导图社区 基础和地下室
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编辑于2021-05-06 19:25:23第六章基础和地下室
一、概述
1.基础和地基的基本概念
(1)基础 (是建筑物的组成部分)
定义:建筑物与土层直接接触的部分
作用:承受着建筑物的全部荷载,并将其传给地基。
(2)地基 (不是建筑物的组成部分)
定义:支承建筑物重量的土层
作用:承受建筑物荷载的土壤层。
组成
持力层
具有一定的地耐力,直接支承基础,持有-定承载能力的土层称为持力层;
下卧层
持力层以下的土层称为下卧层。
分类(按土层性质)
天然地基
定义:凡天然土层具有足够的承载力,不需要经过人工改良或加固,可直接在其上建造房屋的地基称为天然地基。 (一般呈连续整体状的岩土层或由岩石风化破碎成松散颗粒的土层可作为天然地基。)
分类:天然地基根据土质不同可分为岩土、碎石土、砂土、粉土、黏土、黏性土和人工填土六大类。
人工地基
定义:当建筑物上部的荷载较大或地基土层的承载能力较弱,缺乏足够的稳定性,须预先对土壤进行人工加固后才能在上面建造房屋的称人工地基。
人工加固地基方法
压实法
压实法是利用人工方法挤压土壤,排走土壤中的空气,提高土的密实性,从而提高土的承载能力,如夯实法、重锤夯实法和机械碾压法
换土法
换土法是将基础下一定范围内的土层挖去,然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等,并夯至密实
打桩法
打桩法一般是将钢筋混凝土桩、水泥土桩、石灰桩或灰土桩等打人或灌入土中,把土壤挤实或者把桩打人地下坚实的土壤层中,从而提高土壤的承载能力。
化学加固法
地基土层在荷载作用下产生的变形,随着土层深度的增加而减少,到了一定深度则可忽略不计。
2.地基与基础的设计要求
1) 基础应具有足够的强度和耐久性
基础处于建筑物的底部,是建筑物的重要组成部分,对建筑物的安全起着根本性作用,因此基础本身应具有足够的强度和刚度来支承和传递整个建筑物的荷载。
基础是埋在地下的隐蔽工程,建成后检查和维修困难,所以在选择基础材料和构造形式时,应考虑其耐久性与上部结构相适应。
2)地基应具有足够的强度和均匀程度
地基直接支承着整个建筑物。对建筑物的安全使用起着保证作用,因此地基应具有足够的强度和均匀程度。建筑物应尽量选择地基承载力较高而且均匀的地段,如岩石、碎石等。
地基土质应均匀,否则基础处理不当,会使建筑物发生不均匀沉降,引起墙体开裂,甚至影响建筑物的正常使用。
3)造价经济
基础工程占建筑总造价的10% ~40%,因此选择土质好的地段,降低地基处理的费用,可以减少建筑的总投资。需要特殊处理的地基,也要尽量选用地方材料及合理的构造形式。
二、基础的埋置深度
1.基础的埋置深度概述
室外设计地面至基础底面的垂直距离称为基础的埋置深度,简称基础的埋深。
分类
深基础(填埋深度≥4m)
基础埋深大于基础宽度、设计考虑侧切力、施工需特殊机械施工的基础称为深基础。(如桩基、地下连续墙基础等)
浅基础(填埋深度≤4m)
不埋基础(直接做在地表面上)
在保证安全使用的前提下,应优先选用浅基础,可降低工程造价。但当基础埋深过小时,有可能在地基受到压力后,会把基础四周的土挤出,使基础产生滑移而失去稳定,同时宜易受到自然因素的侵蚀和影响,使基础破坏,因此,基础的埋置需要一个适当的深度,既保证建筑物的坚固安全,又节约基础的用材,并加快施工速度。
根据实践证明,在没有其他因素影响的条件下,除岩石地基外,基础的埋置深度不宜小于0.5 m。
2.影响基础埋深的因素
1)建筑物的使用性质及用途
多层建筑一般根据地下水位及冻土深度来确定埋深尺寸。
当建筑物设置地下室、 设备基础或地下设施时,基础埋深应满足其使用要求。高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。
在抗震设防区,除岩石地基外,天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15;桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/20~1/18。
位于岩石地基上的高层建筑,其基础埋深应满足抗滑要求。
2)工程地质条件
基础应建造在坚实可靠的地基上,基础底面应尽量选在常年未经扰动而且坚实平坦的土层或岩石上,因为在接近地表面的土层内,常带有大量植物根、茎的腐殖土或垃圾等,故不宜选作地基。由此可见,基础埋深与地质构造密切相关,在选择埋深时应根据建筑物的大小、特点、体型、刚度、地基土的特性、土层分布等情况区别对待。下面介绍儿种典型情况。
1)地基由均匀的、压缩性较小的良好土层构成,承载力能满足要求, 基础可按最小埋置深度建造[图6. 3(a)]。
(2)地基由两层土构成。上面软弱土层的厚度不超过2 m,而下层为压缩性较小的好土。这种情况般应将基础埋在下面良好的士层上[图6. 3(b)]
(3)地基由两层土构成,上面软弱土层的厚度在2~5 m之间。低层和轻型建筑物可争取将基础埋在表层的软弱土层内[图6. 3(c)]。如采用加宽基础的方法,以避免开挖大量土方、延长工期和增加造价。必要时可采用换土法、压实法等较经济的人工地基。而高大的建筑物则应将基础埋到下面的好土层上。
(4)如果软弱土层的厚度大于5m,低层和轻型建筑物应尽量将基础埋在表层的软弱土层内,必要时可加强上部结构或进行人工加固地基,如采用换土法、短桩法等,如图6.3(d)所示。高大建筑物和带地下室的建筑物是否需要将基础埋到下面的好土上,则应根据表层土的厚度、施工设备等情况而定。
(5)地基由两层土构成,上层是压缩性较小的好土,下层是压缩性较大的软弱土。此时,应根据表层土的厚度来确定基础的埋深。如果表层土有足够的厚度,基础应尽可能争取浅埋,同时注意下卧层软弱土的压缩对建筑物的影响,如图6. 3(e)所示。
(6)当地基是由好土与弱土交替构成,或上面持力层为好土,下卧层有软弱土层或旧矿床、老河床等,在不影响下卧层的情况下,应尽可能做成浅基础。当建筑物较高大,持力层强度不足以承载时,应做成深基础,如打桩法,将基础底面落到下面的好土上,如图6.3(f)所示。
3)地下水位的影响
地下水对某些土层的承载力有很大影响。如黏性土在地下水位上升时,将因含水量增加而膨胀,使土的强度下降;当地下水位下降时,使土粒直接的接触压力增加,基础产生下沉。为了避免地下水位变化直接影响地基承载力,同时防止地下水对基础施工带来麻烦和有侵蚀性的地下水对基础的腐蚀,一般应尽量将 基础埋置在地下常年水位和最高水位之上,这样可不需进行特殊防水处理,节省造价,还可防止或减轻地基土层的冻胀,如图6. 4(a)所示。当地下水位较高,基础不能埋置在地下水位以上时,应采取地基土在施工时不受扰动的措施,宜将基础底面埋置在最低地下水位以下不小于200 mm处[图6.4(b)]。
4)地基土壤冻胀深度的影响
应根据当地的气候条件了解土层的冻结深度,一般将基础的垫层部分做在土层冻结深度以下。冻结土与非冻结土的分界线,称为土的冰冻线。土的冻结深度主要取决于当地的气候条件,气温愈低和低温持续时间愈长,冻结深度愈大。如哈尔滨地区冻结深度为2 m左右,北京地区冻结深度为0.8~1.0 m,武汉地区基本上无冻结土。
当建筑物基础处在粉砂、粉土和黏性士等具有冻胀现象的土层范围内时,冬季土的冻胀会把房屋向上拱起;到了春季气温回升,土层解冻,基础又下沉,使房屋处于不稳定状态。由于土中冰融化情况不均匀,会使建筑物产生严重的变形,如墙身开裂、门窗倾斜,甚至使建筑物遭到严重破坏。因此,一般要求将基础埋置在冰冻线以下200 mm处,图6.5为基础埋深和冰冻线的关系。
5)相邻建筑物基础的影响
在原有建筑物附近建造房屋,为保证原有建筑物的安全和正常使用,新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑物的基础。当新建建筑物基础埋深大于原有建筑基础时,两基础间应保持一定净距,其数值应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况确定。当上述要求不能满足时,应采取分段施工,设临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施,或加固原有建筑物地基。. 般两基础之间的水平距离取两基础底面高差的1~2倍,基础埋深与相邻基础的关系如图6. 6所示。
6. 3基础的类型
6.3.1按材料及受力特点分类
1.无筋扩展基础
由刚性材料制作的基础称无筋扩展基础,也称刚性基础。所谓刚性材料,一般是指抗压强度高,而抗拉、抗剪强度低的材料。在常用材料中,砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土、三合土等均属刚性材料。所以砖、石砌体基础、混凝土基础称无筋扩展基础或刚性基础。无筋扩展基础适用于多层民用建筑和轻型厂房形成墙下条形基础或柱下独立基础。
从受力和传力角度考虑,由于土壤单位面积的承载能力小,上部结构通过基础将其荷载传给地基时,只有将基础底面积不断扩大,才能适应地基受力的要求。根据试验得知,上部结构(墙或柱)在基础中传递压力是沿一定角度分布的, 这个传力角度称压力分布角,或称刚性角,以a表示[图6. 7(a)]。由于刚性材料抗压能力强,抗拉能力差,因此,压力分布角只能在材料的抗压范围内控制。如果基础底面宽度超过控制范围,即由B'增大到B,致使刚性角扩大。这时,基础会因受拉而破坏[图6. 7(b)]。因此,刚性基础底面宽度的增大要受到刚性角的限制。
2.扩展基础
扩展基础是指柱下钢筋混凝士独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础。
当建筑物的荷载较大而地基承载能力较小时,基础底面B必须加宽,如果仍采用混凝土材料做基础,势必加大基础的深度,这样, 既增加了挖土工作量,而且还使材料用量增加,对工期和造价都十分不利,很不经济[图6. 8(a)]。如果在混凝土基础的底部配以钢筋,利用钢筋来承受拉应力,使基础底部能够承受较大的弯矩,这时,基础宽度的加大不受刚性角的限制,故称钢筋混凝土基础为扩展基础(也称非刚性基础或柔性基础)。在同样条件下,采用钢筋混凝土与混凝土基础比较,可节省大量的混凝土材料和挖土工作量。
为了保证钢筋混凝土基础施工时,钢筋不致陷入泥土中,常需在基础与地基之间设置混凝土垫层[图6.8(b)]。垫层的厚度不宜小于70 mm,垫层混凝土强度等级应为C10,基础混凝土强度等级不应低于C20。
6.3.2按构造型式分类
基础构造型式的确定随建筑物上部结构形式、荷载大小及地基土质情况而定。在一般情况下,上部结构形式直接影响基础的形式,当上部荷载增大,且地基承载能力有变化时,基础构造型式也随之变化。常见基础有以下几种。
1.条形基础
条形基础呈连续的带形,又称带形基础。形基础可分为墙下条形基础和柱下条形基础。
(1)墙下条形基础。当建筑物上部为混合结构,在承重墙下往往做成通长的条形基础。如-般中小型建筑常选用砖、石、混凝土、灰土和三合土等材料的刚性条形基础[图6.9(a)]。当上部是钢筋混凝土墙,或地基很差、荷载较大时,承重墙下也可用钢筋混凝土条形基础[图6. 9(b)]。
(2)柱下条形基础。当建筑物上部为框架结构或部分框架结构,荷载较大,地基又属于软弱土时,为了防止不均匀沉降,将各柱下的基础相互连接在一起,形成钢筋混凝土条形基础,使整个建筑物的基础具有较好的整体性。
2.独立式基础
当建筑物上部结构采用框架结构或单层排架结构及门架结构承重时,基础常采用方形或矩形的独立式基础,这类基础称为独立式基础或桂式基础[图6.10(a)]。独立式基础是柱下基础的基本形式。
当柱采用预制构件时,则基础做成杯口形,然后将柱子插人并嵌固在杯口内,因而称杯形基础[图6. 10(b)]。
3.井格式基础
当框架结构处在地基条件较差的情况时,为了提高建筑物的整体性,防止柱子之间产生不均匀沉降,常将柱下基础沿纵、横两个方向扩展连接起来,做成十字交叉的井格式基础,因而又称十字带形基础(图6.11)。
4.筏形基础
当建筑物上部荷载较大,而所在地的地基承载能力又比较弱,这时采用简单的条形基础或井格式基础已不能适应地基变形的需要,通常将墙或柱下基础连成一片,使整个建筑物的荷载承受在一块整板上成为筏形基础,这种地基大大减少了土方工作量。筱形基础整体性好,可跨越基础下的局部弱土,常用于地基软弱的多层砌体结构、框架结构、剪力墙结构的建筑,以及上部结构荷载较大的建筑。筏形基础按其结构布置分为平板式和梁板式两种。其选型应根据工程地质、上部结构体系、柱距、荷载大小以及施工条件等因素确定。图6.12为梁板式筏形基础。
图6.13为不理板式基础。不埋板式基础是在天然地表上,将场地平整并用压路机将地表士碾压密实后,在较好的特力层上,浇灌钢筋混凝土平板。这平板便是建筑物的基础。在结构上,基础如同一只盘子反扣在地面上承受上部荷载。
5.箱形基础
当板式基础做得很深时,常将基础改做成箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和若干纵、横墙组成的空心箱体的整体结构,共同承受上部结构荷载(图6. 14)。基础的中空部分可用作地下室(单层或多层的)或地下停车库。箱形基础整体空间刚度大,整体性强,能抵抗地基的不均匀沉降,较适用于高层建筑或在软弱地基上建造的重型建筑物。
6.桩基础
当建筑物上部荷载较大,而且地基的软弱土层较厚,地基承载力不能满足要求,做人工地基又不具备条件或不经济时,可采用桩基础,使基础上的荷载通过桩柱传给地基土层,以保证建筑物的均匀沉降或安全使用。桩基础由设置于岩土中的桩柱和连接于桩顶端的承台两部分组成。
(1)承台:承台是在桩柱顶现浇的钢筋混凝土板或梁,上部支承柱的为承台板;上部支承墙的为承台梁,承台的厚度由结构计算确定。
(2)桩柱:桩的种类很多,按桩的材料可以分为木桩、钢筋混凝土桩、钢桩等;按桩的人土方法可以分为打入桩、振人桩、压人桩和灌注桩等;按桩的受力性能又可以分为端承桩与摩擦桩。
桩基础把建筑物的荷载通过桩端传给深处的坚硬土层,这种桩称为端承桩[图6.15(a)];通过桩侧表面与周围土的摩擦力传给地基,称为摩擦桩[图6. 15(b)]。端承桩适用于表面软土层不太厚,而下部为坚硬土层的地基情况,端承桩的荷载主要由桩端应力承受。摩擦桩适用于软土层较厚,而坚硬土层距地表很深的地基情况,摩擦桩上的荷载由桩侧摩擦力和桩端应力承受。
当前用得最多的是钢筋混凝土桩,包括预制桩和灌注桩两大类。钢筋混凝土预制桩是在混凝土构件厂或施工现场预制,然后打人、压入或振人土中。桩身横截面多采用方形,桩长一般不超过12 m。预制桩制作简便,容易保证质量,目前多采用静压预制桩和打人式预制桩。
钢筋混凝土灌注桩是直接在桩位上就地成孔,然后在孔内灌注混凝土或钢筋混凝土的一种成桩方法[图6. 15(c)]。灌注桩的优点是没有振动和噪声、施工方便、造价较低、无须接桩及截桩等,特别适合用于周围有危险房屋或深挖基础不经济的情况。但也存在一些缺点:如不能立即承受荷载,操作要求严,在软土地基中易缩颈、断裂,桩尖处虚土不易清除干净等。灌注桩的施工方法,常用的有钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、套管成孔灌注桩和爆扩成孔灌注桩等多种,图6.15(d)为爆扩桩示意图。
以上是常见基础的几种基本结构形式。此外,我国各地还因地制宜地采用了许多不同材料、不同形式的基础,如灰土基础、壳体基础等(图6. 16)
6. 4地下室的构造
6.4.1地下室的构造组成
建筑物下部的地下使用空间称为地下室。地下室一般由墙身、 底板、顶板、门窗、楼梯等部分组成。
6.4.2地下室的分类
(1)按埋入地下深度的不同,可分为以下两种。
①全地下室。是指地下室地面低于室外地坪的高度超过该房间净高的1/2。
②半地下室:是指地下室地面低于室外地坪的高度为该房间净高的1/3~1/2。
(2)按使用功能不同,可分为以下两种。
①普通地下室: - -般用作高层建筑的地下停车库、设备用房;根据用途及结构需要可做成一层、二层、三层或多层地下室(图6.17)。
②人防地下室:结合人防要求设置的地下空间,用以应付战时情况下人员的隐蔽和疏散,并有具备保障人身安全的各项技术措施。
6.4.3地下室防潮构造
当地下水的常年水位和最高水位都在地下室地坪标高以下时[图6.18(a)],地下水不能直接侵入室内,墙和地坪仅受到土层中地潮的影响。所谓地潮系指土层中的毛细管水和地面水下渗而造成的无压水。这时地下室只需做防潮处理,须在地下室外墙外面设垂直防潮层。其做法是墙体必须采用水泥砂浆砌筑,灰缝必须饱满;在墙体外表面先抹一- 层20 mm厚的1 : 2.5水泥砂浆找平,再涂防水涂料1~2遍;防潮层须涂刷至室外散水坡处。然后在外侧回填低渗透性土壤,如黏土、灰土等,并逐层夯实,土层宽度为500 mm左右,以防地面雨水或其他地表水的影响。另外,地下室的所有墙体都应设两道水平防潮层,一道设在地下室地坪附近,一般设置在地坪的结构层之间[图6. 18(b)]。另一道设在室外散水坡以上150~200 mm处,使整个地下室防潮层连成整体,以防地潮沿地下墙身或勒脚处墙身人侵室内。
6.4.4地下室防水构造
当设计最高地下水位高于地下室地坪,这时,地下室的外墙和地坪都浸泡在水中(图6.19),地下室外墙受到地下水侧压力的影响,底板受到地下水浮力的影响。地下水侧压力的大小是以水头为标准的。水头是指最高地下水位至地下室地面的垂直高度,以m为单位。水头越高,则侧压力越大。这时必须考虑对地下室外墙做垂直防水和对地坪做水平防水处理。
地下室防水方法主要有卷材防水(柔性防水)和防水混凝土防水(刚性防水)两大类。由于绝大多数民用建筑的地下室防水等级都较高,因此在设计中,通常是采用将柔性防水(或涂料防水)与刚性防水相结合的复合防水做法。
1.卷材防水
1)外防水
外防水是将防水层贴在地下室外墙的外表面,这对防水有利,但维修困难。随着新型防水材料的不断涌现,地下室的防水构造也在更新,卷材防水应选用高聚物改性沥青类或合成高分子类防水卷材,如我国目前使用的三元乙丙橡胶卷材,能充分适应防水基层的伸缩及开裂变形,拉伸强度高,拉断延伸率大,能承受-定的冲击 荷载,是耐久性极好的弹性卷材。各类卷材必须采用与卷材材料相容的胶黏剂粘贴。外防水构造(图6. 21)要点如下。
(1)对地下室地坪的防水处理:先浇混凝土垫层,厚度不小于100 mm;将防水卷材满铺于混凝土垫层上,但考虑到地下潮气可能会造成卷材起鼓,卷材应采用条状粘贴法粘接,并向墙面延伸,为了保证水平防水层包向垂直墙面,地坪防水层必须留出足够的长度以便与垂直防水层搭接,同时要做好转折处卷材的保护工作,以免因转折交接处的卷材断裂而影响地下室的防水。在与立墙的交角处,应加铺相同材料的附加卷材,宽300~500 mm。防水层之上可虚铺-层改性沥青卷材作保护隔离,其上浇筑50 mm厚C20细石混凝土保护层,并做分格处理,以便再浇筑钢筋混凝土底板。
(2)对地下室外墙的防水处理:先在墙外侧抹20 mm厚的1 ; 3水泥砂浆找平层,其上涂刷基层处理剂,根据选定的卷材层数,分层粘贴防水卷材,防水层须高出最高地下水位500~1000mm为宜。卷材防水层以上的地下室侧墙应抹水泥砂浆涂两道热沥青或防水砂浆,直至室外散水处。垂直防水层外侧做保护墙一道, 宜采用软保护层保护,即用胶黏剂花粘固定50~60 mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板,再分步回填低渗透性土壤。
2)内防水
内防水是将防水层贴在地下室外墙的内表面,这样施工方便,容易维修,但对防水不利,故常用于修缮工程。
2.防水混凝土防水
当地下室地坪和墙体均为钢筋混凝土结构时,应采用抗渗性能好的防水混凝土材料,常采用的防水混凝土有普通混凝土和外加剂混凝土。普通混凝土主要是采用不同粒径的骨料进行级配,并提高混凝土中水泥砂浆的含量,使砂浆充满于骨料之间,从而堵塞因骨料间不密实而出现的渗水通路,以达到防水目的。外加剂混凝土是在混凝土中掺入减水剂、膨胀剂、防水剂、密实剂、引气剂、复合型外加剂等,以提高混凝土的抗渗性能。防水混凝土外墙、底板,均不宜太薄。防水混凝土结构底板的混凝土垫层强度等级不应小于C15,厚度不应小于100 mm,在软弱土层中不应小于150 mm。一般防水混凝 土结构的结构厚度不应小于250 mm,否则会影响抗渗效果。为防止地下水对混凝土侵袭,在墙外侧应抹水泥砂浆,然后涂刷防水涂料(图6.20和图6.21)。
3.涂料防水
涂料防水般用于地下室的防潮,在防水构造中-般不单独使用。 通常在新建防水钢筋混凝:土结构中,涂料防水应做在迎水面作为附加防水层,加强防水和防腐能力。对已建防水、防潮建筑,涂料防水可做在外围护结构的内侧,作为补漏措施。如聚氨酯涂膜防水材料,有利于形成完整的防水涂层,对在建筑内有管道、转折和高差等特殊部位的防水处理极为有利。
此外,还有水泥砂浆防水、塑料防水板防水、金属防水等地下室防水方法。
除上述防水措施外,还可以采用人工降、排水的办法,消除地下水对地下室的影响。降排水法可分为外排法和内排法两种。所谓外排法系指当地下水位已高出地下室地面以上时,采取在建筑物的四周设置永久性降排水设施,通常是采用盲沟排水,即利用带孔的陶管埋设在建筑物四周地下室地坪标高以下,陶管的周围填充可以滤水的卵石及粗砂等材料,以便水送人管中积聚后排至城市排水总管[图6. 22(a)],从而使地下水位降低至地下室底板以下,变有压水为无压水,以减少或消除地下水的影响。当城市总排水管高于盲沟时,则采用人工排水泵将积水排出。这种办法只是在采用防水设计有困难的情况以及经济条件较为有利的情况下采用。
内排水法是将渗人地下室内的水,通过永久性自流排水系统如集水沟排至集水井再用水泵排除。但应充分考虑因动力中断引起水位回升的影响,在构造上常将地下室地坪架空,或设隔水间层,以保持室内墙面和地坪干燥[图6.22(b)]。为了保险,有些重要的地下室,既做外部防水又设置内排水设施。