是近代发展起来的一种新的基础型式，具有无噪声、无振动、对周围建筑物影响小，并有节约土方量、缩短工期、安全等优点。基础的类型及选用柱下钢筋混凝土独立基础设计基础设计前，必须对场地的地基情况进行勘察调查，确定地基承载力及有关物理、力学性质指标；根据上部结构资料计算作用在基础上的荷载；按前面17.2.2中的要求确定基础埋深；并按地基承载力初步确定基础底面尺寸；有必要时进行地基变形及稳定性的验算。最后根据作用在基础底面上的地基反力和材料强度等级确定基础的构造尺寸和配筋计算。1.地基基础设计的一般要求(1)地基与基础设计的内容和要求与建筑物的安全等级有关。根据地基损坏造成建筑物破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、造成社会影响及修复的可能性)的严重性，将建筑物地基基础设计等级分为三个等级，见表17-10。(2)为了保证建筑物的安全与正常使用，根据建筑物的等级和长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应按下列要求进行：①所有基础设计均应进行地基承载力计算。②设计等级为甲级、乙级的建筑物还应进行地基变形计算。③表17-10所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作地基变形验算，如有下列情况之一时则应作地基变形验算。柱下钢筋混凝土独立基础设计地基承载力特征值小于130kPa且体型复杂的建筑；在基础上及附近有地面堆载或相邻基础荷载相差较大可能引起地基产生过大的不均匀沉降时；软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时；邻近建筑相距太近可能发生倾斜时；地基内有厚度较大或厚薄不匀的填土自重固结未完成时。④对经常受水平荷载作用的高层建筑和高耸结构、挡土墙，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性。⑤基坑工程应进行稳定性验算。⑥当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。2.天然地基上柱下钢筋混凝土独立基础设计的内容与步骤(1)选择基础的类型、材料，并进行平面布置。(2)选择基础的埋置深度。(3)确定地基的承载力。(4)根据地基承载力、作用于基础上的荷载，计算基础的底面尺寸，必要时进行地基软弱下卧层强度验算。(5)必要时进行地基变形和稳定性验算。(6)基础结构计算及构造设计。(7)绘制基础施工图。柱下钢筋混凝土独立基础设计以上内容与步骤有的已在前面讨论过，因此这里主要研究基础底面尺寸的确定和基础的构造要求。3.确定基础底面尺寸选择基础类型和埋深后，可根据修正后的地基承载力特征值计算基础底面尺寸。基础底面积的大小应保证作用在基础底面上的平均应力小于或等于地基承载力的设计值。基础按受力情况分为轴心受压基础和偏心受压基础。1)轴心荷载作用下的基础由图17.16所示，基础底面的压力，可按下列公式确定：式中，pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值，单位为kPa；Fk——相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值,单位为kN；Gk——基础自重和基础上的土重，单位为kN；A——基础底面面积，单位为m2。图17.16中心荷载作用下的基础(17-25)柱下钢筋混凝土独立基础设计基础底面的压力，应符合下式要求，即地基不发生强度破坏：式中，pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值，单位为kPa；fa——修正后的地基承载力特征值，单位为kPa。由式(17-25)、式(17-26)及可得(17-26)式中，——基础的平均埋深。通常轴心荷载作用下采用方形基础。2)偏心荷载作用下的基础由图17.17所示，基础底面边缘的最大最小压力，可由下式确定：图17.17单向偏心荷载(17-28b)(17-28a)(17-27)柱下钢筋混凝土独立基础设计式中，Mk——相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值，单位为kN•m；W——基础底面的抵抗矩，，单位为m3；Pkmax、Pkmin——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大、最小压力值，为kPa。当偏心距时，部分基础底面与地基之间是脱离的，这时，Pkmax应按下式计算：式中，l——力矩作用方向的基础底面边长，单位为m；a——合力作用点至基础底面最大压力Pkmax作用边缘的距离，单位为m。a=l/2－ek

ek——偏心距，，单位为m。偏心荷载作用时，基础底面的压力尚应符合下列要求：式中，Pkmax—相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值，kPa。(17-29)(17-31)(17-30)柱下钢筋混凝土独立基础设计上式中将地基承载力设计值提高20%的原因，是因为Pkmax只是在基础边缘的局部范围内出现，而且Pkmax中的大部分是由活荷载而不是恒荷载产生的。确定偏心受压基础底面尺寸一般采用试算法：先按轴心受压基础所需的底面面积增大10%～40%，初步选定长短边尺寸；然后验算是否满足式(17-30)、式(17-31)的要求。如不符合，则需另行假定基底尺寸和重算，直至满足。4.确定基础高度如基础的高度(或阶梯高度)不足时，则沿着柱周边(或变阶处周边)产生冲切破坏，形成45°斜裂面的角锥体。因此，冲切破坏锥体以外地基反力产生的冲切力应小于混凝土基础在冲切面处的抗冲切力，故对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力。5.基础底板配筋计算基础底板的配筋，应按钢筋混凝土抗弯计算确定。验算基础高度和底板配筋时，应用扣除了基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力来计算，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力。柱下钢筋混凝土独立基础设计6.构造要求(1)基础的边缘高度。基础的边缘高度不宜小于200mm，阶梯形基础每阶的高度宜为300mm～500mm。(2)基底垫层。通常在底板下面浇筑一层素混凝土垫层，其厚度不宜小于70mm，垫层混凝土强度等级应为C10。通常采用100mm厚的C10素混凝土垫层，两边各伸出基础100mm。(3)钢筋底板受力钢筋直径不应小于10mm，间距不大于200mm，也不宜小于100mm；当柱下钢筋混凝土独立基础的边长大于或等于2.5m时，钢筋长度可减短10%并宜均匀交错布置。底板钢筋的保护层，当有垫层时不小于40mm；无垫层时不小于70mm。(4)基础混凝土强度等级不应低于C20。另外，当扩展基础的混凝土强度等级小于柱的混凝土强度等级时，尚应验算柱下扩展基础顶面的局部受压承载力。

【例17.3】在某粘性持力层上欲修建一钢筋混凝土柱基础。柱截面为300mm×400mm，作用在基础顶面处的相应于荷载效应标准组合上部结构传来的轴心荷载为800kN，弯矩值为100kN·m，水平荷载为13kN，如图17.18所示。粘性土重度，孔隙比e=0.7，液性指数IL=0.78，地基承载力特征值fak=230kPa，试计算基础底面尺寸。柱下钢筋混凝土独立基础设计解(1)修正后的地基土承载力特征值。查表17-11得：ηb=0.3，ηd=1.6，先假设b<3m，故只对基础埋置深度修正。(2)先按轴心受压估算基础底面积计算基础和回填土重时的埋深图17.18例17.3图(3)考虑偏心，将基础底面增大10%取矩形基础底板长短边之比：l/b=1.5故有：柱下钢筋混凝土独立基础设计取 b=1.7m＜3m,不需再进行基础宽度修正。l=1.5b=2.55m取l=2.6m (4)验算持力层地基土承载力基础和回填土重： 偏心距：

基底最大最小土压力：

故基础底面尺寸取b=1.7m，l=2.6m符合设计要求。桩基础设计桩基础是在高层建筑、桥梁、港口工程和动力基础中应用极为广泛，发展极为迅速的一种深基础。一、桩的类型(1)摩擦型桩①摩擦桩，在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受。②端承摩擦桩，在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受。(2)端承型桩①端承桩，在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受。②摩擦端承桩，在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受。1.按承载性状分类(1)预制桩。预制桩是在工厂或施工现场预先将桩制作好，就位后用打入、振入、压入等方式将桩沉入土中。预制桩刚度好，适用于新填土或较软弱的地基中。预制桩常用的截面形式有圆形和方形两种，预制桩分为钢筋混凝土桩、钢桩和木桩。预制桩的沉桩方法有：锤击法、振动法、射水法、压桩法等，应根据地基土层的特点选择沉桩方法。2.按施工方法分类桩基础设计(2)灌注桩。灌注桩是在施工现场预定的桩位上先用人工或机器成孔，然后在孔内设置钢筋笼，再灌注混凝土成桩。因成孔的方法不同，又可分为以下几种：打入式灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、爆扩桩等。①沉管灌注桩利用锤击、静压或振动等方法将带有预制桩尖或活瓣管尖的钢管沉入土中成孔，再在钢管中放入钢筋笼、灌入混凝土后接着边振动边拔出钢管。如图17.19所示，沉管灌注桩的桩径一般为300mm～600mm，长度不超过25m。它的施工方法和设备简单、施工速度快、用钢少价格也较低，因而应用广泛。但是会引起噪音、振动和挤土等环境问题；也有易断桩、缩颈、夹泥、混凝土离析和强度偏低等各种质量问题。解决方法有加大桩距和进行复打。复打指第一次浇注混凝土时不吊入钢筋笼而是浇完后在原位再次沉管、吊入钢筋笼、第二次浇注混凝土成桩。图17.19沉管灌注桩施工流程图说明：(a)打桩机就位；(b)沉管；(c)浇灌混凝土；(d)边拔管边震动；(e)安放钢筋笼，继续浇灌混凝土；(f)成型桩基础设计②大孔径灌注桩常采用人工挖孔，孔的内径一般不得小于0.8m以便于人工操作。为避免塌孔，每挖1m深左右，安好一截砖或钢筋混凝土做的护壁，如图17.20所示。桩的深度挖到位后，再扩桩形成大头，如图17.21所示。人工挖孔桩的优点是：可直接观察土层情况、孔底易清理故质量有保证；设备简单、无振动和噪音、价格低廉等。③爆扩桩是在施工现场先用钻机成孔，再放入炸药浇入第一次混凝土，约半小时后，炸药在孔底炸出一个混凝土球体，最后再浇入第二次混凝土成桩，如图17.22所示。图17.20人工挖孔桩护壁图17.22爆扩桩图17.21人工挖孔桩大头桩基础设计(1)混凝土和钢筋混凝土桩：灌注桩、预制桩。(2)钢桩。(3)组合材料桩。3.按桩身材料分类(1)非挤土桩：干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法。(2)部分挤土桩：部分挤土灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩。(3)挤土桩：挤土灌注桩、挤土预制桩(打入或静压)。4.按成桩方法分类(1)小桩d≤250mm。(2)中等直径桩250mm＜d＜800mm。(3)大直径桩d≥800mm。d为桩身设计直径。5.按桩径大小分类桩基础设计(1)竖向抗压桩(抗压桩)。(2)竖向抗拔桩(抗拔桩)。(3)水平受荷桩(主要承受水平荷载)。(4)复合受荷桩(竖向、水平荷载均较大)。6.按桩的使用功能分类将承台高于或低于地面的桩分别称为高、低承台桩。前者多用于桥梁和港口工程；后者则广泛用于工业和民用建筑工程。7.按承台与地面的相对位置分类二、单桩承载力特征值桩基础由承台和桩群组成。桩群中的单桩称为基桩。若荷载较大，由2根以上基桩组成的桩基础称为群桩基础。有时采用一根桩(通常为大直径桩)来承受上部结构荷载，这种桩基础称为单桩基础。桩基础设计单桩竖向承载力是指桩在竖向荷载下不丧失稳定不发生过大变形的前提下能承受的最大荷载。桩基主要有两种破坏形式：桩身破坏和支承地基土的破坏。前者又分为桩身强度破坏或受压屈曲失稳破坏；后者又分为地基土沉降过大或整体剪切破坏。单桩竖向承载力主要取决于地基土对桩的支承能力和桩身的材料强度。一般情况下由前者控制，只有对端承桩、超长桩以及桩身质量有问题时，后者才起控制作用。桩身强度应满足桩的承载力设计要求。计算中应按桩的类型和成桩工艺的不同将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以工作条件系数ψc，桩身强度应符合下式要求：桩轴心受压时

Q≤Apfcψc1.按材料强度确定单桩承载力式中，fc——混凝土轴心抗压强度设计值；Q——相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值；Ap——桩身横截面积；ψc——工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.6～0.7(水下灌注桩或长桩时用低值)。(17-32)桩基础设计(1)单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根。当桩端持力层为密实砂卵石或其他承载力类似的土层时，对单桩承载力很高的大直径端承型桩，可采用深层平板载荷试验确定桩端土的承载力特征值。(2)地基基础设计等级为丙级的建筑物，可采用静力触探及标贯试验确定。(3)初步设计时单桩竖向承载力特征值可按式(17-33)估算。2.确定单桩竖向承载力特征值式中，Ra——单桩竖向承载力特征值，单位为kN；qpa、qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得；Ap——桩底端横截面面积，单位为m2；μp——桩身周边长度，单位为m；li——第i层岩土的厚度，单位为m。(17-33)桩基础设计当桩端勘入完整或较完整的硬质岩中时，可按下式估算单桩竖向承载力特征值：Ra＝qpaAp

式中，qpa——桩端岩石承载力特征值。(4)嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内应无软弱夹层，断裂破碎带和洞穴分布；并应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。桩端岩石承载力特征值，当桩端无沉渣时，应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值和岩基载荷试验确定。(17-34)(1)单桩水平承载力特征值取决于桩的材料强度、截面刚度、入土深度、土质条件、桩顶水平位移允许值和桩顶嵌固情况等因素，应通过现场水平载荷试验确定，必要时可进行带承台桩的载荷试验，试验宜采用慢速维持荷载法。(2)当作用于桩基上和外力主要为水平力时，应根据使用要求对桩顶变位的限制，对桩基的水平承载力进行验算。当外力作用面的桩距较大时，桩基的水平承载力可视为各单桩的水平承载力的总和。当承台侧面的土未经扰动或回填密实时，应计算土抗力的作用；当水平推力较大时，宜设置斜桩。3.确定单桩水平承载力特征值桩基础设计桩基极限状态分为下列两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。根据桩基损坏造成建筑物的破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响)的严重性，将桩基分为三个安全等级。桩基设计时应选用适当的安全等级。所有桩基均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容包括：(1)据桩基的使用功能和受力特征进行桩基的竖向(抗压或抗拔)承载力计算和水平承载力计算；对于某些条件下的群桩基础宜考虑由桩群、土、承台相互作用产生的承载力群桩效应。(2)对桩身及承台承载力进行计算；对于桩身露出地面或桩侧为可液化土、极限承载力小于50kPa(或不排水抗剪强度小于10kPa)土层中的细长桩尚应进行桩身压屈验算；对混凝土预制桩尚应按施工阶段的吊装、运输和锤击作用进行强度验算。(3)当桩端平面以下存在软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的承载力。(4)对位于坡地、岸边的桩基应验算整体稳定性。(5)按现行《建筑抗震设计规范》规定应进行抗震验算的桩基，应验算抗震承载力。4.当桩基承受拔力时，应对桩基进行抗拔验算及桩身抗裂验算三、桩基础设计1.桩基设计原则桩基础设计(1)选择桩型和几何尺寸，初步选择承台底面的标高。(2)确定单桩承载力。(3)确定桩数及其布置。(4)验算各单桩的承载力和沉降。(5)桩身结构设计。(6)承台设计。(7)绘制桩基施工图。2.桩基础设计的一般步骤(1)选择桩的类型时应综合考虑上部结构荷载的大小、性质、工程地质和水文地质条件、施工条件、造价、对周边环境的影响等因素，确定预制桩或灌注桩的类别、桩身截面尺寸和形状、长度及桩端持力层。(2)决定桩长时，一般应选择较硬土层作为桩端持力层。3.选择桩的类型、确定桩的长度和承台底面标高桩基础设计①桩端全断面进入持力层的深度，根据地质条件，荷载及施工工艺确定，宜为桩身直径的1～3倍。在确定桩底进入持力层深度时，尚应考虑特殊土，岩溶以及震陷液化等影响。对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂土不宜小于1.5d，碎石类土，不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于4d(d为桩径)。②嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化，微风化，中风化硬质岩体的最小深度，不宜小于0.5m。③当硬持力层较厚且施工条件许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。(3)选择承台底面标高，主要考虑上部建筑物的使用要求、季节性冻土及施工条件。1)确定桩的数量根据单桩承载力和上部结构传来的荷载，可定出桩数。2)桩的间距(1)摩擦型桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍；扩底灌注桩的中心距不宜小于扩底直径的1.5倍，当扩底直径大于2m时，桩端净距不宜小于1m。在确定桩距时尚应考虑施工工艺中挤土等效应对邻近桩的影响。4.确定桩的数量和布置桩基础设计(2)桩的最小中心距应符合表17-15和表17-16的要求。表17-15桩的最小中心距表17-16灌注桩扩大端的最小中心距桩基础设计3)桩的平面布置(1)排列基桩时，宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合以使各桩受力均匀，各桩宜布置在承台外围以加大桩基抵抗弯矩的能力，如图17.23所示。图17.23桩位布置图