基础材料和基础类型

3．2．1 基础材料

(1)黏土砖.普通黏土砖具有一定的抗压强度,但抗拉强度和抗剪强度低.砖基础所用砖的标准尺寸为:长240mm、宽115mm、高53mm,强度等级不低于MU10,砂浆不低于M5.在地下水位以下或当地基土潮湿时,应采用水泥砂浆砌筑.

砖和砂浆砌筑基础所用砖和砂浆的强度等级,根据地基土的潮湿程度和地区的严寒程度不同而要求不同.地面以下或防潮层以下的砖砌体,所用材料强度等级不得低于表3．1所规定的数值.

表3．1 地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间墙所用材料的最低强度等级

(2)毛石.毛石是指未加工的石材,有相当高的抗压强度和抗冻性,是基础的良好材料.毛石基础采用未风化的硬质岩石,禁用风化毛石.毛石基础的强度取决于石材和砂浆强度,石材的强度等级有MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30和MU20,砂浆的强度等级有M15、M10、M7．5、M5和M2．5.石块的最小厚度不宜小于150mm.毛石可就地取材,应该充分利用,可用来作为7层以下的建筑物基础,但不宜用于地下水位以下的基础.

(3)混凝土.素混凝土是由水泥、水、粗骨料(碎石)和细骨料(砂子)按一定配合比拌制成混合物,经一定时间硬化而成的人造石材.混凝土的抗压强度、耐久性、抗冻性相对较好,且便于机械化施工,但水泥耗量较大、造价较高,且一般需要支模板,较多用于地下水位以下的基础.强度等级一般常采用C10~C15.为了节约水泥用量,可以在混凝土中掺入不超过基础体积20％~30％的毛石,称为毛石混凝土.如果在混凝土中配置一定比例的钢筋,由钢筋和混凝土共同受力的结构或构件称为钢筋混凝土.其不但具有很好的耐久性和抗冻性,而且有很好的抗压、抗拉、抗剪和抗弯能力,但材料造价高,常用于荷载大、土质软弱的地基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等.对于一般的钢筋混凝土基础,混凝土的强度等级应不低于C20.

(4)灰土.灰土由石灰和黏性土按一定比例加适量的水拌和夯击而成,其配合比(体积比)为3∶7或2∶8.灰土拌和应按最佳含水量拌和,不宜太干或太湿,否则不易压实.灰土在水中硬化慢、早期强度低、抗水性差,另外,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.我国华北和西北地区,环境比较干燥,且冻胀性较小,常采用灰土做基础.

(5)三合土.三合土一般由石灰、砂(或黏性土)和骨料(碎石、碎砖或矿渣等)按一定比例拌和而成,其体积比为1∶2∶4或1∶3∶6.三合土基础强度取决于骨料强度,其中以矿渣形成的三合土强度最高,主要用于低层建筑基础.

3．2．2 基础类型

对上部结构而言,基础应是可靠的支座,对下部地基而言,基础所传递的荷载效应应满足地基承载力和变形的要求,这就有必要在墙柱下设置水平截面扩大的基础,即扩展基础.扩展基础可分为无筋扩展基础(刚性基础)和钢筋混凝土扩展基础(柔性基础).

(1)无筋扩展基础.无筋扩展基础是指由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成的无须配置钢筋的墙下条形基础或柱下独立基础,如图3．1所示.无筋基础的材料都具有较好的抗压性能,但抗拉、抗剪强度都不高,为了使基础内产生的拉应力和剪力不超过相应材料的强度设计值,设计时需要加大基础的高度.因此,这种基础几乎不发生挠曲变形,故习惯上把无筋基础称为刚性基础.无筋扩展基础适用于多层民用建筑和轻型厂房.

图3．1 无筋扩展基础

(a)毛石基础;(b)砖基础;(c)混凝土或毛石混凝土基础;(d)灰土或三合土基础

①毛石基础.毛石基础采用毛石砌筑而成.砌筑时可分阶砌筑,每一阶梯宜用三排或三排以上的毛石,阶梯形毛石基础的每阶伸出宽度不宜大于200mm,地下水位以上可用混合砂浆,水位以下用水泥砂浆(强度等级按规范要求),如图3．1(a)所示.其优点是能就地取材、价格低;缺点是施工劳动强度大.

②砖基础.砖基础是由黏土砖砌筑而成.一般做成阶梯状,这个阶梯统称为大放脚.在砖基础底面以下,一般应先做100mm厚的C10混凝土垫层.砖基础取材容易,应用广泛,一般可用于6层及6层以下的民用建筑和砖墙承重的厂房,如图3．1(b)所示.

砖基础的砌筑形式可分为两皮一收和二一间隔收,如图3．2所示.两皮一收是指每次砌筑两层砖,然后收四分之一砖长.二一间隔收是间隔砌筑两层砖或一层砖收四分之一砖长.两种砌筑方式的最底部必须砌筑两层.

③混凝土或毛石混凝土基础.混凝土基础是采用混凝土浇筑而成的基础.常做成台阶式,台阶高度为300mm.

图3．2 砖基础的砌筑形式

(a)两皮一收;(b)二一间隔收

混凝土和毛石混凝土基础的强度、耐久性与抗冻性都优于砖石基础,因此,当荷载较大或位于地下水位以下时,可考虑选用混凝土基础.混凝土基础水泥用量大,造价稍高,当基础体积较大时,可设计成毛石混凝土基础,即采用毛石混凝土浇筑而成,如图3．1(c)所示.

④灰土基础.为节约砖石材料,常在砖石大放脚下面做一层灰土垫层,这个垫层习惯上称灰土基础.一般将配置好的灰土分层压实或夯实,每层松铺220~250mm,压实至150mm.灰土基础适用于5层或5层以下,地下水位以上的混合结构房屋和砖墙承重的轻型厂房(3层及以上采用三步灰土,3层以下采用两步灰土).灰土基础施工方便,造价低,可节约水泥和砖石材料.灰土吸水逐渐硬化,年代越久强度越高.但灰土基础抗水性及抗冻性均较差,因而,在地下水位以下不宜采用,同时应设在冻结深度以下.

⑤三合土基础.三合土基础是在砖石大放脚下面做一层三合土垫层,这个垫层习惯上称三合土基础.基本特点与灰土类似,适用于4层以下的混合结构房屋及砖墙承重的轻型厂房.

无筋扩展基础受上面柱子或墙体传来的荷载,同时,下面受地基反力作用,此时,其工作条件如同倒置的两边外伸的悬臂梁.这种结构受力后,在靠近柱边、墙边或断面突变处,容易产生弯曲破坏,如图3．3所示.为防止这种弯曲破坏,对于砖、砌石、灰土、混凝土等抗拉性能很差的刚性材料所做的基础,要求基础有一定的高度,使弯曲所产生的拉应力不会超过材料的抗拉强度.通常的控制办法是使基础外伸宽度(b1)和基础高度(h)的比值不超过规定的允许值.从图3．4中可以看出,tanα＝b1/h,其中与允许的台阶宽高比值b1/h相应的角度α称为基础的刚性角.为便于施工,刚性基础一般做成台阶形.满足刚性角要求的基础,各台阶的内缘应落在与墙边或柱边铅垂线成α角的斜线上,如图3．4(b)所示.若台阶内缘进入斜线以内,如图3．4(a)所示,表示基础断面不够安全;若台阶内缘落在斜线以外,如图3．4(c)所示,则断面设计不经济.因此,无筋扩展基础的共同特点是基础及各个台阶高度均受刚性角的限制.无筋扩展基础台阶宽高比的允许值,见表3．2.

图3．3 无筋扩展基础受力破坏示意图

图3．4 无筋扩展基础断面设计

(a)不安全设计;(b)正确设计;(c)不经济设计

表3．2 无筋扩展基础台阶宽高比的允许值

(2)钢筋混凝土扩展基础.钢筋混凝土扩展基础包括柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础.这类基础的抗弯和抗剪性能良好,可在竖向荷载较大、地基承载力不高,以及承受水平力和力矩荷载等情况下使用.与无筋基础相比,其基础高度较小,因此,更适宜在基础埋置深度较小时使用.

①柱下钢筋混凝土独立基础.柱下钢筋混凝土独立基础的构造,如图3．5所示.现浇柱的独立基础可做成锥形或阶梯形;预制柱则采用杯口基础,杯口基础常用于装配式单层工业厂房.

图3．5 柱下钢筋混凝土独立基础

(a)阶梯形基础;(b)锥形基础;(c)杯形基础

②墙下钢筋混凝土条形基础.墙下钢筋混凝土条形基础的构造,如图3．6所示.一般情况下可采用无肋的墙基础,如地基不均匀,为了增强基础的整体性和抗弯能力,可以采用有肋的墙基础,如图3．6(b)所示,肋部配置足够的纵向钢筋和箍筋,以承受由不均匀沉降引起的弯曲应力.

图3．6 墙下钢筋混凝土条形基础

(a)无肋式;(b)有肋式

③墙下钢筋混凝土独立基础.墙下独立基础是在当上层土质松散而在不深处有较好的土层时,为了节省基础材料和减少开挖量而采取的一种基础形式.在单独基础之间放置钢筋混凝土过梁,以承受上部结构传来的荷载,如图3．7所示.

图3．7 墙下钢筋混凝土独立基础

(3)柱下钢筋混凝土条形基础.如果柱子的荷载较大而土层的承载力又较低,采用单独基础需要很大的面积,因而互相接近甚至重叠.为增加基础的整体性并方便施工,在这种情况下,常将同一排的柱基础连通做成柱下钢筋混凝土条形基础,如图3．8所示.

(4)十字交叉条形基础.如果地基软弱且在两个方向分布不均,需要基础在两方向都具有一定的刚度来调整不均匀沉降,则可在柱网下沿纵横两向分别设置钢筋混凝土条形基础,从而形成柱下十字交叉条形基础,如图3．9所示.

图3．8 柱下钢筋混凝土条形基础

图3．9 十字交叉条形基础

(5)筏形基础.当柱下交叉条形基础底面积占建筑物平面面积的比例较大,或者建筑物在使用上有要求时,可以在建筑物的柱、墙下方做成一块满堂的基础,即筏形(片筏)基础(图3．10).筏形基础由于其底面积大,故可减小基底压力,同时,也可提高地基土的承载力,并能更有效地增强基础的整体性,调整不均匀沉降.另外,筏形基础还具有前述各类基础所不完全具备的良好功能,例如,能跨越地下浅层小洞穴和局部软弱层;提供比较宽敞的地下使用空间;作为地下室、水池、油库等的防渗底板;增强建筑物的整体抗震性能;满足自动化程度较高的工艺设备对不允许有差异沉降的要求,以及工艺连续作业和设备重新布置的要求等.

图3．10 筏形基础

(6)箱形基础.箱形基础是由钢筋混凝土的底板、顶板、外墙和内隔墙组成的具有一定高度的整体空间结构,如图3．11所示.其适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物.与筏形基础相比,箱形基础具有更大的抗弯刚度,只能产生大致均匀的沉降或整体倾斜,从而基本上消除了因地基变形而使建筑物开裂的可能性.箱形基础埋深较大,基础中空,从而使开挖卸去的土重部分抵偿了上部结构传来的荷载(补偿效应),因此,与一般实体基础相比,它能显著减小基底压力、降低基础沉降量.另外,箱形基础的抗震性能较好.

图3．11 箱形基础

高层建筑的箱基往往与地下室结合考虑,其地下空间可作人防、设备间、库房、商店以及污水处理等.冷藏库和高温炉体下的箱形基础有隔断热传导的作用,以防地基土产生冻胀或干缩.但由于内墙分隔,箱形地下室的用途不如筏形基础地下室广泛,例如,不能用做地下停车场等.

箱形基础的钢筋水泥用量很大,工期长,造价高,施工技术比较复杂.在地下水位较高的地区采用箱形基础进行基坑开挖时,应考虑人工降低地下水位,坑壁支护和对相邻建筑物的影响问题,应与其他基础方案比较后择优选用.