基础的作用就是把建筑物的荷载安全可靠地传给地基,保证地基不会发生强度破坏或者产生过大变形,同时还要充分发挥地基的承载能力;因此,基础的结构类型必须根据建筑物的特点(结构型式,荷载的性质和大小等)和地基土层的情况来选定,浅基础的基本结构类型分下列四种:
柱的基础一般都是单独基础(图2-3)。
墙的基础通常是连续设置成长条形,称为条形基础(图2-4)。
如果柱子的荷载较大而土层的承载能力又较低,做单独基础需要很大的面积,在这种情况也可采用桩下条形基础(图2-5),基至柱下的交叉梁基础(图2-6)。
图2-3 柱下单独基础
图2-4 墙下条形基础
图2-5 柱下条形基础
相反,当建筑物较轻,作用于墙上的荷载不大,基础又需要做在较深处的好土层上时,做条形基础可能不经济,这时可以在墙下加一根过梁,将过梁支在单独基础上,称为墙下单独基础(图2-7)。
图2-6 柱下交叉梁基础
图2-7 墙下单独基础
当柱子或墙传来的荷载很大,地基土较软弱,用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力的要求时,或者地下水位常年在地下室的地坪以上,为了防止地下水渗入室内时,往往需要把整个房屋底面(或地下室部分)做成一片连续的钢筋混凝土板,作为房屋的基础,称为筏形基础(图2-8)。
图2-8 地下室筏形基础
为了增加基础板的刚度,以减小不均匀沉降,高层建筑物往往把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构,称为箱形基础(图2-9)。
图2-9 箱形基础
为改善基础的受力性能,基础的形状可以不做成台阶状,而做成各种形式的壳体,称为壳体基础(图2-10)。
图2-10 壳体基础的结构型式
高耸建筑物,如烟囱、水塔、电视塔等基础常做成壳体基础。图2-11是某高271m 的远距离信报塔的空壳基础的结构示意图。
图2-11 哈姆布格(Hamburg)远距离信报塔基础
(总高度 H =271m,混凝土结构部分高度 h =204m,1967年)
图2-12 条形扩展基础
刚性基础用于6层及6层以下的民用建筑和承重墙的轻体厂房。超过此范围,必须验算基础强度。三合土基础不宜用于4层以上的建筑。
扩展基础(如图2-12所示)用作柱下的单独基础和墙下的条形基础。当基础不能满足刚性角的要求时,可以用扩展基础代替刚性基础。它也适用于荷载不大或者地层的承载力较高时。
随着我国社会经济的发展和大规模现代化建设的推进,需要在各个地区、各种地质条件的地基上建设规模大、层数多、结构复杂的现代建筑物。条形(本章指柱下条形基础,下同)、筏形和箱形基础以其较优良的结构特点,适合作为这些现代建筑物的基础。在我国已建成的大量高层建筑中,很多都是采用这类基础。
建国后,早在20世纪50年代,北京展览馆(1953年)和上海工业展览馆就采用了箱形基础。以后这类基础虽陆续有所发展,但规模和速度都较有限。直到20世纪80年代以来,随着各大都市高层建筑的迅速发展,百米以上的高楼已不少见,其中许多就是建造在筏形和箱形基础上。
我国沿海许多城市,地基土质十分软弱,高层建筑物的沉降量很大,筏形和箱形基础也只限用于高度小于50m 内的建筑物。更高的建筑多采用桩与筏基、桩与箱基相结合的形式,称为桩筏基础和桩箱基础。
条形、筏形和箱形基础有如下几个特点:
1.有较大的基底面积,能承担较大的建筑物荷载,容易满足承载力的要求。对于有局部地质缺陷的地基,可用这类基础直接跨越地质缺陷部位,避免进行地基局部处理。
2.将整个建筑物连成整体,具有较大的刚性,可调整和均衡上部结构荷载向地基传递,减小由于荷载差异和地基不均匀造成的建筑物不均匀沉降或倾斜,减小地基不均匀变形在结构物内部引起的附加应力。
3.基础埋置深度较大,可提高竖直和水平承载力,增加建筑物的稳定性,同时利用地基补偿作用减小基底的附加压力,从而减小建筑物的沉降量。此外,筏形和箱形基础在建筑物下部构成较大的地下空间,提供安置高层建筑用的设备或公共设施的合适场所。
但是这类基础,尤其是箱形基础,技术要求和造价较高,施工中需要处理大基坑、深开挖所碰到的许多问题,因此,需要根据具体条件通过技术经济比较才能正确选用。
基础埋在土中,经常受潮,容易受侵蚀,而且它是建筑物的隐蔽部分,破坏了不容易发现,也不容易修复,所以必须保证基础的材料有足够的强度和耐久性。因此,对于基础的材料要有一定的要求。
砌基础所用的砖和砂浆的标号,根据地基土的潮湿程度和地区的寒冷程度而有不同的要求。按照《砌体结构设计规范》(GBJ 3—88)的规定,地面以下或防潮层以下的砖砌体,所用的材料标号不得低于表2-1所规定的数值。此外,用石灰及砂所制成的灰砂砖和其他轻质砖均不得用于基础。
表2-1 基础用砖、石材及砂浆最低标号
料石(经过加工,形状规则的石块)、毛石和大漂石有相当高的强度和抗冻性,是基础的良好材料。特别在山区,石料可以就地取材,应该充分利用。做基础的石料要选用质地坚硬、不易风化的炭石。石块的厚度不宜小于15cm。石料的标号和砂浆的标号要求见表2-1。
混凝土的耐久性、抗冻性和强度都比砖好,且便于机械化施工和预制,可建造比砖和砌石有较大的刚性角的基础。因此,同样的基础宽度,用混凝土时,基础的高度可以小一些。但是混凝土基础造价稍高,耗水泥量较大,较多用于地下水位以下的基础及扩建层。标号一般采用C7.5~C10。为节约水泥用量,可以在混凝土中掺入20%~30%毛石,称为毛石混凝土。
钢筋混凝土具有较强的抗弯、抗剪能力,是质量很好的基础材料,用于荷载大、土质软弱的情况或地下水位以下的扩展基础、筏形基础、箱形基础和壳体基础。对于一般的钢筋混凝土基础,混凝土的标号应不低于C15,壳体基础的混凝土标号应不低于C20。
我国在1000多年以前就采用灰土作为基础垫层,效果很好。基础砌体下部受力不大时,也可以利用灰土代替砖、石或混凝土。作为基础材料用的灰土,一般为三七灰土,即用三分石灰和七分粘性土(体积比)拌匀后分层夯实。灰土所用的石灰必须在使用前加水焖成粉末,并过5~10mm筛子。土料宜用粉质粘土,不要太湿或太干。简易的判别方法就是所谓拌和后的灰土要“捏紧成团,落地开花”,意即可捏成团,掉地则散开。灰土的强度与夯实的程度关系很大,要求施工后达到干容重不小于14.5~15.5kN/m 3 。施工时常用每层虚铺220~250mm,夯实后成150mm来控制,称为一步灰土。夯实合格的灰土,承载力标准值可采用200~250kPa,灰土在水中硬化慢,早期强度低,抗水性差。此外,灰土早期的抗冻性也较差。所以灰土作为基础材料,一般只用于地下水位以上,若在灰土中加入适量的水泥做成三合土,可以有更高的强度和抗水性。