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【 学习目标 】了解地基与基础的概念及其分类，熟悉地基与基础在桥涵工程的应用，了解基础工程学科发展概况，掌握本课程的学习方法。
【 学习内容 】基础的概念及分类，地基与基础在桥涵工程的应用，地基与基础的重要性，地基与基础的设计原则和要求，基础工程学科发展概况。
【 学习重点 】能够区分桥涵工程中常见的基础类型。
【 学习难点 】能够区分桥涵工程中常见的基础类型。
人类在地表修筑的所有建筑物都与岩土体有着密不可分的关系。任何结构物都建造在一定的地层（土层或岩层）上，结构物的全部荷载都由它下面的地层来承担。
地基指直接承受建筑物全部荷载并维持建筑物稳定的那一部分地层。在建筑物荷载作用下，地基土会产生相应的应力和变形，其范围随基础类型和尺度、荷载大小及地层分布的不同而不同。
在地基中，将与建筑物下部直接接触、受建筑物影响最大的那一部分地层称为地基持力层，将位于持力层之下的其他岩土层称为下卧层（图 0.1）。特别地，当下卧层明显比持力层软弱时，则将该层称为软弱下卧层。
图 0.1 地基与基础
根据施工中对地基的扰动和利用情况，地基可分为天然地基和人工地基两大类（图 0.2）。天然地基指未经过人工处理就可以满足设计要求，直接用作建筑物地基的天然岩土层，如图0.2（a）所示。天然地基可根据构成成分细分为土质地基、岩石地基和土岩组合地基。如果场地基岩埋藏较深，地表覆盖土层较厚，建筑物经常建造在由土层所构成的地基上，这种地基称为土质地基，简称土基。如果场地基岩埋藏较浅，甚至出露于地表，建筑物经常建造在由岩层所构成的地基上，这种地基称为岩石地基，简称岩基。也有局部地区遇到的地基土土质特殊，如湿陷性黄土、多年冻土、压缩性强的软土等，这些地基均需做特殊的设计和施工，称为特殊土地基。人工地基是指经过人工处理和加固后满足建筑物地基基础设计要求的岩土层，如图 0.2（b）所示。人工地基根据处理的方式不同而有不同的名称。
图 0.2 天然地基和人工地基
基础是指结构物最下端与地基直接接触并经过特殊处理的结构部件，其主要功能是支承上部结构，将上部结构承担的各种荷载传至地基中并保持建筑物的稳定。对于不同的结构物，基础的意义略有不同。公路、铁路桥梁通常由上部结构和下部结构组成，上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础，基础为墩台底面以下的结构部分（图 0.3）。一般而言，基础常置于地面以下，但半地下室箱形基础、桥梁基础和码头桩基础等均有一部分置于地表之上。
图 0.3 桥梁工程地基与基础
基础起着“承上启下”的作用，也就是承受其上部作用的全部荷载，并将其传递、扩散到地基中。所以，要求基础必须具有足够的强度与稳定性，以保证整个建筑物的安全和正常使用。而地基承受着由基础传来的整个建筑物荷载，它对整个建筑物的安全和正常使用起着根本作用，所以，要求地基也必须具有足够的强度与稳定性，且变形（主要指沉降）也应在容许范围以内。基础工程包括建筑物地基与基础的设计与施工。
基础的类型，可按基础的埋置深度、刚度、构造形式及施工方法等进行分类。
（1）按埋置深度分类
基础按埋置深度可分为浅基础（5 m以内）和深基础两种。当浅层地基承载力较大时，可采用埋深较小的浅基础。浅基础施工方便，通常采用明挖法从地面开挖基坑后，直接在基坑底面砌筑、浇筑基础。桥梁及各种人工构造物常采用天然地基上的浅基础。如果浅层土质不良，需将基础埋置于较深的良好土层上，这种基础称为深基础。深基础设计和施工较复杂，但具有良好的适应性和抗震性，常见的形式有桩基础沉井和管柱基础。我国公路桥梁应用最多的深基础是桩基础。
基础结构形式很多，习惯上常根据其埋置深度不同分为浅基础和深基础，如图 0.4 所示。埋置深度不大（一般小于 5 m或不大于基础宽度）时，如单独基础、条形基础、筏形基础、箱形基础等，这类基础统称为浅基础；反之，当埋置深度较大，且需要采用特殊施工方法和机具施工的基础，如桩基础、沉井基础、沉箱基础和地下连续墙基础等，则称为深基础。有些基础埋置在土层内的深度虽较浅，但位于水下的部分较深，如深水中桥墩基础，称为深水基础，在设计和施工中有些问题需要作为深基础考虑。
图 0.4 浅基础和深基础
（2）按基础的刚度分类
按基础的刚度也即受力后基础的变形情况，可分为刚性基础和柔性基础，如图 0.5 所示。采用圬工材料（如浆砌块石、混凝土等）砌筑、刚度极大的基础，称为刚性基础[图 0.5（a）]。它是桥梁、涵洞和房屋等建筑物常用的基础类型。由于圬工材料的抗压强度大而抗弯拉强度小，所以，基础受力后不容许发生挠曲变形，否则将产生开裂破坏。这种基础不需要钢材，造价较低，但圬工体积较大，且支承面积受一定限制。采用钢筋混凝土砌筑，具有一定刚度和弹性的基础，称为柔性基础或弹性基础[图0.5（b）]。由于钢筋可以承受较大的弯曲拉应力和剪应力，所以，基础受力后容许发生一定挠曲变形。当地基承载力较小时，采用这种基础可以有较大的支承面积。
图 0.5 刚性基础和柔性基础
（3）按构造形式分类
按构造形式，基础可分为实体式基础和桩柱式基础两类。当整个基础都由圬工材料筑成时，称为实体式基础，如图 0.6（a）所示。其特点是基础整体性好，自重较大，对地基承载力要求也较高。由多根基桩或小型管桩组成，并用承台连接成为整体的基础，称为桩柱式基础，如图0.6（b）所示。这种基础较实体式基础圬工体积小，自重较小，对地基强度的要求相对较低。桩柱本身一般要用钢筋混凝土制成。
图 0.6 实体式基础和桩柱式基础
（4）按施工方法分类
基础按施工方法可分为明挖法、沉井、沉桩、沉管灌注桩、就地钻（挖）孔灌注桩以及钻（挖）孔埋置桩等。明挖法最为简单，但只适用于浅基础，其他方法均用于深基础。本书将在后续章节中分别介绍明挖法、沉井、沉桩、就地钻（挖）孔灌注桩等施工方法。
（5）按基础的材料分类
目前，我国公路建筑物基础大多采用混凝土或钢筋混凝土结构，少部分用钢结构。在石料丰富的地区，可就地取材，采用石砌基础。
另外，交通土建工程中常将基础分为平基和桩基两大类。其中，平基的基底一般为一平面，即使有些基础建筑在倾斜的岩面上，需将基底做成台阶状，也属于平基。平基按其基底埋置深度，又分为浅平基和深平基两类。浅平基一般是在露天开挖的基坑内直接修筑基础，也称为明挖基础。而用沉井和沉箱等特殊施工方法修筑的基础，可称为深平基。
基础工程的设计和施工对整个建筑的质量和正常使用发挥着根本作用。实际工程中，地基基础条件往往是十分复杂的，包含有很多不确定性，因此许多工程事故的发生与地基基础有关，主要反映在地基的承载力不够、基础失稳或产生过大的沉降。
①基础位于地面以下，属于隐蔽工程。一旦发生事故，损失巨大，补救和处理十分困难，甚至是不可能的。故基础工程经常会成为工程中的热点和难点问题。
②基础工程施工常在水下进行，往往需要挡土挡水，施工难度大，工程造价较高。据统计，一般桥涵工程中，基础工程造价占总造价的 20%~30%，相应的施工工期占建筑总工期的25%~30%。如果采用人工地基，其造价和工期所占比例更大。所以，既要求基础工程的设计和施工必须保证建（构）筑物的安全和正常使用，同时也要求能选择最合适的设计方案和施工方法，以降低基础工程部分的造价。
③基础工程的进度经常控制着整个建筑物的施工进度。近年来，随着重大交通工程设施建设的推进，高速铁路和公路、大型水电站、大坝、海港码头、大型地下商场、地下铁道等不断涌现。它们对地基土质条件的要求很高，而我国的人均土地资源有限，特别是耕地面积逐年减小，必须充分利用各种不良地基，最大限度地提高土地利用率，因此建筑物的地基更加复杂。另外，建（构）筑物向高、大、重及密集型方向发展，其基础的形式及功能更加多样复杂，对地基和基础的承载能力、沉降及变形的要求更加严格。深基础的施工不仅要保证自身的稳定与安全，还应考虑对邻近建筑物的影响及对周边地下管线、电缆等的影响。随着人们环保意识的提高，对控制施工所带来的环境污染的要求越来越高，因而基础工程设计和施工技术难度均会进一步加大。这些因素给从事基础工程设计和施工的工作人员带来严峻的挑战。
大量的工程实践表明，建筑物的安危在很大程度上取决于基础工程的成败。而影响基础工程的因素多且复杂，稍有不慎，就会给整个工程带来隐患，引发地基基础事故，造成上部结构无法正常使用，甚至倒塌和毁坏。所以，基础工程的成功与否直接影响上部结构的安危，基础工程的重要性显而易见。
基础工程的研究内容为各类建（构）筑物（如房屋建筑、桥梁结构、水工结构、近海工程、地下工程、支挡结构等）的基础与地基相互作用而共同承担上部结构荷载所引起的变形、强度与稳定问题。基础工程主要包括各类常见桥涵地基的勘察、设计、施工及运营维护，其中的一些内容，如地基勘察、部分基础的内力和配筋计算、基础的施工方法和技术等，在工程地质学、混凝土结构设计原理等课程中已有所涉及。本课程主要介绍常见桥涵地基和基础的设计和施工，重点介绍常见基础的施工知识。
基础工程的设计包括基础设计和地基设计两大部分。基础设计包括基础形式的选择、基础埋置深度及基底面积大小的确定，以及基础内力和断面计算等。地基设计包括地基土的承载力确定、地基变形计算、地基稳定性计算等。当地基承载力不足或压缩性很大，不能满足设计要求时，需要进行地基处理。
对地基与基础进行设计时，要遵循以下设计原则：
①保证建筑物的质量。也就是技术上要求建筑物稳固、耐用和适用，以保证建筑物的正常和安全使用。
②保证设计方案的经济性。即要求建筑物总造价尽可能低。
③保证设计方案的可行性。也就是根据当时、当地的具体情况（如技术和施工队伍的水平、材料、机械设备的供应及施工现场具体条件等），实现的设计方案切实可行。
为使全国各地都有一个统一的设计依据和标准，各建设部门都制订相应的设计规范。这些规范是根据我国现有生产技术水平、实际经验和科学研究成果，结合各专业的特殊要求编制出来的。其中，《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）是公路桥涵地基与基础设计的最新依据，对公路桥涵地基和基础的设计计算作出了一系列具体的规定和要求。
地基与基础设计计算的基本要求如下：
①地基具有足够的强度和稳定性，以保证建筑物在荷载作用下，不出现地基承载力不够或产生失稳破坏使基础底面压力小于地基的容许承载力。即保证地基在建筑物等外荷载作用下，不出现过大、有可能危及建筑物安全的塑性变形或丧失稳定性的现象。
②地基的沉降或相邻基础的沉降差在允许范围以内，以保证建筑物不因地基变形过大而毁坏或影响建筑物的正常使用。
③基础具有足够的强度、刚度及耐久性，以保证基础本身坚固耐用。
④基础具有足够的稳定性，以保证建筑物不致发生滑动和倾覆，并防止地基土从基础底面被水流冲刷掉。
⑤防止地基土发生冻胀。基础底面以下的地基土发生严重冻胀时，对建筑物往往是十分有害的。冻胀时，地基虽有很大的承载力，但其所产生的冻胀力有可能将基础向上抬起，而冻土一旦融化，土体中含水率很大，地基承载力突然大幅降低，基础有可能发生很大沉陷，这是不允许的。所以，在寒冷地区，这一点必须予以考虑。
桥梁地基与基础的设计方案、计算中有关参数的选用，都需要根据当地的地质条件、水文条件、上部结构形式、荷载特点、材料情况及施工要求等因素全面考虑。因此，桥梁的地基与基础在设计之前，应通过详细的调查研究，充分掌握必要、符合实际情况的资料（表 0.1）。
①建筑物的情况，如上部结构形式、跨径、建筑物用途、桥梁和墩台的构造与尺寸等。
②荷载作用情况，包括可能作用于建筑物上的各种荷载大小、方向、作用位置、荷载性质（静荷载还是动荷载）及作用时间等。
③水文资料，如桥梁所在江河水流的高水位、低水位、常水位、水流流速及冲刷深度等。
④工程地质资料，主要包括地质剖面图或柱状图，图上应表示出各土层的分布情况、厚度、冻结深度、地下水位高度、岩面高程、倾斜度以及土中大而硬的孤石、不良工程地质现象等。此外，还必须有各种地基土必要的物理、力学性质指标。
⑤施工条件，包括施工队伍的人力、物力（主要是机具设备的配备）、技术水平、施工经验、施工期限以及附近的材料、水电供应和交通等情况。掌握这方面资料有助于选择经济合理而又切实可行的地基基础方案。
此外，如工地附近有已建成的桥梁，还应调查掌握现有桥梁结构及使用情况的资料，这对新建结构物设计有重要的参考价值。
上述资料是设计的重要依据，尤其是水文和地质资料，它的准确性将直接影响设计的质量，必须给予足够的重视。
总之，进行基础设计时，既要考虑上部结构的情况，又要考虑地基土的特点；既要考虑多方面的技术要求，又要考虑当时、当地的具体条件。只有将这几方面关系全面地处理好，才能把基础设计工作做好。这是从根本上保证整个建筑物设计质量的重要环节，必须充分加以重视。
基础工程设计所应掌握的地质、水文、地形等详细资料如表 0.1 所示。其中，各项资料内容范围可根据桥梁工程重要性及工程所在地的地质、水文条件的具体情况确定取舍。
表 0.1 基础工程设计所需资料
与其他技术学科一样，基础工程也是人类在长期的生产实践中不断发展起来的。在世界各文明古国数千年前的建筑活动中，有很多关于基础工程的工艺技术成就，但由于当时受社会生产力和技术条件的限制，在相当长的时期内发展很缓慢，仅停留在经验积累的感性认识阶段。
国外在 18 世纪产业革命以后，城建、水利、道路与桥梁工程建设规模的扩大促使人们加强对基础工程的重视与研究，对有关问题开始寻求理论上的解答。在这一阶段，作为本学科理论基础的土力学方面，如土压力理论、土的渗透理论等有局部的突破。基础工程也随着技术的发展而得到新的进步，如 19 世纪中叶利用气压沉箱法修建深水基础。20 世纪 20 年代，基础工程有了比较系统、完整的专著问世。1936 年，第一届国际土力学与基础工程会议召开后，土力学与基础工程作为一门独立的学科出现。20 世纪 50 年代起，现代科学新技术的注入使基础工程学科得到进一步发展与充实，成为一门较成熟、独立的现代工程技术学科。
我国是一个具有悠久历史的文明古国，古代劳动人民在基础工程方面很早就表现出高超的技艺和创造才能。例如，远在 1 300 多年前，隋朝李春修建的赵州安济石拱桥，不仅在建筑结构上有独特的技艺，而且地基基础处理也非常合理。该桥桥台坐落在较浅的密实粗砂土层上，沉降量小而稳定，基底压力为 500~ 600 kPa，与现行设计规范中所采用的该土层容许承载力的数值（550 kPa）极为接近。
随着我国经济快速发展，国家在基础建设上投入大量的人力、物力和财力，这极大地促进了本学科发展。例如，在桥梁基础工程方面，为充分利用天然的地基承载力，发展和改进了多种浅基础，以适应不同地基土质和荷载形式及上部结构的使用要求。
为适应大型及大跨度桥梁的建设需要，我国发展了深基础。随着各种土质中基础的设计和施工经验的积累，桩基础尤其是钻孔灌注桩已成为我国应用最广泛的深基础形式，并在保障基桩施工质量及承载力检测方面也取得了可喜成就。为提高基桩承载能力、减少沉降，采用扩底和压浆等措施也获得了很好的经验。
我国对沉井基础技术的研究，在轻型、薄壁、助沉技术、机械化施工方面及沉井与桩、管柱组合式深水基础等方面开展了许多工作，取得了丰富的经验。
近年来，我国铁路、高速公路发展迅速，在长江、黄河等大江大河和近海区域修筑的大型桥梁工程中采用了大直径钻孔灌注桩、预应力管桩、管柱、钢管桩、多种形式的浮运沉井、组合式沉井等一系列新型深基础以及各种结构类型的单壁、双壁钢围堰等，成功地解决了复杂地质、深水、大型桥梁基础工程问题。此外，在墩基、地下连续墙等其他深基础设计及施工方面也取得了较大进步。
在软土地基方面，我国地基加固技术发展较快，结合软土特性处理沉降和稳定问题获得了丰富经验。在吸收国外新成就的基础上，发展了一些符合我国国情、充分利用我国材料特点、新的地基处理施工工艺，如堆载预压、深层挤压、搅拌桩、强夯（动力固法）等，并在地下连续墙、深基坑支护、新材料应用等方面取得了丰富的经验。
目前，国内对常用的主要基础的结构设计，已基本上实现了电算化。在设计理论上，主要采用概率极限状态设计方法。将高强度预应力混凝土技术应用于基础工程，基础结构向薄壁、空心、大直径、大深度的方向发展。在施工技术方面，出现了许多新的工艺和方法，如以大口径磨削机对基岩进行处理、在水深流速较大处采用水上自升式平台进行沉桩（管柱）施工等。
基础工程既是一项古老的工程技术又是一门年轻的学科，发展至今在设计理论和施工技术及质量检测中都存在不少亟待解决的问题。随着我国经济建设不断进步，大型和新型建筑结构的出现对基础工程将会提出更高的要求。为适应这些变化，我国目前的基础工程学科在设计理论、施工技术及检测手段上需要进一步完善。因此，需要重点开展以下工作：加强对地基强度、变形特性的理论研究，开展各类基础设计理论和施工方法的深入研究，完善地基处理施工方法。
本课程是阐述桥涵设计和施工中有关地基和基础问题的学科，是道路桥梁工程技术专业课程体系中设置的一门专业核心课程。在学科体系上，基础工程是用土力学、结构设计原理等课程的基本理论和方法去解决地基基础方面工程问题的一门课程。教学内容以实用为原则，侧重于桥梁基础的设计、施工和试验检测，但其中阐述的基本理论和方法，也适用于其他土建工程有关基础工程问题。教学方法应通过典型案例分析、情景视频等方式注重对学生实践能力的培养。
学生应勤于思考，理解问题的实质，重点掌握各类基础的施工技术及检测技术，弄清方法步骤，其中对天然地基上的浅基础和桩基础，应全面掌握其施工方法步骤和注意事项。
本课程以工程力学、结构力学为基础，与工程地质与土力学、结构设计原理、桥梁工程、道路建筑材料等课程配合教学，涉及的学科较多，内容多，应用性强，因而要求有广泛、扎实的先修课基础，尤其是工程地质与土力学，它是本课程的重要理论基础。
本课程是一门有着较强实践性和应用性的学科。地基土层是自然历史的产物，复杂多变，影响因素多，各类基础工程都有其自身特点，各种技术要求和规定较多，学习时应注意理论联系实际，因地制宜，灵活应用，增强处理基础工程问题的能力。