土木工程概论课件：基础工程

基础工程3.1岩土工程勘察3.2地基与基础3.3地基处理技术思考题

3.1岩土工程勘察

岩土工程(GeotechnicalEngineering)是欧美国家于20世纪60年代在土木工程实践中建立起来的一种新的技术体制，它是以工程地质学、土力学、岩体力学和基础工程学为理论基础，解决工程建设中出现的与工程岩土体有关的工程技术问题的一门学科。它既是地质与工程紧密结合的新兴学科，又是介于土木工程和工程地质学两门学科间的边缘学科，总体来看属于土木工程范畴。

岩土工程勘察(Geotechnicalinvestigation)工作就是综合运用各种勘察手段和技术方法，有效地查明建筑场地的工程地质条件，分析评价建筑场地可能出现的岩土工程问题，对场地地基的稳定性和适宜性做出评价，为工程建设规划、设计、施工和正常使用提供可靠的地质依据，其目的是充分利用有利的自然地质条件，避开或改造不利的地质因素，保证工程建筑物的安全稳定、经济合理和正常使用。岩土工程勘察工作是设计和施工的基础。

3.1.1岩土工程勘察的目的与任务

岩土工程勘察的目的是为查明并评价工程场地岩土技术条件和它们与工程之间关系。内容包括工程地质测绘与调查、勘探与取样、室内试验与原位测试、检验与监测、分析与评价、编写勘察报告等项工作，以保证工程的稳定、经济和正常使用。

岩土工程勘察的基本任务是按照建筑物或构筑物不同勘察阶段的要求，为工程的设计、施工以及岩土体治理加固、开挖支护和降水等工程提供地质资料和必要的技术参数，对有关的岩土工程问题作出论证、评价。其具体任务如下：

(1)阐述建筑场地的工程地质条件，指出场地内不良地质现象的发育情况及其对工程建设的影响，对场地稳定性作出评价。

(2)查明工程范围内岩土体的分布、性状和地下水活动条件，提供设计、施工和整治所需的地质资料和岩土技术参数。

(3)分析、研究有关的岩土工程问题，并作出评价结论。

(4)对场地内建筑总平面布置、各类岩土工程设计、岩土体加固处理、不良地质现象整治等具体方案作出论证和建议。

(5)预测工程施工和运行过程中对地质环境和周围建筑物的影响，并提出保护措施的建议。

3.1.2岩土工程勘察等级

勘察等级划分对确定勘察工作内容、选择勘察方法及确定勘察工作量投入多少具有重要的指导意义。岩土工程勘察等级划分，是为了勘察工作量的布置。显然，工程规模较大或较重要、场地地质条件以及岩土体分布和性状较复杂者，所投入的勘察工作量就较大，反之则较小。

岩土工程勘察的等级应根据工程重要性等级、场地复杂程度等级和地基的复杂程度等级三项因素综合决定。首先应分别对三项因素进行分级，在此基础上进行综合分析，以确定岩土工程勘察的等级划分。

1．工程重要性等级

工程重要性等级是根据由于工程岩土体或结构失稳破坏，导致建筑物破坏而造成生命财产损失、社会影响及修复可能性等后果的严重性来划分的，可划分为三个等级，如表3-1所示。

工程重要性等级划分，由于涉及各行各业(房屋建筑、地下洞室、电厂及其他工业建筑、废弃物处理等工程)，很难做出统一的划分标准。对于不同类型的工程来说，应根据工程的规模和重要性具体划分，一般均可划分为三级，如表3-2所示。

2．场地复杂程度等级

场地复杂程度等级根据建筑抗震稳定性、不良地质作用发育情况、地质环境破坏程度、地形地貌条件和地下水条件等五个方面综合考虑，一般也划分为三个等级，如表3-3所示。

3．地基复杂程度等级

根据地基复杂程度，可划分为如下三个地基等级：

1)一级地基(复杂地基)

符合下列条件之一者即为一级地基：

(1)岩土种类多，很不均匀，性质变化大，地下水对工程影响大，且需特殊处理；

(2)多年冻土及严重湿陷、膨胀、盐渍、污染严重的特殊性岩土以及其他情况复杂、对工程影响大、需作专门处理的岩土；变化复杂，同一场地上存在多种的或强烈程度不同的特殊性岩土也属之。

2)二级地基(较复杂地基)

符合下列条件之一者即为二级地基：

(1)岩土种类较多，不均匀，性质变化较大，地下水对工程有不利影响；

(2)除上述规定之外的特殊性岩土。

3)三级地基(简单地基)

符合下列条件者即为三级地基：

(1)岩土种类单一，均匀，性质变化不大，地下水对工程无影响；

(2)无特殊性岩土。

4．岩土工程勘察等级

综合考虑工程重要性、场地复杂程度和地基的复杂程度三项因素，可将岩土工程勘察等级划分为甲、乙、丙三个等级，如表3-4所示。

3.1.3岩土工程勘察阶段

重大的工程建设岩土工程勘察宜分阶段进行，各勘察阶段应与设计阶段相适应。

1．勘察阶段划分

我国实行四阶段体制，与国际通用体制相同。即规划阶段、初步设计、技术设计、施工设计与施工。不同部门各阶段名称有所不同，铁道部门各阶段分别为草测、初测、详测、定测；水电部门各阶段分别为规划、可行性研究、初步设计、技施设计、运行；城建部门各阶段分别为总体规划、详细规划、初步设计、技术设计、施工设计与施工。

2．岩土工程勘察阶段

1)可行性研究勘察(选址勘察)

进行可行性研究勘察时应对拟建场地的稳定性和适宜性做出评价，并应符合下列要求：

(1)搜集区域地质、地形地貌、矿产、地震、当地的工程地质和岩土工程等资料；

(2)踏勘了解场地的地层、构造、岩性、不良地质作用和地下水等工程地质条件；

(3)当拟建场地工程地质条件复杂，已有资料不能满足要求时，应根据具体情况进行工程地质测绘和必要的勘探工作；

(4)当有两个或两个以上拟选场地时，应进行对比分析。

．

2)初步勘察

在进行初步勘察时应对场地内拟建建筑地段的稳定性做出评价，主要工作如下：

(1)搜集拟建工程的有关文件、工程地质和岩土工程资料以及工程场地地形图；

(2)初步查明地质构造、地层结构、岩土工程特性、地下水埋藏条件；

(3)查明场地不良地质作用的成因、分布、规模，并对场地的稳定性做出评价；

(4)对抗震设防烈度≥6度的场地，应对场地和地基的地震效应做出初步评价；

(5)对于季节性冻土地区，应调查场地土的标准冻结深

度；

(6)初步判定水和土对建筑材料的腐蚀性；

(7)对高层建筑进行初步勘察时，应对可能采取的地基基础类型、基坑开挖与支护、工程降水方案进行初步分析评价。

3)详细勘察

当进行详细勘察时应按建筑类型(单体建筑物或建筑群)提出详细的岩土工程资料和设计、施工所需的岩土参数；对建筑地基做出岩土工程评价，并对地基类型、基础形式、地基处理、基坑支护、工程降水和不良地质作用的防治等提出建议。

在复杂地质条件、膨胀岩土、风化岩、湿陷性土和残积土地区，宜适量布置探井。

(1)详细勘察的勘探点间距可根据地基复杂程度等级按表3-5确定。

(2)勘探点的布置方式和规定如下：

①勘探点宜按建筑物周边线和角点布置，对无特殊要求的其他建筑物可按建筑物或建筑群的范围布置。

②同一建筑范围内的主要受力层或有影响的下卧层起伏较大时，应加密勘探点，查明其变化。

(3)勘探孔的深度：勘探孔的深度自基础底面算起。应符合下列规定：

①勘探孔的深度应能控制地基主要受力层，当基础底面宽度≤5 m时，勘探孔的深度应大于条形基础底面宽度的3倍或单独柱基的1.5倍，且不应小于5 m。

②对高层建筑和需作变形计算的地基，控制性勘探孔的深度应超过地基变形计算深度；其一般性勘探孔应达到基底下5～10倍的基础宽度，并深入稳定分布的地层。

③对仅有地下室的建筑或高层建筑的裙房，控制性勘探孔的深度可适当减小，但应深入稳定分布地层。当不能满足抗浮设计要求，需设置抗浮桩或锚杆时，勘探孔深度应满足抗拔承载力评价的要求。

④当有大面积地面堆载或软弱下卧层时，应适当加深控制性勘探孔的深度。

⑤在上述规定深度内当遇基岩或厚层碎石土等稳定地层时，勘探孔深度应根据情况进行调整。

4)施工勘察

施工勘察不作为一个固定阶段，视工程的实际需要而定，对条件复杂或有特殊施工要求的重大工程地基，需进行施工勘察。施工勘察包括施工阶段的勘察和施工后一些必要的勘察工作，检验地基加固效果。

3.1.4岩土工程勘察方法

1．工程地质测绘

工程地质测绘是岩土工程勘察的基础工作，一般在勘察的初期阶段进行。这一方法的本质是运用地质、工程地质理论，对地面的地质现象进行观察和描述，分析其性质和规律，并藉以推断地下地质情况，为勘探、测试工作等其他勘察方法提供依据。在地形地貌和地质条件较复杂的场地，必须进行工程地质测绘；但对地形平坦、地质条件简单且较狭小的场地，则可采用调查代替工程地质测绘。工程地质测绘是认识场地工程地质条件最经济、最有效的方法，高质量的测绘工作能相当准确地推断地下地质情况，起到有效地指导其他勘察方法的作用。

2．勘探与取样

勘探工作包括钻探、掘探和物探等各种方法。它是被用来调查地下地质情况的，并且可利用勘探工程取样进行原位测试和监测。应根据勘察目的及岩土的特性选用上述各种勘探方法。

1)钻探

钻探是采用钻探机具向地下钻孔获取地下资料的一种应用最广的勘探方法。

钻探的钻进方式可以分为回转式、冲击式、振动式、冲洗式四种。每种钻进方法各有独自特点，分别适用于不同的地层。其中回转式用得最多，回转式又分为螺旋钻探和岩芯钻探等。

在地基勘察中，对岩土的钻探有如下具体要求：

(1)非连续取芯钻进的回次进尺，对螺旋钻探应在1 m以内，对岩芯钻探应在2 m以内，钻进深度、岩土分层深度的量测误差范围应为±0.05 m。

(2)对鉴别地层天然湿度的钻孔，在地下水位以上应进行干钻。

(3)岩芯钻探的岩芯采取率，对一般岩石不应低于80%，对破碎岩石不应低于65%。

2)掘探

掘探是在建筑场地或地基内挖掘探坑、探槽、探井等进行勘探的方法。这种方法能直接观察到地质情况，取得较准确的地质资料，同时还可利用这种坑、井，进行取样或原位试验。

探坑、探井采用直径0.8～1.0m圆形断面或1.0 m×1.2 m矩形断面。掘进中，应对坑、井壁进行支护以防止垮塌，确保施工安全。

在掘进过程中应详细记录，如编号、位置、标高、尺寸、深度等，描述岩土性状及地质界线，在指定的深度取样。整理资料时，绘出柱状图或展视图。

3)物探

物探是地球物理勘探的简称，该方法是利用仪器在地面、空中、水上或钻孔内测量物理场的分布情况，通过对测得的数据进行分析判断，并结合有关的地质资料推断地质体性状的勘探方法，它是一种间接勘探方法。如果作为钻探的先行手段，可以了解隐蔽的地质界线、界面或异常点；如作为钻探辅助手段，在钻孔之间增加物探点，可以为钻探成果的内插、外延提供依据。

物探比钻探和掘探更轻便、经济和迅速，能够及时解决工程地质测绘中难于推断而又急待了解的地下地质情况，所以常常与测绘工作配合使用。它又可作为钻探和掘探的先行或辅助手段。

但是，物探成果判释往往具有多解性，又受地形条件等的限制，其成果需用勘探工程来验证。

勘探工程一般都需要动用机械和动力设备，耗费人力、物力较多，有些勘探工程施工周期又较长，而且受到许多条件的限制。因此使用这种方法时应具有经济观点，布置勘探工程需要以工程地质测绘和物探成果为依据，切避盲目性和随意性。

4)取样

(1)土样的采取。

土样有扰动的和不扰动的两种。扰动土样的原状结构已被破坏，只能用来测定土的颗粒成分、含水量、可塑性及定名等。不扰动土样(又称原状土样)是指土的原始应力状态虽已改变，但其结构、密度和含水量变化很小的土样，用来测求土的物理力学性质。土样受扰动的程度不同，所采用的试验也不同。

扰动土样的采取比较容易，可从探坑或钻孔中采取0.5～1.0 kg保持天然级配和湿度的土装入瓶内或塑袋内即可。

(2)岩石试样采取。

岩样一般在钻孔、探井内采取。在探井中取样时，不得采取受爆破影响的岩块作试样。同一组试样必须属于同一岩层和同一岩性。对于干缩湿胀和易风化的岩石，取样后立即密封。直剪试验的软弱夹层或裂隙岩体，取样时应防止剪切面受扰动。岩样应贴好标签，注明层位及方向。运输途中应防止受猛烈振动或被撞坏。

3．原位测试与室内试验

原位测试与室内试验的主要目的，是为岩土工程问题分析评价提供所需的技术参数，包括岩土的物性指标、强度参数、固结变形特性参数、渗透性参数和应力、应变时间关系的参数等。原位测试一般都藉助于勘探工程进行，是详细勘察阶段主要的一种勘察方法。

原位测试与室内试验相比，各有优缺点。原位测试的优点是：试样不脱离原来的环境，基本上在原位应力条件下进行试验；所测定的岩土体尺寸大，能反映宏观结构对岩土性质的影响，代表性好；试验周期较短，效率高；尤其对难以采样的岩土层仍能通过试验评定其工程性质。其缺点是：试验时的应力路径难以控制；边界条件也较复杂；有些试验耗费人力、物力较多，不可能大量进行。室内实验历史较久，其优点是：试验条件比较容易控制(边界条件明确，应力应变条件可以控制等)；可以大量取样。室内试验的缺点是：试样尺寸小，不能反映宏观结构和非均质性对岩土性质的影响，代表性差；试样不可能真正保持原状，而且有些岩土也很难取得原状试样。

4．现场检验与监测

现场检验与监测是构成岩土工程系统的一个重要环节，大量工作在施工和运营期间进行；但是这项工作一般需在高级勘察阶段开始实施，所以又被列为一种勘察方法。它的主要目的在于保证工程质量和安全，提高工程效益。现场检验，包括施工阶段对先前岩土工程勘察成果的验证核查以及岩土工程施工监理和质量控制。

现场监测则主要包含施工作用和各类荷载对岩土反应性状的监测、施工和运营中的结构物监测和对环境影响的监测等方面。检验与监测所获取的资料，可以反求出某些工程技术参数，并以此为依据及时修正设计，使之在技术和经济方面优化。此项工作主要是在施工期间内进行，但对有特殊要求的工程以及一些对工程有重要影响的不良地质现象，应在建筑物竣工运营期间继续进行。

3.1.5岩土工程勘察成果报告

勘察报告是岩土工程勘察的总结性文件，一般由文字报告和所附图表组成。此项工作是在岩土工程勘察过程中所形成的各种原始资料编录的基础上进行的。为了保证勘察报告的质量，原始资料必须真实、系统、完整。因此，对岩土工程分析所依据的一切原始资料，均应及时整编和检查。

1．报告的基本内容

岩土工程勘察报告的内容，应根据任务要求、勘察阶段、地质条件、工程特点等情况确定。

1)报告的内容

(1)委托单位、场地位置、工作简况，勘察的目的、要求和任务，以往的勘察工作及已有资料情况。

(2)勘察方法及勘察工作量布置，包括各项勘察工作的数量布置及依据，工程地质测绘、勘探、取样、室内试验、原位测试等方法的必要说明。

(3)场地工程地质条件分析，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质和不良地质现象等内容，对场地稳定性和适宜性作出评价。

(4)岩土参数的分析与选用，包括各项岩土性质指标的测试成果及其可靠性和适宜性，评价其变异性，提出其标准值。

(5)工程施工和运营期间可能发生的岩土工程问题的预测及监控、预防措施的建议。

(6)根据地质和岩土条件、工程结构特点及场地环境情况，提出地基基础方案、不良地质现象整治方案、开挖和边坡加固方案等岩土利用、整治和改造方案的建议，并进行技术经济论证。

(7)对建筑结构设计和监测工作的建议，工程施工和使用期间应注意的问题，下一步岩土工程勘察工作的建议等。

2)报告的内容结构

工程地质报告书既是工程地质勘察资料的综合、总结，具有一定科学价值，也是工程设计的地质依据。应明确回答工程设计所提出的问题，并应便于工程设计部门的应用。

报告书正文应简明扼要，但足以说明工作地区工程地质条件的特点，并对工程场地作出明确的工程地质评价(定性、定量)。报告由正文、附图、附件三部分组成。正文部分包括绪论、通论、专论和结论。

(1)绪论：说明勘察工作任务，要解决的问题，采用方法及取得的成果。并应附实际材料图及其他图表。

(2)通论：阐明工程地质条件、区域地质环境，论述重点在于阐明工程的可行性。通论在规划、初勘阶段中占有重要地位，随勘察阶段的深入，通论比重减少。

(3)专论：是报告书的中心，着重于工程地质问题的分析评价。对工程方案提出建设性论证意见，对地基改良提出合理措施。专论的深度和内容与勘察阶段有关。

(4)结论：在论证基础上，对各种具体问题作出简要、明确的回答。

2．报告应附的图表

1)报告应附图表类型

勘察报告应附必要的图表，主要包括以下几种：

(1)场地工程地质图(附勘察工程布置)。

(2)工程地质柱状图、剖面图或立体投影图。

(3)室内试验和原位测试成果图表。

(4)岩土利用、整治、改造方案的有关图表。

(5)岩土工程计算简图及计算成果图表。

2)工程地质图

工程地质图是工程地质工作全部成果的综合表达，工程地质图的质量标志着编图者对工程地质问题的预测水平，工程地质图是工程地质学家(技术人员)提供给规划、设计、施工和运行人员直接应用的主要资料，它对工程的布局、选址、设计及工程进展起到决定性的影响。

工程地质图一般包括平面图、剖面图、切面图、柱状图和立体图，并附有岩土物理力学性、水理性等定量指标。工程地质图除为规划设计使用外，还可为下一阶段的工程地质勘察工作的布置指出方向。

3．单项报告

除上述综合性岩土工程勘察报告外，也可根据任务要求提交单项报告，主要包括：

(1)岩土工程测试报告。

(2)岩土工程检验或监测报告。

(3)岩土工程事故调查与分析报告。

(4)岩土利用、整治或改造方案报告。

(5)专门岩土工程问题的技术咨询报告。

4．勘察报告的阅读与使用

首先应该熟悉勘察报告的内容，了解勘察结论和计算指标的可靠程度。把场地的工程地质条件与拟建建筑物具体情况和要求联系起来进行综合分析，充分利用有利的工程地质条件。使用勘察报告时要注意如下几点：

1)地基持力层的选择

通过勘察报告的阅读，在熟悉场地各土层的分布和性质(层次、状态；压缩性和抗剪强度、土层厚度，埋深及其均匀程度等)的基础上，初步选择适合上述结构特点和要求的土层作为持力层，经过试算或方案比较后作出最后决定。

2)场地稳定性的评价

地质条件复杂的地区，综合分析的首要任务是评价场地的稳定性，然后才是地基的强度和变形问题。

场地的地质构造(断层、褶皱等)、不良地质现象(滑坡、崩塌、岩溶、塌陷、泥石流等)、地层成层条件和地震等都会影响场地的稳定性。在勘察工作中必须查明其分布规律、具体条件、危害程度，从而划分稳定、较稳定和危险的地段。

在断层、向斜、背斜等构造地带和地震区修建建筑物，必须慎重对待，对于选址勘察中指明宜于避开的危险场地，则不宜进行建筑。但对于已判明为相对稳定的构造断裂地带，还是可以选作建筑场地的。

在不良地质现象发育且对场地稳定性有直接危害或潜在威胁的地区，如不得不在其中较为稳定的地段进行建筑，也须事先采取有力措施，防范于未然，以免中途改变场址或花费极高的处理费用。

3.2.1概述

任何建筑物(构筑物)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，受建筑物荷载影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础，如图3-1所示。地基与基础是保证建筑物安全和满足使用要求的关键。

3.2地

基

与

基

础图3-1地基与基础

地基可分为天然地基和人工地基。不需要进行处理可以直接设置基础的天然土层称为天然地基；而那些不能满足要求，需要进行人工加固处理的地基称为人工地基。

基础是连接上部结构与地基的结构构件，基础结构应符合上部结构使用要求。技术上合理以及施工方便，满足地基的承载能力和抗变形能力要求。基础按埋置深度和施工方式可分为浅基础和深基础。

1．浅基础

埋置深度不大(小于或相当于基础底面宽度，一般认为小于5 m)的基础称为浅基础。浅基础按结构形式分为独立基础、条形基础、十字交叉基础、筏板基础、箱形基础等。

2．深基础

当建筑物荷载较大且上层土质较差，采用浅基础无法承担建筑物荷载时需将基础埋置于较深的土层上，通过特殊的施工方法将建筑物荷载传递到较深土层的基础称为深基础。深基础可分为桩基础、墩基础、沉井基础和地下连续墙等。

3.2.2基础的形式

浅基础根据组成基础的材料可分为砖基础、毛石基础、混凝土基础、毛石混凝土基础、灰土基础、三合土基础、钢筋混凝土基础。其中，砖基础、毛石基础、混凝土基础、毛石混凝土基础、灰土基础、三合土基础都只适合于建造无筋扩展基础；钢筋混凝土基础适合扩展基础等更多的型式。

浅基础根据基础外形和结构形式可分为单独基础、条形基础、柱下交叉条形基础、筏板基础、箱形基础等。根据基础所用材料的性能可分为无筋基础(刚性基础)和钢筋混凝土基础(柔性基础)。

1．单独基础

单独基础又称独立基础，常见的形式为柱下单独基础，柱基础的最经济形式有无筋和配筋两种，如图3-2所示。当上层土质松散，而在不深处有较好的土层时，为了节省基础材料和减少开挖土方量将采用墙下单独基础的形式，如图3-3所示。

图3-2柱下单独基础图3-3墙下单独基础

2．条形基础

条形基础是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式(L > 10b)。

1)墙下条形基础

承重墙结构常采用此种基础形式，常用砖、毛石、三合土和灰土建造。当上部结构荷重较大而土质较差时，可采用混凝土或钢筋混凝土(分为板式和梁式)建造。墙下钢筋混凝土条形基础的构造如图3-4所示。

图3-4墙下钢筋混凝土条形基础

2)柱下条形基础

当地基较为软弱、柱荷载或地基压缩性分布不均匀，以至于采用扩展基础可能产生较大的不均匀沉降时，常将同一方向(或同一轴线)上若干柱子的基础连成一体而形成柱下条形基础，如图3-5所示。此种基础抗弯刚度大，具有调整不均匀沉降的能力。当基底面积受相邻建筑物或设备基础的限制无法扩展时；柱荷载差异大，以致基底面积扩大使其彼此接近或相碰时也将采用此种基础形式。

图3-5柱下条形基础

3．柱下交叉条形基础

如果地基软弱且在两个方向分布不均，需要基础在两个方向都具有一定的刚度来调整不均匀沉降，则可在柱网下沿纵横两向分别设置钢筋混凝土条形基础，从而形成柱下交叉条形基础，如图3-6所示。

图3-6柱下交叉条形基础

4．筏形基础

当柱下交叉条形基础底面积占建筑物平面面积的比例较大，或者建筑物有特殊要求时，可以在建筑物的柱、墙下方做成一块满堂的基础，即筏形(片筏)基础。筏形基础由于其底面积大，故可减小基底压力，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。筏形基础常用于框架、框剪、剪力墙、砌体结构，如图3-7所示。图3-7筏形基础

5．箱形基础

箱形基础是由钢筋混凝土的底板、顶板、外墙和内隔墙组成的有一定高度的整体空间结构，适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物，如图3-8所示。与筏形基础相比，箱形基础具有更大的抗弯刚度，只能产生大致均匀的沉降或整体倾斜，从而基本上消除了因地基变形而使建筑物开裂的可能性。因此，与一般实体基础相比，它能显著减小基底压力、降低基础沉降量。此外，箱形基础的抗震性能较好。

图3-8箱形基础

6．壳体基础

为了发挥混凝土抗压性能好的特性，可以将基础的形式做成壳体。壳体基础可用作柱基础和筒形构筑物（如烟囱、水塔、料仓、中小型高炉等）的基础，如图3-9所示。壳体基础的优点是省材料、造价低。据统计，中小型筒形构筑物的壳体基础，比一般梁、板式的钢筋混凝土基础少用混凝土30%～50%，节约钢筋30%以上。此外，一般情况下，施工时不必支模，土方挖运量较少。不过，由于较难实行机械化施工，因此其施工工期长，施工量大，技术要求高。图3-9壳体基础

3.2.3桩基础

桩基础是在高、重建筑工程中被广泛采用的基础形式，桩是设置在土层中的截面尺寸较其长度小得多的细长构件，桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成(如图3-10所示)，基桩为群桩基础中的单桩。

图3-10桩基础

桩基础的作用是将上部结构较大的荷载通过桩传递给桩周土层和较深的桩端土层中，以解决浅基础的地基承载力不足和变形较大的地基问题。

桩基础具有承载力高、沉降小而均匀等特点。它能承受竖向荷载，又能抵抗水平荷载和上拔力以及机器的振动或动力作用，同时又是抗地震液化的主要手段，已广泛应用于房屋建筑、桥梁、港口、水利等工程中。

桩基础按承台与地面相对位置不同一般有高承台桩基和低承台桩基之分。所谓低承台桩基，是指桩身全部埋于土中，承台底面与地基土接触的桩基；高承台桩基是指桩身上部露出地面而承台底与地面不接触的桩基。一般工业与民用建筑的桩基础绝大部分是低承台桩基。在码头、海洋石油钻井平台等工程中应用的是一种高承台桩基。

桩基础按桩身材料不同可分为木桩、素混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩。

桩基础按桩的制作方法不同可分为预制桩和灌注桩。

1．预制桩

预制桩主要有混凝土预制桩和钢桩两大类。混凝土预制桩能承受较大的荷载、坚固耐久、施工速度快，是广泛应用的桩型之一，但其施工对周围环境影响较大，常用的有混凝土实心方桩和预应力混凝土空心管桩。钢桩主要是钢管桩和H型钢桩两种。

2．灌注桩

由于具有施工时无振动、无挤土、噪音小、宜于在城市建筑物密集地区使用等优点，灌注桩在施工中得到较为广泛的应用。根据成孔工艺的不同，灌注桩可以分为干作业成孔的灌注桩、泥浆护壁成孔的灌注桩和人工挖孔的灌注桩等。灌注桩按其成孔方法不同，可分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩、爆扩灌注桩等。

1)钻孔灌注桩

钻孔灌注桩指利用钻孔机械钻出桩孔，并在孔中浇筑混凝土(或先在孔中吊放钢筋笼)而成的桩。根据钻孔机械的钻头是否在土的含水层中施工，又分为泥浆护壁成孔和干作业成孔两种方法。

(1)泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程：测定桩位→埋设护筒→制备泥浆→成孔→清孔→下钢筋笼→水下浇筑混凝土。

(2)干作业成孔灌注桩施工工艺流程：测定桩位→钻孔→清孔→下钢筋笼→浇筑混凝土。

2)沉管灌注桩

沉管灌注桩指利用锤击打桩法或振动打桩法，将带有活瓣式桩尖或预制钢筋混凝土桩靴的钢套管沉入土中，然后边浇筑混凝土(或先在管内放入钢筋笼)，边锤击或振动边拔管而成的桩。前者称为锤击沉管灌注桩，后者称为振动沉管灌注桩。

沉管灌注桩成桩过程为：桩机就位→锤击(振动)沉管→上料→边锤击(振动)边拔管，并继续浇筑混凝土→下钢筋笼、继续浇筑混凝土及拔管→成桩。

3)人工挖孔灌注桩

人工控孔灌注桩指桩孔采用人工挖掘方法进行成孔，然后安放钢筋笼，浇筑混凝土而成的桩。为了确保人工挖孔桩施工过程中的安全，施工时必须考虑预防孔壁坍塌和流砂现象发生，制定合理的护壁措施。护壁方法可以采用现浇混凝土护壁、喷射混凝土护壁、砖砌体护壁、沉井护壁、钢套管护壁、型钢或木板桩工具式护壁等多种。下面以应用较广的现浇混凝土分段护壁为例说明人工挖孔桩的施工工艺流程。

人工挖孔灌注桩的施工程序是：场地整平→放线、定桩位→挖第一节桩孔土方→支模浇筑第一节混凝土护壁→在护壁上二次投测标高及桩位十字轴线→安装活动井盖、垂直运输架、起重卷扬机或电动葫芦、活底吊土桶、排水、通风、照明设施等→第二节桩身挖土→清理桩孔四壁，校核桩孔垂直度和直径→拆上节模板，支第二节模板，浇筑第二节混凝土护壁→重复第二节挖土、支模、浇筑混凝土护壁工序，循环作业直至设计深度→进行扩底(当需扩底时)→清理虚土、排除积水，检查尺寸和持力层→吊放钢筋笼就位→浇筑桩身混凝土。

4)爆扩灌注桩

爆扩灌注桩指用钻孔爆扩成孔，孔底放入炸药，再灌入适量的混凝土，然后引爆，使孔底形成扩大头，再放入钢筋笼，浇筑桩身混凝土而成的桩。

3.2.4沉井

沉井基础是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种形式，是先在地表制作成一个井筒状的结构物(沉井)，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构(见图3-11)。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础；水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。其优点是技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载。

图3-11沉井基础

1．沉井基础的分类

1)按沉井形状分

(1)按平面形状分，可划分为如下几种：

①圆形沉井：形状对称、挖土容易，下沉不宜倾斜，但与墩、台截面形状适应性差。

②矩形沉井：与墩、台截面形状适应性好，模板制作简单，但边角土不易挖除，下沉易产生倾斜。

③圆端形沉井：适用于圆端形的墩身，立模不便，但控制下沉与受力状态较矩形好。

(2)按立面形状分，可划分为如下几种：

①柱形：构造简单，挖土较均匀，井壁接长较简单，模板可重复使用。

②阶梯形：除底节外，其他各节井壁与土的摩擦力较小，但施工较复杂，消耗模板多。

2)按沉井的建筑材料分

按沉井的建筑材料分，可划分为如下几种：

(1)混凝土沉井：下沉时易开裂。

(2)钢筋混凝土沉井：常用。

(3)钢沉井：多用于水中施工。

2．沉井施工步骤

沉井施工的步骤如下：

(1)场地平整，铺垫木、制作底节沉井；

(2)拆模，刃脚下一边填塞砂、一边对称抽拔出垫木；

(3)均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕；

(4)建筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁；

(5)下沉至设计标高，清基；

(6)沉井封底处理；

(7)施工井内设计和封顶等。

3．沉井基础的构造

沉井基础构造主要包括如下几部分：

(1)井壁：沉井的外壁，是沉井的主要部分，它应有足够的强度，以便承受沉井下沉过程中及使用时作用的荷载；同时还要求有足够的重量，使沉井在自重作用下能顺利下沉。

(2)刃脚：井壁下端一般都做成刀刃状的“刃脚”，其功用是减少下沉阻力。

(3)隔墙：设置在沉井井筒内，其主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度，同时，又把整个沉井分隔成多个施工井孔(取土井)，使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。

(4)凹槽：设置在刃脚上方井壁内侧，其作用时使封底混凝土和底板与井壁间有更好的联结，以传递基底反力。

(5)封底：当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对井底清理整平后，即可封底，以防止地下水渗入井内。

(6)顶盖：井顶浇筑钢筋混凝土顶盖，待顶盖达到设计强度后方可砌筑墩、台。

4．沉井基础的特点

1)优点

沉井基础的优点主要表现在以下几方面：

(1)埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载。

(2)沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工。

(3)沉井施工时对邻近建筑物影响较小。

2)缺点

沉井基础的缺点主要表现在以下几方面：

(1)施工期较长。

(2)施工技术要求高。

(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。

5．沉井基础的适用条件

沉井基础的适用条件主要有以下几点：

(1)上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理时。

(2)在山区河流中，土质虽好，但冲刷大或河中有较大卵石不便桩基础施工时。

(3)岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；采用扩大基础施工围堰制作有困难时。

3.3地基处理技术

3.3.1地基处理的目的

当天然地基不能满足工程建设要求时，就必须采取一定的措施。常用的措施有：重新考虑基础设计方案，选择合适的基础类型；调整上部结构设计方案；对地基进行处理加固。

1．地基可能存在的问题

一般而言，地基问题可归结为以下几个方面:

(1)承载力及稳定性。地基承载力较低，不能承担上部结构的自重及外荷载，导致地基失稳，出现局部或整体剪切破坏或冲剪破坏。

(2)沉降变形。高压缩性地基可能导致建筑物发生过大的沉降量，使其失去使用效能；地基不均匀或荷载不均匀导致地基沉降不均匀，使建筑物倾斜、开裂、局部破坏，失去使用效能甚至整体破坏。

(3)动荷载下的地基液化、失稳和震陷。饱和无粘性土地基具有震动液化的特性。在地震、机器震动、爆炸冲击、波浪作用等动荷载作用下，地基可能因液化、震陷导致地基失稳破坏；软粘土在震动作用下，产生震陷。

(4)渗透破坏。土具有渗透性，当地基中出现渗流时，将可能导致流土(流砂)和管涌(潜蚀)现象，严重时能使地基失稳、崩溃。

存在上述问题的地基，称为不良地基或软弱地基。

2．地基处理的目的

根据工程情况及地基土质条件或组成的不同，地基处理的目的可以归纳为：

(1)提高土的抗剪强度，使地基保持稳定。

(2)降低土的压缩性，使地基沉降和不均匀沉降减至允许范围内。

(3)降低土的渗透性或渗流的水力梯度，减少或防止水的渗流，避免渗流造成地基破坏。

(4)改善土的动力性能，防止地基产生震陷变形或因土的震动液化而丧失稳定性。如在强烈振动下(如地震、爆破、机器振动等)，会使地下水位以下的砂、粉土液化，使地基失去承载力。

(5)减少或消除土的湿陷性或胀缩性引起的地基变形，避免建筑物破坏或影响其正常使用。

3.3.2地基处理的对象

1．软弱地基

持力层主要由软弱土组成的地基称为软弱地基。软弱土(或软土)包括淤泥、淤泥质土、冲填土(即由水力冲填泥砂形成的填土)、杂填土及饱和松散粉细砂与粉土(易液化)。这类土的工程特性为压缩性高，抗剪强度低，土质疏松，通常很难满足地基承载力和变形的要求。

淤泥、淤泥质土等软土(多分布在东角沿海地区)具有下列特性：

①天然含水率高，W＞WL，呈流塑状态；

②孔隙比大，e≥1.0；

③渗透性差，通常渗透系数k≤i × 10-6 cm/s，这类建筑地基的沉降往往持续几十年才稳定；

④压缩性高，一般a1-2 = 0.7～1.5 MPa-1，属于高压缩性土；

⑤饱和度高，灵敏度高；

⑥结构性强，属于絮状结构(一旦受扰动强度显著降低)；

⑦具有流变性。

淤泥特性：e＞1.5，W＞WL；淤泥质土特性：1≤e≤1.5，(絮状结构)W＞WL。

2．不良地基

不良地基主要包括以下几种：

(1)湿陷性黄土地基。黄土中含有大量孔隙和易溶盐类，使黄土具有湿陷性，导致房屋开裂。

(2)膨胀土地基。含大量蒙脱石矿物，即吸水膨胀，失水收缩，具有较大往复胀缩变形的高塑粘性土，易导致房屋开裂。

(3)泥炭土地基。有机质(C、H、O)含量＞25%的土称泥炭土，由沼泽和湿地中生长的苔藓，树木等分解而形成的有机质土，高压缩性土。

(4)多年冻土地基。含有固态水，且冻结状态持续2年或2年以上的土。

多年冻土：既含有固态水又含液态水，所以具有流变性。

(5)岩溶与土洞地基。岩溶又称喀斯特，即可溶性岩石。土洞是岩溶地区上覆土层，被地下水冲蚀或潜蚀形成的洞穴。

(6)山区地基。地质条件复杂，主要为地基不均匀性和场地稳定性，常有滑坡、泥石流等不良地质现象。

(7)饱和粉细砂与粉土地基。易液化，使地基丧失承载力。

3.3.3天然地基常用处理方法

1．换填法

当地基表层存在不厚的软弱土层且不能满足使用需要时，一个最简单的方法就是将其挖除，另外填筑易于压实的材料，或者当软弱层较厚而全部挖除不合理时，可将其部分挖除，铺设密实的垫层材料，但必须进行换填层以下土层的承载力及变形验算，以上这几种挖除回填统称为换填法。

换填法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。

换填法按其换填材料的功能不同，又分为垫层法和褥垫法。

垫层法又称开挖置换法、换土垫层法，简称换土法。通常指当软弱土地基的承载力和变形满足不了建(构)筑物的要求，而软弱土层的厚度又不很大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、矿渣、粉煤灰)或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压(夯、振)实至要求的密实度。

褥垫法是将基础底面下一定深度范围内局部压缩性较低的岩石凿去，换填上压缩性较大的材料，然后分层夯实的垫层作为基础的部分持力层，使基础整个持力层的变形相互协调。褥垫法是我国近年来在处理山区不均匀的岩土地基中常采用的简便易行又较为可靠的方法。

垫层法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。

2．排水固结法

排水固结法指直接在天然地基或在设置有袋状砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上，利用建筑物本身重量分级逐渐加载或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中孔隙水排出，提前完成土体固结沉降，逐步增加地基强度的一种软土地基加固方法。

排水固结法由加压系统和排水系统两部分组成。

排水固结法的原理是：饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形，同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。所以，土体在受压固结时，一方面孔隙比减小产生压缩，另一方面抗剪强度也得到提高。这说明，如果在建筑场地先加一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结，然后卸除荷载，再建造建筑物，这样建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。因为，经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的变形大为减小。

3．化学加固法

化学加固法是指利用水泥浆液、粘土浆液或其他化学浆液，通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。

目前，化学加固法中常用的方法有灌浆法、高压喷射注浆法和水泥土搅拌法。

(1)灌浆法。

灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的“结石体”。

灌浆工艺所依据的理论主要有渗透灌浆、劈裂灌浆、挤密灌浆和电动化学灌浆。

(2)水泥土搅拌法。

水泥土搅拌法最早在美国研制成功，称为就地搅拌桩(简称MIP法)。水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种方法，主要利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将固化剂(浆液或粉体)和软土强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一些列物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌(国内俗称深层搅拌法)和粉体喷射搅拌两种。

水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。不宜用于处理泥炭土、塑性指数大于25的粘土、地下水具有腐蚀性以及有机质含量较高的地基。若需采用时必须通过试验确定其适用性。当地基的天然含水量小于30%(黄土含水量小于25%)、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。连续搭接的水泥搅拌桩可作为基坑的止水帷幕，受其搅拌能力的限制，该法在地基承载力大于140 kPa的粘性土和粉土地基中的应用有一定难度。

(3)高压喷射注浆法。

高压喷射注浆法60年代后期创始于日本。它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预订位置后，以高压设备使浆液或水成为