项目1 地基基础认知

任务1 地基基础的基本概念

任务引入

“楼倒倒”事件回放：2009年6月27日清晨，上海市闵行区莲花南路、罗阳路口西侧“莲花河畔景苑”小区内一栋在建的13层住宅楼倒塌，由于倒塌的高楼尚未竣工交付使用，所以没有酿成特大居民伤亡事故，只是造成一名施工人员死亡。该楼整体朝南侧倒下，13层的楼房在倒塌中并未完全粉碎，楼房底部原本应深入地下的数十根混凝土管桩被“整齐”地折断后裸露在外，如图1-1所示。

在2009年7月3日的新闻发布会上，事故调查专家组组长、中国工程院院士江欢成说：“事发楼房附近有过两次堆土施工。第一次堆土施工发生在半年前，堆土距离楼房约20m，离防汛墙10m，高3~4m。第二次堆土施工发生在6月下旬。第二次堆土是造成楼房倾覆的主要原因。土方在短时间内快速堆积，产生了3000t左右的侧向力，加之楼房前方由于开挖基坑出现凌空面，导致楼房产生10cm左右的位移，对PHC桩（预应力高强混凝土）产生很大的偏心弯矩，最终破坏桩基，引起楼房整体倾覆。”

在当今新型城镇化建设的背景下，许多城市高楼大厦鳞次栉比，但人们越来越对身边的建筑物的安全状况感到普遍忧虑。从该事件来看，楼房上部结构设计施工没有任何问题，是由于下部结构——基础出了问题并且地基土层受到了各类不良条件的影响，引发了财产损失、危及了生命。那么究竟什么是地基、什么是基础呢？地基与基础对于建筑物的整体安全性又具有怎样的意义呢？

相关知识

1. 土力学

土力学是应用工程力学方法来研究土的力学性质的一门学科，是土木工程的一个分支。它专门研究土的工程性质与受力状态，用于解决地基与基础及有关工程问题。土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体，包括人工土体和自然土体，以及与土的力学性能密切相关的地下水。奥地利工程师卡尔·太沙基（1883—1963）首先采用科学的方法研究土力学，被誉为“现代土力学之父”。土力学被广泛应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计中。土力学的内容主要包括土的基本物理性质和工程性质；土力学的基本理论和基本分析方法；土力学的工程应用。

对于一线从事土木工程生产与技术服务的各类技术员而言，要掌握地基及基础的施工工艺，必须对以上三个方面都有所了解，但侧重点有所不同。例如，对土的基本物理性质和工程性质要重点掌握，而对于土力学的理论和分析方法，应多从工程应用与实践的角度来掌握学习，能够做到理论联系实际，以解决工程实际问题为目的，而不是侧重土体的受力理论分析和公式推导。本课程所涉及的土力学的原理，主要是用来指导地基与基础工程实践的理论基础。

2. 地基与基础

常言道“万丈高楼平地起”，人们很早就意识到“建筑物”与“地”两者之间的密切关系。具体而言，一切建筑物（构筑物）都被建造于地球的地壳表面之上，地表的岩土地层是直接承受建筑上部荷载的基本物质，也是建筑物赖以安全稳固的根基，它们相互依存，不可分离。

（1）基础。基础是建筑物向地基传递荷载的下部结构，是建筑物的墙或柱埋在地下的扩大部分，是建筑物的“脚”。其作用是承受上部结构的全部荷载，把它传给地基。中国在建筑物的基础建造方面有悠久的历史。从陕西半坡村新石器时代的遗址中，发掘出的木柱下已有掺陶片的夯土基础；战国时期，已有块石基础；北宋元丰年间，基础类型已发展到木桩基础、木筏基础及复杂地基上的桥梁基础、堤坝基础，基础形式日臻完善。1872年，世界第一座钢筋混凝土结构的建筑在美国纽约落成，标志着钢筋砼开始被用于建造各种楼板、柱、基础等。

（2）地基。地基是指基础底面以下，承受基础传递过来的建筑物荷载而产生应力和应变的岩土层。基础是建筑物的组成部分，而地基则不是。值得注意的是，建筑物所坐落的自然地壳表面的地质环境，并非是永久不变的，而是伴随着地壳的不断活动，处在不断的变化之中。地震的出现、火山的爆发与山体的滑坡，都有可能对建筑物所处的地基岩土层产生极为不利的影响。例如，在产生较为强烈的地震时，地基失去承载能力，或突然产生过大的沉陷，或发生不均匀沉陷等，都会导致建筑物的墙体开裂乃至倒塌，引发各类财产损失，危及人们的生命安全。

地基一般应具有较高的承载力与较低的压缩性，以满足地基与基础设计的两个基本条件（强度条件与变形条件）。软弱地基的工程性质较差，需经过人工地基处理才能达到设计要求。通常把不需处理而直接利用天然土层的地基称为天然地基；把经过人工加工处理才能作为地基的称为人工地基。人工地基施工周期长、造价高，因此建筑物一般宜建造在良好的天然地基上，当然人工处理也是有很多种办法可以实现的，本书学习单元7将涉及此问题。

（3）持力层。持力层是指直接与基础地面接触的土层，可以理解为基础直接“坐落”的土层。

（4）下卧层。下卧层是指地基内持力层下面的土层。

上述几个名词之间的位置关系可以通过图1-2所示来表示。

3. 地基与基础在工程实践中的地位及重要性

地基基础是建筑物的根基，它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。而且地基基础是隐蔽工程，一旦发生地基基础质量事故，事后进行处理就非常困难，有时甚至无法补救。从工程经济看，地基基础工程占整个建设工期和费用的比例相当大，有些建筑物的地基基础，其工程造价高达总造价的30%以上。

在众多工程事故中，很多与地基基础问题有关。意大利比萨斜塔（见图1-3）自1173年9月8日动工，至1178年建至第4层中部、高度为29m时，因塔明显倾斜而停工。94年后，1272年复工，经6年时间建完第7层，高48m，再次停工中断82年。1360年再次复工，至1370年竣工，前后历经近200年。目前，塔北侧沉降约1m，南侧下沉近3m，倾斜已达到极危险状态。比萨斜塔出现倾斜的主要原因是土层强度差，塔基的基础深度不够（只有3m深），再加上采用大理石砌筑的塔身非常重，因而造成塔身不均衡下沉。

加拿大特朗斯康（Transcona）谷仓（见图1-4），南北长59.44m，东西宽23.47m，高31.00m。基础为钢筋砼筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。谷仓1911年动工，1913年秋完成。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后总重的42.5%。1913年9月装谷物至31822m³时，发现谷仓1h内沉降达30.5cm并向西倾斜，24h后倾倒，西侧下陷7.32m，东侧抬高1.52m，倾斜27°。地基虽破坏，但筒仓却安然无恙，后用388个50t千斤顶纠正后继续使用，但位置较原先下降4m。事故的原因：设计时未对地基承载力进行研究，而采用了邻近建筑地基352kPa的承载力。1952年的勘察试验与计算表明，该地基的实际承载力为193.8~276.6kPa，远小于谷仓地基破坏时329.4kPa的地基压力，地基因超载而发生强度破坏。

一般认为，地基与基础在设计时应考虑如下几个方面的因素。

（1）施工期限、施工方法及所需的施工设备等。

（2）在地震区，应考虑地基与基础的抗震性能。

（3）基础的形状和布置，以及与相邻基础和地下构筑物、地下管道的关系。

（4）建造基础所用的材料与基础的结构形式。

（5）基础的埋置深度。

（6）地基土的承载力。

（7）上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降的敏感度。

单从地基基础施工的角度而言，它是现场施工的第一步重要工序，其施工的质量往往是整个建筑物施工质量控制的基础。我国作为一个土地面积辽阔的国家，工程所在地的地质情况往往会随着地域条件的不同而存在着较大的差异，这就对工程建设中的地基施工带来了严峻的挑战，同时对地基基础施工的质量也提出了更高的要求。

任务实施

步骤1：利用计算机及手机进行网络信息检索和查阅图书资料对比，指出图1-5（a）~图1-5（c）所示的基础是何种类型？

步骤2：观察图1-6所示的现场图，判断其所属的基础类型，分别讨论其材料组成及用途。

任务2 课程导学

任务引入

位于A市科教园区的某职业学院内部隔离开了一块非常大的场地，首先出现了卡车、挖土机、水泥、砂石等建筑材料，然后工人利用挖土机、铲运机等机械设备挖了一个很大的基坑，四周是各类临时建筑物，有工人的临时活动式板房，挂着标识牌的钢筋加工场、工地临时办公室……张强从一开始就对校园内工地上的人和物都仔细进行了观察并进行手机拍照和写日记。他相信，有这样一个工程实体，自己肯定能把地基基础这门课学好，而且随着工程后期的不断建设，他还能学到更多方面的施工内容。

相关知识

在基于岗位工程系统化的视角下，本课程知识体系的编排如图1-7所示。

任务实施

步骤1：掌握地基与基础的基本理论与学习方法

地基与基础是一门理论性和实践性均较强的专业课，它涉及工程地质学、土力学、建筑结构、建筑材料及建筑施工等学科领域，内容广泛、综合性强。学习时应理论联系实际、抓住重点、掌握原理、搞清概念，从而学会分析计算与工程施工应用。学习本课程时应注意以下问题。

（1）重视工程地质基本知识的学习，例如，掌握土的物理性质指标和基本分类、工程地质构造等，这些能够帮助人们正确地阅读和分析岩土工程勘察报告及相关的图文资料，有助于在工程现场进行验槽。

（2）要熟悉土的应力、变形、强度的基本原理，但不要拘泥于土的自重应力和附加应力的各类计算、地基变形计算及地基承载力的计算，而是以此作为理论计算指导，更好地帮助做好现场的施工技术方案和相关的施工文件。

（3）应用已掌握的基本概念和原理并紧密结合建筑制图、建筑材料、建筑结构以及其他课程的理论和前期的技能训练，能够掌握浅基础、深基础、挡土墙的构造及施工步骤以方便展开施工，同时熟悉对各类土体的地基处理。

（4）重视学习工程技术标准规范及实际工程图纸，以及做好相关的土工试验。应熟知《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）等标准，同时多实地观察学习，结合实际工程图纸进行实物对照学习。有关土工试验的内容限于篇幅本书并未涉及，在后期将出版配套的试验学习手册或电子资源以供使用。

步骤2：了解该学科的历史发展与未来前景

《韩非子》有云：“堂高三尺、茅茨土阶。”地基及基础既是一项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。追本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址和殷墟遗址的考古发掘就发现有土台和石础、举世闻名的长城、蜿蜒流淌的京杭大运河、历代王朝的宫殿寺院也全部是依靠精心设计并建造的地基基础，才能逾千百年留存至今。

赵州桥（见图1-8）建于隋代大业元年至十一年（公元605~616），由著名石匠李春修建，是世界上现存最早、保存最好的石拱桥。其桥台设置成浅而小的普通矩形，厚度仅1.529m，由五层排石垒成，砌置于密实的粗砂层上，基底压力为500~600kPa，1400多年来沉降甚微（仅几厘米），这就有力地保证了赵州桥在漫长的历史过程中，经受住无数次洪水的冲击、8次大地震的摇撼，以及车辆的重压，至今仍安然无恙。

桩基和人工地基用于房屋建筑工程之中，在我国历史上由来已久。如郑州隋朝时期建造的超化寺（见图1-9）的塔基，采用的就是桩基。许多古建筑的基础也采用了灰土垫层。但是由于当时生产力发展水平的限制，这些地基基础的高超技艺未能提炼成系统的科学理论。

18世纪欧洲工业革命开始以后，随着资本主义工业化的发展，城市建设、水利、道路等的兴建推动了土力学的发展。1773年法国的库仑（Coulomb）根据试验创立了土的抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力理论；1857年英国的朗肯（Rankine）通过不同假定，又提出了另一种计算挡土墙土压力理论；1885年法国的布辛奈斯克（Boussinesq）求出了弹性半空间在竖向集中力作用下应力和变形的大小等。到了20世纪20年代，美籍奥地利土力学家太沙基（Terzaghi），在归纳并发展了前人研究成果的基础上，分别发表了《土力学》和《工程地质学》等专著。这些带动了各国学者对本学科各方面进行研究和探索，并取得不断的进展。

进入21世纪以来，国内外各类高层建筑、大跨度桥梁、大型水利工程的开发和核电站项目的兴建，进一步推动了土力学与地基基础工程的理论创新和工程实践发展。我国在勘察、测试、设计和施工方面都出现了很多精品工程，积累了宝贵的设计与施工经验。例如，高速铁路宛如钢铁长龙，盘亘在祖国的广袤大地上，其坚固耐久的地基基础工程起了功不可没的作用，为高速列车的行车安全和旅途舒适提供了技术保障。未来随着人类探索海洋空间、利用开发地下空间和开发各类新型建筑，地基基础工程学科将扮演更为重要的角色，为人类建造美好和谐家园、创造未来新世界提供强大的科学武器。