1 引言

這節課討論天然地基上淺基礎的設計和基礎下的應力分布計算。對于基礎設計，由于地質工程專業比土木工程專業的要求低，因此這節課側重理解最基本的概念和方法論，著重強調從巖土工程的角度來理解地基和基礎，更詳細的討論以及思考題目參看下面為土木工程專業的授課內容:

基礎工程---第一章: 導論 (1)

基礎工程---第一章: 導論 (2)

基礎工程---第二章: 天然地基上的淺基礎 (1)

基礎工程---第二章: 天然地基上的淺基礎 (2)

2 地基與基礎

任何建筑物都建造在一定的地層上，建筑物的全部荷載都由它下面的地層來承擔。一般而言，將承受建筑物各種作用的地層稱為地基，而將建筑物與地基接觸的最下部分，也就是將建筑物的各種作用傳遞至地基的結構物稱為基礎。可以認為受建筑物影響的那一部分地層稱為地基，建筑物與地基接觸的部分稱為基礎。對于巖土工程師來講，我們更關心的是地基。地基分為天然地基和人工地基，天然地基是未經過人為處理即可滿足設計要求的地基，人工地基是經過人工加固或處理后的地基。對于工業與民用建筑，地基和基礎比較容易區分，著重介紹一下橋梁工程的地基和基礎。橋梁上部結構為橋跨結構，下部結構包括橋墩、橋臺及其基礎，如下圖所示。

要求掌握下面的概念：

(1) 地基：承擔建筑物荷載的地層。

(2) 基礎：介于上部結構與地基之間的部分，即建筑物最底下的一部分。剛性基礎是不需配置受力鋼筋的基礎；柔性基礎是用鋼筋砼修建的基礎。

(3) 天然地基：自然狀態下即可滿足承擔基礎全部荷載要求，不需要人工處理的地基。

(4) 人工地基：天然地基的承載力不能承受基礎傳遞的全部荷載，需經人工處理后作為地基的土體稱為人工地基。

(5) 地基容許承載力：指地基穩定有足夠安全度的承載能力，它由地基極限承載力除以一個安全系數所得。

(6) 持力層：直接支撐建筑物基礎的土層，其下的土層為下臥層。

(7) 下臥層：持力層下部的土層，持力層地基承受的荷載是隨著土體深度的加深而慢慢減小，到一定深度后土體承受的荷載，就可以忽略不計了，這時我們就把這一層往下的土體叫做下臥層。

(8) 軟弱下下臥層---地基由多層土組成時，持力層以下存在容許承載力小于持力層容許承載力的土層時，這樣的土層叫做軟弱下臥層。

3 地基基礎在工程中的重要性

工程實踐表明,建筑物地基與基礎的設計和施工質量的優劣，對整個建筑物的質量和正常使用起著根本的作用。基礎工程是隱蔽工程，如有缺陷，較難發現，也較難彌補和修復，而這些缺陷往往直接影響整個建筑物的使用甚至安全。基礎工程的進度，經常控制整個建筑物的施工進度。基礎工程的造價，通常在整個建筑物造價中占相當大的比例，尤其是在復雜地質條件下或深水中修建的基礎更是如此。因此，對基礎工程必須做到精心設計和施工。作為一個巖土工程師，任何上部結構出現的破壞或損傷，首先想到的是應該是地基或基礎是不是出了問題。

基礎工程設計的基本原則和目的如下： 

(1) 基礎底面的壓力小于地基承載力容許值；

(2) 地基及基礎的變形值小于建筑物要求的沉降值；

(3) 地基及基礎的整體穩定性有足夠保證；

(4) 基礎本身的強度、耐久性滿足要求。

4 淺基礎和深基礎

基礎分為淺基礎和深基礎(Foundations may be classified based on where the load is carried by the ground)。淺基礎(Shallow Foundations)的埋置深度不大(小于或等于基礎底面寬度，D/B<=1, 一般認為小于5m), 且可用簡便施工方法進行基坑開挖和排水，天然地基淺基礎常見的類型有：柱下獨立基礎、剛性擴大基礎、單獨和聯合基礎、條形基礎、筏板基礎、交叉梁基礎和箱形基礎等。深基礎(Deep Foundations)的淺層土質不良，需要利用深處良好地層,采用專門的施工方法和機具建造，如樁基、沉井、地下連續墻、箱形基礎、較深的筏板基礎等。

基礎工程的常見形式分為天然地基上的淺基礎、天然地基上的深基礎、人工地基上的淺基礎三類。如若天然地基承載力較高，足以滿足上部結構物荷載作用下的強度、變形和穩定性的要求，一般優先選用天然地基上的淺基礎；若淺層土承載力不足，但下部較深土層有良好的承載力，可考慮天然地基上的深基礎形式；若深基礎不可行或沒有較好土層，可考慮對淺層地基進行人工加固處理后設置人工地基上的淺基礎。

淺基礎與深基礎兩者區別主要在三個方面：⑴埋置深度：淺基礎是指埋置深度在5米以內或基礎寬度比埋深大的基礎，其結構形式較簡單，深基礎是埋深大于5米以上且基礎寬度小于埋深的基礎，其結構形式一般較復雜；⑵設計：淺基礎不考慮基礎側面的土體對基礎豎向的摩阻力和水平向的土抗力，而深基礎要考慮；⑶施工：淺基礎一般是明挖，施工方法及設備簡單，造價低，而深基礎一般需要專門的設備開挖，施工方法及設備較復雜，造價較高。

                            

5 基礎設計的內容和步驟

當選擇基礎形式時優先采用淺基礎，這是因為天然地基上明挖基礎埋深淺，結構形式簡單，施工簡便易行，造價低，保證質量，經濟效益好。天然地基上淺基礎的設計，包括下述各項內容：

⑴  初步擬定基礎的結構形式、類型、材料與平面布置；

⑵ 確定基礎埋置深度；

⑶ 計算作用在基礎頂面的荷載；

⑷  計算地基承載力；

⑸  確定基礎尺寸，根據作用在基礎頂面的荷載和地基承載力，計算基礎的底面積，并以此計算基礎的長度和寬度；

⑹  計算基礎高度、確定剖面形狀；

⑺  承載力驗算，若地基持力層下存在軟弱下臥層時，則需驗算軟弱下臥層承載力；

⑻  按要求計算地基變形；

⑼  基礎結構設計，進行基礎細部構造和構造設計；

⑽  繪制基礎施工圖，提出施工說明。    

6 確定地基承載力

地基容許承載力設計方法是我國20世紀最常用的方法，并集累了豐富的工程經驗。地基承載力是指地基土單位面積上承受荷載的能力, 無論是軸心荷載作用還是偏心荷載作用,都應該使用修正后的地基承載力特征值. 當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，從載荷試驗或原位測試、經驗值等方法確定的地基承載力特征值尚應進行深寬修正; 當地基受力層范圍內有軟弱下臥層時,應該進行下臥層驗算。

建筑物荷載通過基礎傳遞到地基上，對于剛性擴大基礎而言，作用在基礎底面單位面積上的壓力稱為基底壓力。設計中要求基底壓力不能超過地基極限承載力，而且要有足夠的安全度；同時所引起的地基變形不能超過建筑物容許變形值。滿足這兩項要求，地基單位面積上所能承受的最大壓力就稱為地基容許承載力。如果地基容許承載力確定了，則要求的基礎底面積A就可用下式計算：

地基容許承載力的確定一般有以下方法：(A) 在土質基本相同的條件下，參照鄰控近建筑物地基容許承載力；(B) 根據現場荷載試驗的p-s曲線；(C) 按地基承載力理論公式計算；(D) 按現行規范提供的經驗公式計算。

7 基礎埋置深度

基礎埋置深度是指設計地面到基礎底面的深度. 基礎埋置深度關系到建成后建筑物的牢固、穩定和正常使用. 主要的影響因素包括:

(1) 與建筑物有關的條件---包括建筑物的用途，有無地下室、設備基礎和地下設施，基礎的型式和構造等。

(2) 作用在地基上的荷載大小和性質

(3) 工程地質條件和水文地質條件---合理選擇地基持力層。另外，選擇基礎埋深時應注意地下水的埋藏條件和動態。

(4) 相鄰建筑物的基礎埋深---當存在相鄰建筑物時，新建建筑物的基礎埋深不宜大于原有建筑物的基礎埋深。當埋深大于原有建筑物的基礎埋深時，兩基礎之間應保持一定凈距，其數值應根據原有建筑物荷載大小、基礎型式和土質情況而定。

(5) 地基土凍脹和融陷的影響---當地的凍結深度. 為了保證建筑物不受地基土季節性凍脹的影響，除地基為非凍脹性土外，基礎底面應埋置在天然最大凍結線以下一定深度。《公橋基規》規定，當上部結構為超靜定結構時，基底應埋置在最深凍結線以下不小于0.25m；對靜定結構的基礎，一般也按此要求，但在凍結較深地區，為了減少基礎埋深，有些類別的凍土經計算后也可將基底置于最大凍結線以上。 

8 基礎下的應力分布

盡管數值解能夠解決復雜地層內的應力和位移問題，但在實踐中巖土工程師還在使用一些經驗設計方法。下面簡要討論兩種常見的基礎下應力分布計算方法---2:1方法和Westergaard方法，其中2:1方法是課程的學習重點和考察重點, Westergaard方法僅作為一般了解即可。對于巖土工程師來說，獲得地基土內的應力不僅可以用于計算地基沉降量，而且在巖土工程勘察階段可以用來估算鉆孔深度。詳情參看【基礎下的應力分布計算---(2:1法和Westergaard法)】

2:1方法假設一個矩形載荷的影響區域按照2:1擴展。例如一個3m*3m的正方形基礎, 柱的載荷是180KN, 求基礎下4m平面內的垂直應力。

Step 1: 計算平面A一條邊的邊長: AB + BC + CD = 3 + 2 + 2 = 7m

Step 2: 在平面A的應力 = 180/ (7*7) = 3.67kPa