地基基础方案的选择确定样本.doc

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第三章 地基基础方案的选择确定
对于建筑工程来讲, 地基基础方案的选择确定是一个非常重要的问题, 其对于建筑物的安全、 基础的造价、 基础的施工周期都有决定性的影响, 应充分重视地基基础方案的选取。本章介绍了地基基础方案选择需考虑的因素及需特别注意的问题。
注:地基基础方案、 基坑支护方案的多样性
禁忌3.1考虑地基基础时对概念设计重视不够
1概念设计的必要性
地基基础工程受诸多不确定因素影响, 虽然岩土力学理论取得长足进展, 计算方法和设计软件不断创新, 但具体设计仍处于半理论半经验状态, 因此, 概念设计对于确保地基基础的安全非常重要。
所谓地基基础的概念设计就是将土力学概念、 力学的概念、 岩土性质的基本概念、 地质演化的科学规律、 地下水的影响、 各种施工工艺的特点、 各种结构体系的特点、 基础与结构的共同作用、 当地的经验、 经济等和地基基础相关的因素综合应用到地基基础的设计中。通俗的讲概念设计就是知识和智慧的关系, 有知识不一定有智慧, 只有把知识转化为智慧才达到了学知识的目的, 才能更好的进行工程设计。
2古人建塔对概念设计的启迪
中国古代, 有很多成功的应用概念进行工程建造的实例。如古代建塔, 一些塔的高度达到几十米, 如唐朝的西安大雁塔64.5米, 宋朝的定州开元寺塔高84.2米, 苏州虎丘塔47.5米。如此高建筑如何修建? 是否进行过地质勘察? 如何进行地基处理? 如何搭建脚手架? 建筑材料如何向上运输? 对于工程中的这些问题, 古人巧妙的利用简单的概念解决。
一些资料显示古人采用堆土的方式建塔, 塔修建多高, 土堆多高, 塔建成后土再从上到下逐渐清除。看似简单的堆土, 实际解决了建造工程的关键问题, 具体有以下几方面:
1) 相当于现代建筑的脚手架; 堆土可随建筑物的增高而增高, 工匠可站在上面操作, 代替脚手架, 且比脚手架安全;
2) 建筑材料运输坡道; 利用堆土形成的坡作为建筑材料的运输通道, 解决了建筑材料垂直运输的问题;
3) 对地基进行预压处理, 解决了地基承载力和塔的沉降问题; 对于塔基来说, 堆土相当于我们现在用的堆载预压法, 堆土的荷载和范围远大于塔重, 土清除后, 经过预压地基的承载力和变形一般能满足要求。
从我们古人看似简单的方法, 实际上反映了很高的智慧, 既解决了地基处理问题, 同时解决了上部结构施工存在的问题。
古人在地基基础方面的智慧还很多, 如图3.1.1大雁塔, 1996年实测大雁塔顶水平位移1010.5毫米, 出现了倾斜。分析原因主要因素是当时地下水的过度抽取, 大雁塔的倾斜问题引起了当地政府部门的高度重视, 对大雁塔周边单位的400多口自备井实施封井措施, 并加大了地下水回灌力度, 将地表水注入地下含水层、 以增加地下水储量, 使得大雁塔的倾斜的问题得到有效遏制。大雁塔在 底、 初开始缓慢改斜”归正”, 当前塔顶水平位移降到990mm以内。为什么已倾斜的塔自己会自己”归正”呢? 据当地老人介绍, 大雁塔的基础采用半圆形式基础方案, 类似于‘不倒翁’的底座, 此类基础方案有自动纠偏的功能, 就像不倒翁最后保持垂直原理一样, 且抗震稳定性好。此基础实际形式虽有待考证,但显然和平板基础比较, 半圆形基础具备一定的纠偏能力。这也可能是其一千多年不倒的原因之一, 也证明了地基基础方案的重要性。
注: 万里长城; 故宫;
3 怎样做好概念设计
1) 确定好的方案
概念设计首先要确定好方案, 这是最重要的, 方案选择不好, 后面的具体设计再好也只是补充完善, 不能使其成为优秀的设计。
图1.1为古希腊雅典的六个石柱, 首先在方案上进行了巧妙的构思, 将柱子的形状雕成亭亭玉立的少女。在总体方案上将美学和力学结合起来, 从中我们可看出古人是如何巧妙的将美学和力学概念结合在一起的。
2) 具体设计中利用概念完善方案
以图1.1希腊六少女石柱分析, 看古人如何在具体设计中巧妙利用概念的。
( 1) 古代没有钢筋混凝土, 为减小梁的跨度, 在柱顶部设柱帽, 具体设计柱帽采用花篮, 由少女头顶花篮。花篮既起到柱帽的作用, 也起到美化作用。
( 2) 为避免在水平荷载作用下, 柱子在截面小的部位也就是人体的颈部出现破坏, 采用披肩发将荷载传递到身体的躯干, 既增加了美感又避免了刚度突变。
( 3) 为增加稳定性, 少女着长裙, 且腿部弯曲使裙外撑, 增大柱下部截面积, 也增加了美感。
从上面分析看出, 具体设计的每一步都将美学和力学很好的结合, 完善设计方案。正是由于古人巧妙的利用概念设计, 使建筑屹立几千年, 我们至今仍有机会欣赏。

图3.1.1西安大雁塔图 3.1.2希腊六少女石柱
4 概念在设计各阶段的作用
概念设计贯穿基础设计全过程, 在各阶段的作用如下:
1) 判断基础工程关键控制点
概念设计首先要从总体上从本质上把握, 判断工程相应部位的关键控制点。不是单纯某一经验的应用, 不是单纯的截面设计、 承载力计算、 变形计算之类, 更不是简单的直观判断。概念设计必须对基本原理有深刻的理解, 有丰富经验的总结, 有将基本理论灵活运用的能力, 从主导理念上总揽全局, 牢牢掌握影响工程成败的关键, 并对实施效果有基本准确的估计, 不犯概念性的错误。有关地基基础关键控制点的把握, 参看本章禁忌6。
2) 利用基本概念指导地基基础的具体计算
将复杂的客观条件, 准确归纳为便于分析的模型, 是地基基础工程计算的重要步骤。在具体计算阶段, 需根据勘察报告提供的参数、 上部结构荷载和刚度、 基础设计参数等, 利用归纳的数学模型采用手算或计算程序对地基基础的具体问题进行计算。设计者在应用软件和具体公式时, 应对软件的数学模型和适用条件有正确的理解, 了解这些假定条件与工程实际的符合程度, 了解计算方法的局限性和可能产生的偏差。
3) 利用基本概念和经验对计算结果进行分析判断
对计算结果进行合理的分析和判断对工程的安全至关重要, 以建筑沉降计算为例, 对于复杂的地基基础工程, 影响建筑物沉降的因素非常多, 至少有十几项, 一些因素计算能相对准确考虑, 如荷载、 上部结构刚度; 一些因素考虑不准确如地基刚度、 土的性质; 有些因素计算不能考虑, 如施工周期、 施工工艺、 施工顺序的影响。如何判断计算结果的合理性和准确程度? 这需依靠综合概念和经验。利用概念判断沉降分布形态、 沉降差的大小是否合理, 利用已有的工程经验判断计算数值的准确程度。
禁忌3.2 对地基类型及设计注意事项掌握不全面
地基是基础和上部结构的载体, 进行基础设计应了解和掌握常见地基类型及设计要点。常见的地基类型分均匀型地基、 坡地型、 岩土交错型、 岩溶型。
1均匀型地基和非均匀型地基
均匀型地基是指地基土层可能是单一的, 如为多层土组成时, 则各土层的坡度一般小于10%, 软土层小于5%。如图2.1a, 均匀型地基中可能夹有薄层透镜体。由于土层比较均匀, 设计时主要考虑土的力学性质和建筑物的特性。由于勘察布点不可能太密, 有些地基在浅层可能会含有局部软土、 墓穴、 沟浜、 树根、 旧有建筑物的堆积物等情况, 采用天然地基、 复合地基或其它地基处理时, 应特别注意验槽, 而钎探是验槽所采用的必要手段。非均匀型地基如图2.1b所示, 各土层的坡度大于10%, 软土大于5%。非均匀地基设计时应注意倾斜, 特别是采用天然地基, 主要受力层存在不均匀的软土时, 更应特别注意。图2.2为虎丘塔和对应的地质剖面图。苏州虎丘塔塔基下土层划分为五层, 每层的厚度不同, 因而导致塔身向东北方向倾斜。

图2.1 均匀地基和非均匀地基示意图

图6.2 虎丘塔和对应的地质剖面图
2坡地型地基
坡地型地基为常见的山区地基类型, 坡地土层有残积或坡积粘性土, 也可能由块石、 圆砾、 砂土、 粘性土、 淤泥等厚度不同、 分布不均的土层组成。地形起伏与土质不均是这种地基类型的两个基本特点。超过10度以上坡度, 坡地稳定性是地基设计中的首要问题。大规模平整场地带来的大挖、 大填、 自然排水系统破坏、 自然条件稳定等一系列问题。轻者造价高昂, 重者出现人为滑坡。图2.2为某地在山坡修建建筑物开挖图, 基坑深度近40m, 自然排水系统被改变。

图2.2 某坡地基坑开挖图片
在坡地上建筑时, 要遵守以下原则:
1) 查明拟建场地有无不良地质现象, 应尽量避开古滑坡体或有可能滑坡地带;
2) 计算场地稳定性及各建筑地基稳定性;
3) 根据汇水面积布置新的排水系统, 开辟新的引洪截流渠道;
4) 必须按照先排水治坡, 再支挡, 然后进行建筑施工的程序进行。

注: 介绍元上都项目
3岩土交错型地基
岩土交错型地基的基本特征是在地基中一部分为较浅的基岩, 另一部分为残积土、 坡积或沉积的土层, 土层厚度变化较大。典型的地质剖面如图2.3所示, 它可分为三种形态: 岩石出露在地基中部、 岩石出露在端部、 岩石呈石芽状。这类地基设计最主要的是地基变形不均匀, 即岩石与土的模量相差百倍甚至千倍, 土质部分的下沉引起建筑物的破坏。对此类地基设计时考虑岩层表面的倾斜程度、 上覆土层的力学性质、 建筑物类型与荷载大小, 设计时遵守以下原则:

图2.3 岩土交错型地基示意图
1) 按变形控制设计, 考虑到可能出现的不均匀沉降。
2) 当土层部分采用天然地基或复合地基时, 岩石出露部分必须凿去一部分, 换以砂土或其它柔性材料, 称为垫层, 凿去的高度和面积应根据土层部分的厚度、 变形模量、 地基处理方法进行确定, 并进行载荷板测试。
3) 载荷板检测时, 岩石出露部分和土层、 复合地基部分在相当于基底压力荷载情况下, 沉降量应接近, 否则应增加土、 复合地基的刚度或增加岩石上垫层厚度。
注: 解释
4) 当坡度较大、 建筑对变形要求严格时, 土层部分应采用桩基处理, 桩端应进入稳定的岩石。
4岩溶型地基
岩溶型地基主要出现在碳酸盐类岩石地区, 其基本特征是: 地基主要受力层范围内有溶洞、 溶沟、 溶槽、 落水洞以及土洞等, 如图2.4所示。中国广东、 广西、 云南、 贵州、 河北等地都有溶洞存在。

图2.4 岩溶型地基示意图
溶洞是以岩溶水的溶蚀作用为主, 由潜蚀和机械塌陷作用而造成的。溶洞大小不一, 有的溶洞已干枯或被泥砂填实, 有的有经常性水流。
土洞存在于溶沟发育, 地下水在地下频繁活动的岩溶地区, 一般呈倒竖缶状, 直径1~4m不等。有的土洞已停止发育, 但在地下水丰富地区, 土洞还可能扩展。大量抽取地下水时会加速土洞的发育, 严重时可能引起地面大量塌陷。
溶洞地区地基基础设计时遵循以下原则:
1) 根据洞顶部的埋深、 岩石强度、 厚度、 形状、 洞跨估算它可能承受的荷载考虑基础方案, 当岩石强度较高、 顶板厚度接近或大于洞跨时, 这类溶洞一般是稳定的。当上覆土层性质较好、 厚度较大时, 根据荷载情况可采用天然地基或复合地基。
2) 当上部荷载大且分布不均时, 如框筒结构, 且溶洞较浅时, 为安全起见, 采用大直径桩穿过溶洞, 进入稳定岩石。
注 唐山万达广场项目
禁忌3 对特殊地基土的特性及变形特征了解不全面
在土木工程建设中经常遇到的特殊土型主要包括: 软土、 陷性黄土、 人工填土地基、 膨胀土、 多年冻土、 盐渍土、 液化土等。
1软土地基
软土主要指淤泥、 淤泥质土、 泥炭、 泥炭质土等。淤泥是指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的粘性土。当天然孔隙比小于1.5但大于1.0或等于1.0的土为淤泥质土。泥炭是指在潮湿或缺氧环境中由未充分分解的植物遗体堆积而形成的粘性土, 其有机质含量大于60%, 当有机质含量为30%~60%时为泥炭质土。
中国软土广泛分布于沿海地区和内陆江河湖泊的周围, 山间谷地、 冲沟、 河滩阶地和各种洼地里也有少量分布。
1) 软土的工程特性
( 1) 天然含水量高、 孔隙比大
淤泥及淤泥质土的天然含水量大于40%, 最高可达90%, 孔隙比可达2; 泥炭及泥炭质土的含水量极高, 最高可达 %,孔隙比可达15。
( 2) 压缩性高
软土的压缩性很高, 压缩系数一般在0.5~2.0之间, 最大可达4.5。
( 3) 渗透性弱
软土的渗透系数很小, 大部分软土地层中存在着片状夹砂层, 因此竖直方向的渗透性较水平方向为弱, 其渗透系数一般为之间。
( 4) 抗剪强度低
软土抗剪强度很低, 在不排水条件下进行三轴快剪试验时, 其内摩擦角接近于零, 粘聚力一般小于20。
( 5) 触变性强
软土具有结构性, 一但结构受到扰动, 土的强度显著降低, 甚至呈流动状态, 中国软土的灵敏度一般为3~9。
( 6) 流变性强
软土具有较强的流变性, 在剪应力作用下, 土体产生缓慢的剪切变形, 导致抗剪强度的衰减, 在固结变形完成后还可能继续产生可观的次固结变形。
2) 软土地基的变形特征
由于软土具有强度低、 压缩性高、 渗透性弱等特点, 故建造在这种地基上的建筑, 其变形特征是沉降大、 不均匀沉降大、 沉降速率大和沉降延续时间长。
(1)沉降大
由于软土地基的高压缩性, 故在其上建造的建筑物的沉降量是较大的, 据调查, 软土地基上三层砌体承重结构房屋, 其沉降量一般为15~20cm, 四层至六层一般为20~60cm, 个别的甚至超过100cm; 带有吊车的单层排架结构工业厂房, 其沉降量约为20~30cm, 具有大面积地面荷载的工业厂房, 其沉降量较大, 甚至超过50cm; 料仓、 油罐、 储气柜, 水池等大型构筑物, 其沉降量一般都大于50cm, 甚至超过100cm。过大的沉降会影响构筑物的正常使用; 如对民用建筑也会造成室内地面标高低于室外地面标高而使雨水倒灌, 管道断裂, 污水不易排出等。
(2)不均匀沉降大
软土地基上建筑物各部位荷载的差异或荷载虽相同但平面形式复杂都会引起较大的差异沉降或倾斜。即使上部结构荷载分布均匀, 其差异沉降也有可能达到平均沉降的50%以上, 过大的不均匀沉降是造成建筑物裂缝或损坏的根本原因, 亦会造成工业厂房吊车卡轨和滑车丧失使用功能的事例。
(3)沉降速率大
软土地基上建筑物的沉降速率是较大的。沉降速率是随着荷载的增加而逐步增大的, 一般在加荷终止时为最大, 并持续一段时间后, 逐渐衰弱, 一般建筑物的沉降速率均小于1mm/d, 但也有超过2mm/d的, 个别大型构筑物甚至达到每天沉降数厘米。如果作用在地基上的荷载过大, 则可能出现等速沉降的情况。长期的等速沉降就有导致地基稳定性丧失的危险。
(4)沉降延续时间长
由于软土的渗透性弱, 在外荷载作用下, 地基排水固结时间较长, 一般建筑物都要经过数年的沉降才能稳定。在深厚软土地基上建筑物沉降延续时间常超过十年。
2 湿陷性黄土
湿陷性黄土是指在土自重压力或土自重压力和附加压力作用下, 受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著附加下沉的黄土。
中国湿陷性黄土广泛分布在甘肃、 陕西、 山西、 宁夏、 河南、 河北、 山东、 内蒙古、 辽宁、 新疆等地。
1) 湿陷性黄土的工程特性
湿陷性黄土的主要特性是湿陷性, 当它未受水浸湿时, 一般强度较高, 压缩性较小, 一旦受水浸湿, 土的结构迅速破坏, 并产生显著的附加沉降, 其强度也随着迅速降低, 引起建筑物不均匀沉降而开裂损坏。
2) 湿陷性黄土地基的变形特征
(1) 湿陷变形量大
湿陷变形与压缩变形不同, 对于大多数湿陷性黄土地基, 施工期间就能完成大部分压缩
变形, 竣工后3-6月即可基本趋于稳定, 总变形量一般不超过5～10cm, 但湿陷变形量较
大, 常超过压缩变形几倍甚至十几倍。
(2) 湿陷变形发展快、 速率高
湿陷变形较压缩变形发展快、 速率高, 浸水l～3h, 即能产生显著变形, 每小时变形量可达1~3cm, 1～2d内就可能产生20～30cm湿陷变形量。
(3) 湿陷变形发生在局部
湿陷变形主要由湿陷性黄土受水浸湿而产生的, 因此湿陷变形只出现在受水浸湿的部位, 就建筑来说, 往往呈现局部损坏。
( 4) 湿陷变形发生时间无规律
压缩变形一般发生在加荷过程及加荷结束后一定时间内; 而湿陷变形发生的时间就无规律可循, 完全取决于受水浸湿的时间, 有的建筑物在施工期间即产生湿陷变形, 有的则在正常使用几年甚至几十年后才出现湿陷变形。
综上所述, 由于湿陷性黄土地基的湿陷变形具有变形量大、 发展快、 速率高, 发生在局部等特点, 往往造成建筑物局部过大的不均匀沉降而开裂损坏。
3人工填土地基 注: 到7章综合介绍.
人工填土是指由于人类活动而堆填的土。根据其组成和成因, 可分为素填土、 杂填土和冲填土。
素填土是由碎石土、 砂土、 粉土、 粘性土等组成的填土, 一般不含杂物或杂物很少。近年来, 由于用地紧张, 素填土地基大量应用, 特别是丘陵和山区地基, 如新建的昆明机场进行了大量的土方开挖和回填, 最大厚度几十米。杂填土是由建筑垃圾、 工业废料、 生活垃圾等杂物组成的填土。杂填土分布较广, 在城市和工矿区经常能遇到。冲填土是由水力冲填泥沙形成的填土, 冲填土分布在沿海和沿江地区, 在长江、 上海黄浦江和广州珠江两岸以及天津沿海等地区有分布。
1) 人工填土地基的工程特性
(1) 不均匀性
人工填土由于其组成成分复杂, 回填方法的随意性, 其厚度差别又较大, 因此人工填土一般都不均匀, 其中尤以杂填土因组成物质复杂, 不均匀性最为严重。图3.1 为河北某填土上的建筑, 由于不均沉降产生的裂缝。

图3. 某填土地基不均匀沉降使墙体产生的裂缝
(2) 湿陷性
人工填土由于天然结构被破坏, 土质疏松, 孔隙率较高, 特别是气候较干燥和地下水位
较低的地区, 土在搬运和回填过程中因蒸发量大, 土中含水量大为降低, 在自重作用下得不
到压实, 一旦浸水, 即具有强湿陷性, 这在厚度较大的含粘性土的素填土中尤为突出。
(3) 抗剪强度低、 压缩性高
人工填土由于土质疏松, 密度差、 抗剪强度小、 承载力低。其压缩性与相同干密度的天然土相比要高得多, 特别是随着土中含水量的增加, 压缩性会急剧增大, 这在含粘性土的素填土中更为明显。冲填土由于含水量高, 透水性差, 常呈软塑和流塑状态, 承载力很低, 压缩性很高。
(4) 自重压密性
人工填土属于欠压密土, 在自重和雨水下渗的长期作用下有自行压密的特点, 但自重压
密所需时间常与其颗粒组成和物质成分有关, 颗粒越细, 自重压密所需时间越长。一般常需
几年至十几年。
2) 人工填土地基的变形特征
人工填土地基的变形特征与湿陷性黄土地基和软土地基的变形特征相似。由于人工填土具有不均匀性、 湿陷性、 强度低、 压缩性高和自身压密性等特点, 因而建造在这类地基上的既有建筑常因过大的不均匀沉降而开裂损坏。
4膨胀土地基
膨胀土是指土中粘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两种变形特性的粘性土。中国膨胀土主要分布在广西、 云南、 四川、 湖北、 河南、 陕西、 河北、 安徽、 贵州、 山东、 广东和江苏等地, 另外, 吉林、 黑龙江、 新疆、 江西、 海南、 北京和内蒙古等地也有少量分布。
1) 膨胀土的工程特性
膨胀土一般压缩性低、 强度高, 容易被误认为是良好的地基土。但由于膨胀土吸水膨胀和失水收缩的变形特性是可逆的, 随着季节气候变化, 重复吸水失水, 使地基产生重复的升降变形, 从而导致建筑物开裂损坏。如果对膨胀土特性缺乏了解, 或在设计和施工中没有采取必要的措施, 结果会给建筑物造成危害。
2) 膨胀土地基的变形特征
膨胀土地基建筑物变形破坏大致具有如下特征:
( 1) 由于膨胀土地基的重复不均匀胀缩变形, 建筑物也就相应地作升降运动, 导致墙体出现裂缝。外纵墙裂缝多出现在门窗洞口上下部位, 以斜裂缝为主, 也有出现”X”形裂缝, 有时因外侧地基收缩较大, 导致条形基础下沉转动, 造成窗台下出现纵向水平裂缝; 山墙裂缝较为普遍, 多呈现倒”八”字形裂缝, 有时也形成竖向裂缝; 内横墙多呈倒”八”字形裂缝或斜裂缝; 内纵墙一般开裂较轻。
( 2) 地坪开裂较为普遍, 特别比较空旷的建筑物及内廊或外廊式房屋, 地坪常出现纵向长裂缝。
( 3) 建于坡地上的建筑物, 由于坡地临空面大而失水条件好, 除了有竖向变形外, 有时还有水平位移, 因此, 坡地上的建筑物较平坦场地损坏严重而普遍。
( 4) 当地质条件大致相同的条件下, 建筑物开裂破坏一般以低层砖混结构最为严重, 多层较轻, 这是由于建筑物的变形随荷重的增加而减小, 随基础埋深的增加而减小。
( 5) 膨胀土地基上的建筑物, 一般在建成三、 五年才出现裂缝, 也有十几年才开裂的。这是因为地基土含水量的变化是受场地的地形地貌、 工程地质和水文地质条件、 气候以及人为活动等诸因素综合影响的结果, 变化过程较为缓慢。
5液化土
液化并不是一种罕见的现象, 当在海边沙滩上漫步行走时, 往往感到沙滩比较坚实。可是, 如果站在一处原地踏步或颤动, 就会发现水向外渗, 砂土迅速变软并流动, 脚向下沉陷, 这就是砂土液化现象。地震、 机器的振动、 打桩、 爆破以及海洋的波浪, 都可能引起砂土液化。从理论上讲, 砂土液化, 就是处于饱和状态的砂土(特别是粉、 细砂), 在动力的作用下, 有被振密的趋势。这种快速的密实趋势, 使砂土孔隙中的水压力逐渐上升而来不及消散, 致使原来由砂粒经过接触点所传递的应力(称为有效应力)减小。当有效应力完全消失时, 土的抗剪强度为零, 承载力丧失。这时, 土颗粒随水漂流。这种在动荷载作用下, 因孔隙水压力上升使砂土或粉土完全丧失抗剪强度, 成为流动状态的现象, 称为砂土的液化
1) 影响液化土的主要因素
在一定的地震荷载作用下, 饱和砂土或粉土是否发生液化和发生液化的程度, 主要由土自身的特性和环境条件决定, 经过大量研究发现: 颗粒的粒径、 密度、 粘粒成份含量、 土层形成的地质年代、 地震历史、 饱和程度及现场条件, 如土层厚度、 地下水位条件、 渗透能力等都会影响砂土液化。研究表明, 砂土颗粒尺寸越小, 越容易发生液化; 砾石、 粗砂难以液化。一般易于液化的颗粒粒径为0.08mm左右。密度是影响液化的一个重要因素, 一般用相对密度来研究。当相对密度小于或等于50％时, 液化应力比与相对密度之间呈线形关系。饱和度也是影响砂土液化的一个不可忽视的因素, 饱和度越大, 越易液化。土中粘粒含量对液化的影响也不可忽视, 理论分析和实践表明, 当粉土内粘粒含量超过某一限值时, 粉土就不会液化。这是由于随着土中粘粒的增加, 使土的粘聚力增大, 从而抵抗液化能力增加的缘故。另外, 荷载的形式和幅度大小也能影响砂土液化。
2) 液化土地基的变形特征。
( 1) 地面下沉
饱和疏松砂土因振动而趋于密实, 地面随之下沉, 结果可使低平的滨海地带居民生计受到影响, 甚至无法生活。唐山地震时, 距离几十公里的天津汉沽区富庄大范围下沉, 原来平坦的地面整体下沉达1．6～2．9mm。
( 2) 地表塌陷
地震时砂土中孔隙水压力剧增, 当砂土出露地表或其上覆土层较薄时, 即发生喷砂冒水, 造成地下淘空, 地表塌陷。中国海域和唐山两次大地震, 均导致了附近滨海冲击平原上大面积喷砂冒水。喷出的砂水混合物高达3～5 mm, 形成了许多圆形、 椭圆形陷坑, 坑口直径3～8 m。
( 3) 地基土承载力丧失
持续的地震会使砂土中孔隙水压力上升, 导致土粒中有效应力下降。当有效应力趋于零时, 砂粒即处于悬浮状态, 丧失承载能力, 引起地基整体失效。唐山地震时, 唐山和天津地区许多房屋、 桥梁和铁路路段都因地基失效而破坏。
( 4) 地面流滑
斜坡上若有液化土层分布时, 地震会导致液化流滑而使斜坡失稳。有时场地地面极缓, 甚至近于水平也发生滑移。如: 1971年美国圣费尔德地震滑移地段, 地面坡度仅为2度。而唐山地震时, 天津市河东区柳林一带的严重滑移, 则为水平场地。
6多年冻土
多年冻土是指温度连续三年或三年以上保持在或以下, 并含有冰的土层。多年冻土的强度和变形有许多特殊性。例如, 冻土中因有冰和未冻结水的存在, 故在长期荷载作用下有强烈的流变性。多年冻土作为建筑物地基需慎重考虑, 需要采取处理措施。
8盐渍土
常将易溶盐含量超过的土称为盐渍土。盐渍土中的盐遇水溶解后, 物理和力学性质均会发生变化, 常出现强度降低和地基溶陷现象。某些盐渍土( 如含的土) 在温度或湿度变化时, 会发生体积膨胀。盐渍土中的盐还会导致地下设施材料腐蚀。中国盐渍土主要分布在西北干旱地区的新疆、 青海、 甘肃、 宁夏、 内蒙古等地势低平的盆地和平原中。在华北平原、 松辽平原、 大同盆地以及青藏高原一些湖盆洼地中也有分布, 在滨海地区也有存在。

禁忌4 确定地基基础方案时考虑不全面
确定地基基础方案与其说是一门技术, 不如说是一门艺术。由于建筑的类型不同及地基条件的复杂性, 因而可组合成多种地基处理方法和基础方案, 需考虑的因素很多, 归纳如下几点:
1场地周围环境
确定地基基础方案时, 首先应了解场地周围环境, 特别注意山区、 丘陵和坡地。判断周围场地是否存在危害建筑场安全的地质灾害、 洪水等。图4.1为 舟曲泥石流发生后现场图片, 图片中被泥石流覆盖的部位原有很多建筑, 泥石流爆发时, 均被冲走或掩埋, 造成重大人员伤亡和财产损失。这是典型的没有考虑场地周围环境进行建筑的案例。

图4.1 舟曲泥石流后现场照片
2场地的稳定
建筑场地必须满足稳定性要求, 包括现状的稳定、 在建筑荷载作用下的稳定、 在地震荷载作用下的稳定、 水的冲刷的稳定、 分析地基基础施工对稳定的影响等问题。场地一旦出现稳定问题, 对建筑物的破坏将是灾难性的。
3建筑物的结构特点和使用要求
地基基础是为上部建筑服务的, 地基基础设计要满足上部建筑对承载力和变形的要求。因此, 应分析上部结构的型式、 规模、 用途、 荷载大小与性质、 整体刚度以及对不均匀沉降的敏感性等。使拟选用的地基基础方案满足结构和使用功能的要求。不同结构形式的特点见本章禁忌5。
4地基土的分布和工程特性
地基土是基础和上部建筑的载体。应掌握场地类型、 了解场地土层分布、 各土层的物理力学性质、 地基承载力等。具体见本章禁忌2、 禁忌3、 和第一章禁忌? 禁忌? 。
5分析地下水的情况
地下水和基础工程联系紧密, 具体参看本章禁忌? 。当在勘察报告中有明确的地下水的描述和对工程的影响分析时, 设计人员会重视并采取措施。有些情况下地下水是瞬时或季节性的, 设计人往往重视不够。如图4.2, 某4层框架结构建筑, 建在山坡上, 场地地质条件很好, 采用柱下承台基础。由于勘察报告结论, 在勘察深度范围内没有地下水, 设计人没有采取任何防水措施。该建筑物还没有建成, 雨季时地面常常冒水。分析原因是雨季山上的水, 经过岩石裂隙向山下流。该建筑基础施工切断部分岩石裂隙, 水流至基础下时, 由于山上水存在一定压力, 从建筑物地面冒出。

图4.2 山坡上建筑裂隙水从地面冒出示意图
6调研场地周围既有建筑和设备管线情况
新建筑物的地基处理方法、 基础施工、 基坑支护、 基坑降水、 新建筑物荷载在地基中的扩散等, 都可能对既有建筑和设备管线造成影响。因此确定地基地基基础方案时, 需考虑周围既有建筑和设备管线情况, 避免采用可能对周围既有建筑和管线造成危害的方案。具体调查包括以下内容:
1) 既有建筑的当前使用情况, 特别是沉降是否稳定, 变形是否超出规范要求, 这一点常被忽略。一些既有建筑沉降还没有稳定或地基变形已超出规范范围, 周围地基基础施工时, 上述情形可能加剧, 甚至造成既有建筑的破坏。
2) 既有建筑的结构形式、 基础类型和埋深、 地基处理方法。此调查目的是为分析周围既有建筑承受新建筑地基基础施工、 基坑支护、 降水、 荷载扩散的影响程度。
3) 周围市政管线情况。
7调研当地类似工程资料
了解当地类似工程的情况, 对确定地基基础方案有很大帮助。可调查类似工程的地基处理方法、 基础形式、 地基基础施工中出现的问题、 沉降是否稳定、 稳定后的沉降量等。根据调查结果进行分析, 在确定地基基础方案时, 借鉴这些经验, 避免发生已出现的错误。
8考虑地震因素
确定地基基础方案时, 应考虑地震因素。地震对地基基础的影响有很多方面, 如液化造成的整体失稳、 软土地基的震陷等, 具体参照本章禁忌?
9考虑施工因素
好的地基基础方案应充分考虑地基基础施工因素, 具体考虑以下几点:
1) 所需的建筑材料和设备当地容易解决;
2) 不影响周围既有建筑和设备管线的正常使用;
3) 施工工艺相对简单, 质量容易控制;
4) 施工效率高;
5) 施工监测和工程检测容易操作。
10分析判断地基基础设计的关键控制点
所谓关键点就是影响基础安全的关键因素。地基基础设计的核心是变形控制设计, 包括分析不同结构的变形特征、 沉降量的控制方法、 变形协调、 施工工艺对地基变形的影响等, 具体参考本章禁忌
11确定地基处理方法
根据地质条件和上部结构的要求, 结合当地经验, 考虑周围环境因素、 施工工艺、 造价、 检测方法等, 确定地基处理方法。如采用的地基处理方法当地没有经验或经验较少时, 应先进行现场试验, 根据试验结果完善地基处理方法。地基方法的确定参照本章禁忌9。
12确定基础形式
基础的作用是将上部结构的荷载传递到地基土中, 因此, 确定基础形式时, 应根据常见的基础形式, 考虑上部结构荷载、 地下空间的使用要求、 地基变形特征、 施工因素等综合确定。
13 综合经济比较
考虑地基基础方案时, 经济指标也是一个重要的因素, 在满足安全的情况下, 尽可能选择造价低的地基基础方案。地基基础工程中, 影响造价的因素很多, 一些设计人员常常考虑不全, 为此, 本章禁忌19就地基基础的经济指标问题专门做了介绍。

禁忌3.5考虑地基基础方案时忽略上部结构特点和变形特征
地基基础是整个上部结构的载体, 是为上部结构服务的, 因此地基基础方案的确定应考虑上部结构的形式、 荷载特征、 刚度特点等。常见的结构形式分为框架结构、 剪力墙结构、 框架剪力墙结构、 筒体结构、 砌体结构、 排架结构等。
1 框架结构
1) 结构特点
框架结构是由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构, 框架柱的截面一般为矩形、 方形、 正多边形、 圆形等形状, 梁截面多为矩形, 楼板多为现浇钢筋混凝土。框架结构具有布置灵活可形成大的使用空间、 抗侧和整体刚度小等特点。图3.5.1为某框架结构轴测图和平面图。

图3.5.1 某框架结构轴测图和平面图
2) 基础荷载特征
框架结构荷载一般经过柱传给基础, 传给基础的荷载特征是在柱网均匀的条件下, 角柱、 边柱的荷载小于内柱。
3) 地基变形特征
框架结构整体刚度小, 地基变性一般呈内大外小的特征, 对不均匀沉降敏感, 设计时应控制相邻柱基的沉降差、 总沉降量、 在地质条件不均匀且采用天然地基条件下可能出现整体倾斜。
2 剪力墙结构
1) 结构特点
所谓剪力墙结构就是用钢筋混凝土墙来承受竖向和水平荷载的结构体系, 其结构特点抗水平力能力强, 能抵抗很大的风荷载和地震荷载, 结构水平位移小。竖向整体刚度大, 能调整不均匀沉降。其缺点是结构自重大, 建筑平面布置局限性大, 难获得很大的建筑空间, 一般适用于住宅、 旅馆等。图3.4.2为某剪力墙结构轴测图和平面图。

图3.5.2 某剪力墙结构轴测图和平面图
2) 基础荷载特征
上部结构荷载经过墙体传给基础, 由于墙体竖向刚度大, 基础荷载呈线性分布, 较均匀, 外墙荷载一般小于内墙, 电梯、 楼梯间荷载集度约大一倍。
3) 地基变形特征
由于普通剪力墙结构竖向刚度大, 能利用自身的刚度调整不均匀沉降, 因此地基变形均匀。地基基础设计时应控制总沉降量, 避免出现整体倾斜。
3 框架-剪力墙结构
1) 结构特点
框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙组成的结构体系, 其中剪力墙将承担大部分水平荷载, 而框架只承担较小部分水平荷载。它具有两种结构体系的优点, 既能形成较大的使用空间, 又具有较好的抵抗水平荷载的能力。图3.5.3为某框架剪力墙结构平面和轴测图。

图3.5.3 某框架剪力墙结构平面和轴测图
2) 基础荷载特征
上部结构荷载经过柱和剪力墙传给基础, 由于墙体自重的影响, 基础荷载分布不均匀, 墙下荷载较柱下荷载大, 特别是电梯井和楼梯间剪力墙相对集中区域。墙体竖向刚度大, 墙下荷载呈线性分布, 较均匀。
3) 地基变形特征
框架-剪力墙结构地基变形特征和剪力墙布置位置有关, 由于剪力墙部位基础荷载较大, 对应部位一般沉降量较大, 特别是电梯井和楼梯间部位。设计时应控制剪力墙与相邻柱基的沉降差、 总沉降量, 在地质条件不均匀或荷载分布严重不均且采用天然地基条件下可能出现整体倾斜。
4筒体结构
1) 结构特点
筒体结构的种类很多, 常见的有框架-核心筒结构和筒中筒结构。框架核心筒结构是由钢筋混凝土核心筒和周边框架组成, 主要抗侧力结构为核心筒, 如图3.5.4。筒中筒结构的内筒一般是由钢筋混凝土剪力墙和连梁组成的薄壁筒, 外筒为密柱和裙梁组成的框筒, 和框架-核心筒结构相比,筒中筒结构的外筒柱距较密。

图3.5.4 某框架-核心筒结构平面和轴测图
2) 基础荷载特征
对于框架-核心筒结构和筒中筒结构其基础荷载分布最大的特征是核心筒和内筒的荷载集度为外围的2倍以上, 荷载分布严重不均。如图3.5.5, 某工程核心筒区均压, 外围框架区均压为, 。特别是对于内部采用钢筋混凝土筒, 外部采用钢结构框的高层建筑, 内外传至基础底板的荷载差异更大。

图3.5.5 某工程核心筒和外框荷载分布图
3) 地基变形特征
由于荷载严重不均, 地基变形特征呈内大外小的碟形, 即出现较大的差异沉降。图3.5.6为某筒体结构沉降等值曲线, 从沉降值看, 内外沉降相差4倍左右, 出现明显的碟形沉降。类似的情况很多, 对此, 《建筑桩基技术规范》JGJ94- 中3.1.8条规定, 对筒体结构地基基础设计时, 为减小差异沉降应采用变刚度调平设计。为增加基础刚度, 《建筑地基基础设计规范》GB50007- 中8.4.1条规定‘框架-核心筒结构和筒中筒结构宜采用平板式筏形基础’。

图3.5.6 北京某框筒结构沉降等值线图
5砌体结构
1) 结构特点
砌体结构一般是由砌体作为竖向和水平受力构件, 砌体可采用粘土砖或其它建筑材料加工成的砖。考虑抗震要求, 一般设置钢筋混凝土圈梁和和构造柱。由于圈梁构造柱的设置, 整体刚度一般较好。图3.5.7为作者拍摄的 舟曲泥石流灾害