第九章地基与基础
概述
( 1 )地球上但凡人类居住、生活和工作及与之相关的一切建筑物均建造在地壳的表层 ― 地基上，“空中楼阁”是不存在的。因此，以地基土为研究对象的这门课程 ― 地基与基础在土木工程中占据重要地位。
( 2 )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;建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础。以最常见的房屋建筑为例，荷载的传递方式为：
建筑物上部结构→基础→地基，如图 9-1 所示。
( 3 )组成地层的土或岩石是自然界的产物。它的形成过程、物质成分、工程特性及其所处的自然环境极为复杂多变。因此，在设计建筑物之前，必须进行建筑物场地的地基勘察，对场地的工程地质条件作出正确的评价。
( 4 )建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化。这就必须运用力学方法来研究荷载作用下地基土的变形和强度问题。一般来讲，地基基础设计应该满足两个基本条件：
1 )要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备;
2 )控制基础沉降使之不超过允许值，保证建筑物不因地基沉降而损坏或者影响其正常使用。
( 5 )基础结构的型式很多。设计时应该选择能适应上部结构和场地工程地质条件、符合使用要求、满足地基基础设计两项基本要求以及技术上合理的基础结构方案。通常把埋置深度不大(一般浅于5m )的基础统称为浅基础(各种单独的和连续的基础)。反之，浅层土质不良，而须把基础埋置于深处的好地层时，就要借助于特殊的施工方法，建造各种类型的深基础了。选定适宜的基础型式后，地基不加处理就可以满足要求的，称为天然地基，否则，就叫做人工地基。
( 6 )地基和基础是建筑物的根本，又属于地下隐蔽工程。它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。实践表明，建筑物事故的发生，很多与地基基础问题有关，而且，地基基础事故一旦发生，补救并非容易。此外，基础工程费用与建筑物总造价的比例，视其复杂程度和设计、施工的合理与否，可以变动于百分之几到几十之间。因此，地基及基础在建筑工程中的重要性是显而易见的。
第二节土的物理性质及分类
一、概述
土作为建筑物地基的主体，显然是土力学研究的主要对象。土是岩石风化后的产物，是岩石经过风化、剥蚀作用等而形成的碎散颗粒的集合体。
土既然是散碎颗粒的集合体，颗粒间必然存在着孔隙，而孔隙也必然包含着水或空气。因此，土是由土颗粒(固相)、水(液相)和空气(气相)组成的三相体。
二、土的成因与组成
1 .形成作用与成因类型严格地说，土是由地质作用而生成的。
地质作用——导致地壳( 30~80km )成分变化和构造变化的作用。是土的生成的根本原因和动力。
地质年代 ― 地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的世代段落。分为绝对的和相对的，后者应用最广。
相对地质年代 ― 根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。
代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代一纪一世一期。
每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界一系一统一阶(层)。
在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约 100 万年。
因此，我们现在所指的土可称为第四纪沉积物(层)，需要指出：
岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为岩石(沉积岩)，即
当然这需要漫长的时间(以百万年计)。
2 .土的组成
(1)土中的固体颗粒。
土中的固体颗粒(简称土粒)是土的主要组成部分，是土的骨架。土颗粒的大小、形状、和矿物成分及组成情况是决定土的物理力学性质的主要因素。
土是由大小不同的土粒组成的。随着颗粒的变化，土的性质将发生变化。例如：随着粒径的变细，土的性质由无黏性变为黏性。因此，为了区分土颗粒的特征，常将其划分为不同的粒组，粒组是指粒径界于一定范围内的土粒的集合。
颗粒级配 ― 土中所含各种粒组的重量所占土粒(干土)总重的百分数。它反映了土中各粒组的比例关系，由土的颗粒分析试验确定。
矿物 ― 地壳中天然生成的自然元素或化合物，也是构成岩石的基本元素或化合物。
土的矿物成分 ― 组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。了解土粒的矿物成分，对认识土性十分重要。
( 3 )土中气体。土中气占据了土中未被水占领的孔隙。
自由气体 ― 与大气连通、不影响土质，常存在于粗粒土中。
封闭气体 ― 与大气隔绝，增加土的弹性，减少土的透水性。
可燃气体 ― 由微生物的分解作用而形成，常存在于淤泥和泥炭等有机土中。
三、土的物理性质指标
土的物理性质指标 ― 表示土中三相比例关系的一些物理量(图 9-2 )，可分为如下两类：
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“环刀法”测定。
4 .土的干密度ρd 、饱和密度ρsat、有效密度ρ’
干密度是指土单位体积中固体颗粒部分的质量(工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量)。
四、无黏性土的物理性质
无黏性土主要是指砂土和碎石土，其工程性质与其密实度密切相关。密实度越大，土的强度越大。因此，密实度是反映无黏性土工程性质的主要指标。
评判无黏性土的密实度有以下方法：
1 .根据相对密实度 Dr (大小位于0~l 之间)判别
密实( l ≥Dr≥0 . 67 );中密( 0 . 67≥Dr≥0 . 33 );松散( 0 . 33 ≥ Dr≥0 )。该法适用于透水性好的无黏性土，如纯砂、纯砾。
2 .根据天然孔隙比e判别。
e越小，土越密实。一般，e< 0 . 6 时属密实，e> 1 . 0 时属疏松。该法适用于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。
3 .根据原位标准贯人等试验判别
密( N > 30 )、中密( 15 ≤N≤ 30 )、稍密( 10≤N≤15 )、松散( N≤10 )
五、黏性土的物理性质
黏性土的特性主要是由于黏粒与水之间的相互作用产生，因此含水量是决定因素。黏性土的含水量对其物理状态和工程性质有重要影响。
液限(ωL, Liqud Limit )：土由可塑状态变到流动状态的界限含水量;土处于可塑状态的最大含水量，稍大即流态;
塑限(ωP， Plastic Limit )：土由半固态变为可塑状态的界限含水量;土处于可塑状态的最小含水量，稍小即半固态;
缩限(ωS , Shrinkage Limit )：土由固态变为半固态的界限含水量;土处于半固态的最小含水量，稍小即为固态。
塑性指数IP ― 表示土处于可塑状态的含水量变化范围。
IP 越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。
土颗粒越细，黏粒含量越高，土能吸附的结合水量越多，则IP越大。黏土矿物蒙脱石含量越高，IP越大。IP在一定程度上综合反映了影响黏性土特征的各种主要因素，故常用于对黏性土进行分类。
液性指数IL ― 表示黏性土软硬程度的一个指标。
故可根据 IL 的大小评判土的软硬程度，分为如下 5 种(表 9-1 )：
六、岩土的工程分类
作为建筑地基的岩土，可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。
( l )岩石应为颗粒间牢固连接，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，尚应按下面的( 2 )~( 4 )条来划分其坚硬程度和完整程度。
( 2 )岩石的软硬程度应根据岩块的饱和单轴抗压强度 frk 按表 9-2 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《 建筑地基基础设计规范 》附录 A . 0 . 1 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。
( 3 )岩体完整程度应按表 9 一 3 划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。
( 4 )碎石土为粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重50 %的土。碎石土可按表 9-4 分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。
(5)碎石土的密实度可按表 9 -5 分为松散、稍密、中密、密实。
( 6 )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。砂土可按表 9-6 分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。
( 7 )砂土的密实度，可按表 9-7 分为松散、稍密、中密、密实。
( 8 )黏性土为塑性指数 IP 大于 10 的土，可按表 9-8 分为黏土、粉质黏土。
( 9 )黏性土的状态，可按表 9-9 分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。
( 10 )粉土为介于砂土和黏性土之间，塑性指数IP≤10 且粒径大于0.075mm 的颗粒含量不超过全重 50 %的土。
( 11 )淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，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。当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的黏性土或粉土为淤泥质土。
( 12 )红黏土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性黏土。其液限一般大于 50 。红黏土经再搬运后仍保留其基本特征，其液限大于 45 的土为次生红黏土。
( 13 )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。素填土为由碎石土、砂土、粉土、黏性土等组成的填土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、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。
( 14 )膨胀土为土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于 40 %的黏性土。
( 15 )湿限性土为浸水后产生附加沉降，其湿限系数大于或等于0.015的土。
七、工程特性指标
( l )土的工程特性指标应包括强度指标、压缩性指标以及静力触探探头阻力，标准贯人试验锤击数、载荷试验承载力等其他特性指标。
( 2 )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。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。
( 3 )载荷试验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。
( 4 )土的抗剪强度指标，可采用原状土室内剪切试验、无侧限抗压强度试验、现场剪切试验、十字板剪切试验等方法测定。当采用室内剪切试验确定时，应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验。经过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得少于 6 组。室内试验抗剪强度指标ck、ψk，可按本规范附录 E 确定。
在验算坡体的稳定性时，对于已有剪切破裂面或其他软弱结构面的抗剪强度，应进行野外大型剪切试验。
( 5 )土的压缩性指标可采用原状土室内压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、旁压试验确定。
当采用室内压缩试验确定压缩模量时，试验所施加的最大压力应超过土自重压力与预计的附加压力之和，试验成果用e-p 曲线表示。当考虑土的应力历史进行沉降计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数，试验成果用 e-lgp 曲线表示。为确定回弹指救，应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷，再继续加荷至预定的最后一级压力。
地基土的压缩性可按 pl 为100kPa , p2为 200kPa 时相对应的压缩系数值 α1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价：
当考虑深基坑开挖卸荷和再加荷时，应进行回弹再压缩试验，其压力的施加应与实际的加卸荷状况一致。