基础埋置深度的确定

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【摘要】：基础埋置深度一般是指基础底面到室外设计地面的距离,简称基础埋深.确定基础埋置深度是地基与基础设计中首先应解决的问题,它决定的是基础支承在哪一个土层上的问题.由于不同土层的承载力存在很大差别,因此,基础的埋置深度将直接关系到结构物的牢固、稳定和正常使用.另外,基础的埋置深度还会影响所采用的基础类型及相应的施工方法,也关系到工程的造价.在确定基础埋置深度时,应考虑以下原则:把基础设置在变形小而强度又比

基础埋置深度一般是指基础底面到室外设计地面的距离,简称基础埋深.确定基础埋置深度是地基与基础设计中首先应解决的问题,它决定的是基础支承在哪一个土层上的问题.由于不同土层的承载力存在很大差别,因此,基础的埋置深度将直接关系到结构物的牢固、稳定和正常使用.另外,基础的埋置深度还会影响所采用的基础类型及相应的施工方法,也关系到工程的造价.在确定基础埋置深度时,应考虑以下原则:把基础设置在变形小而强度又比较大的持力层上,以保证地基强度满足要求,而且不致产生过大的沉降或沉降差;使基础有足够的埋置深度,以保证基础的稳定性,确保基础的安全.基础埋置深度的确定,必须综合考虑地基的地质、地形、河流的冲刷深度、当地的冻结深度、上部结构形式,以及保证基础稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素.对于某一具体工程来说,往往是其中几个因素共同起决定作用,因此,在设计时必须从实际出发,以各种原始资料为依据,统一考虑结构物对地基与基础的各项技术要求,抓住主要因素进行分析研究,确定合理的埋置深度.

3．3．1 工程地质条件及水文地质条件

(1)工程地质条件.工程地质条件是影响基础埋置深度的重要因素之一.通常,地基由多层土组成,直接支撑基础的土层称为持力层,其下的各土层称为下卧层.在满足地基稳定和变形要求的前提下,基础应尽量浅埋,利用浅层土做持力层,当上层土的承载力低于下层土时,若取下层土为持力层,所需基底面积较小而埋深较大;而取上层土为持力层则情况恰好相反,此时应做方案比较后才能确定埋深大小.

当场地地基为非水平层地基时,若将整个建筑物的基础埋深控制在相同的设计标高,则持力层顶面倾斜过大可能造成建筑物不均匀沉降,此时也可考虑同一建筑物基础采用不同埋深来调整不均匀沉降.当基础埋置在易风化的软质岩层上时,施工时应在基坑开挖之后立即铺垫层,以免岩层表面暴露时间过长而被风化.

基础在风化岩石层中的埋置深度应根据岩石层的风化程度、冲刷深度及相应的承载力来确定.如岩层表面倾斜时,应尽可能避免将基础的一部分置于基岩上,而另一部分置于土层中,以防基础由于不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂.在陡峭山坡上修建桥台时,还应注意岩体的稳定性.

(2)水文地质条件.选择基础埋深时,应注意地下水的埋藏条件和动态以及地表水的情况.当有地下水存在时,基础底面应尽量埋置在地下水位以上.若基础底面必须埋置在地下水位以下时,除应考虑基坑排水、坑壁围护,以及保护地基土不受扰动等措施外,还应考虑可能出现的其他施工与设计问题,例如,出现涌土、流砂现象的可能性;地下水浮托力引起基础底板的内力变化等,并采取相应的措施.

对埋藏有承压含水层的地基,选择基础埋深时必须考虑承压水的作用,以免在开挖基坑时坑底土被承压水冲破,引起突涌流砂现象.因此,必须控制基坑开挖的深度,使承压含水层顶部的静水压力小于该处由坑底土产生的总覆盖压力,否则应设法降低承压水头.

地表流水是影响桥梁墩台基础埋深的因素之一,桥梁墩台的修建,往往使流水面积缩小,流速增加,引起水流冲刷河床,特别是在山区和丘陵地区的河流,更应注意考虑季节性洪水的冲刷作用.在有冲刷的河流中,为防止桥梁墩、台基础四周和基底下土层被水流掏空,基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定深度,以保证稳定性.在一般情况下,小桥涵的基础底面应设置在设计洪水冲刷线以下不小于1m.基础在最低冲刷线以下的最小埋置深度不应是一个定值,它与河床地层的抗冲刷能力、计算设计流量的可靠性、选用计算冲刷深度的方法、桥梁的重要性,以及破坏后修复的难易程度等因素有关.因此,对于大、中桥梁基础,在设计洪水冲刷线以下的最小埋置深度时,应考虑桥梁大小、技术的复杂性和重要性等因素予以确定.

3．3．2 建筑物相关条件

建筑结构条件包括建筑物用途、类型、规模与性质.某些建筑物需要具备一定的使用功能或宜采用某种基础形式,这些要求常成为基础埋深选择的先决条件,例如,必须设置地下室或设备层及人防时,通常基础埋深首先应考虑满足建筑物使用功能上提出的埋深要求.高层建筑物中常设置电梯,在设置电梯处,自地面向下需有至少1．4m电梯缓冲坑,该处基础埋深需要局部加大.

建筑物外墙常有上、下水、煤气等各种管道穿行,这些管道的标高往往受城市管网的控制,不易改变,这些管道一般不可以设置在基础底面以下,该处墙基础需要局部加深.另外,遇建筑物各部分的使用要求不同或地基土质变化较大,要求同一建筑物各部分基础埋深不同时,应将基础做成台阶形逐步过渡,台阶的宽高比为1∶2,每阶高度不超过500mm.

上部结构的形式不同,对基础产生的位移适应能力不同.对于静定结构,中、小跨度的简支梁来说,这项因素对确定基础埋置深度影响不大.但对超静定结构即使基础发生较小的不均匀沉降也会使结构构件内力发生明显变化,例如,拱桥桥台.

由于高层建筑荷载大,且又承受风力和地震作用等水平荷载,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1/18.位于岩石地基上的高层建筑,其基础埋深应满足抗滑要求.

位于稳定土坡坡顶上的建筑物,确定基础埋深应综合考虑基础类型、基础底面尺寸、基础与坡顶间的水平距离等因素.对于条形基础或矩形基础,当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时,其基础埋深按下式确定:

条形基础:　d≥(3．5b－a)tanβ 　(3-1)

矩形基础:　d≥(2．5b－a)tanβ 　(3-2)

式中 a——基础底面外边缘线至坡顶的水平距离(m);

b——垂直于坡顶边缘线的基础底面边长(m);

d——基础埋置深度(m);

β——边坡坡角(°).

3．3．3 相邻建筑物的影响

在城市建筑密集的地方,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深于原有建筑物基础的埋深,并应考虑新加荷载的影响.当建筑物荷载大,楼层高,基础埋深要求大于原有建筑物基础埋深时,为避免新建建筑物对原有建筑物的影响,设计时应考虑与原有基础保持一定的净距,如图3．12所示.距离大小根据原有建筑物荷载大小、土质情况和基础形式确定,一般可取相邻基础底面高差的1~2倍,即L≥(1~2)ΔH.当不能满足净距方面的要求时,应采取分段施工,或设临时支撑、打板桩、地下连续墙等措施,或加固原有建筑物地基.

图3．12 相邻建筑基础埋深影响

3．3．4 地基冻融条件的影响

季节性冻土地区,土体易出现冻胀和融沉.土体发生冻胀的机理,主要是由于土层在冻结期周围未冻区土中的水分向冻结区迁移、积聚所致.弱结合水的外层在0．5℃时冻结,越靠近土粒表面,其冰点越低,在－30℃~－20℃以下才能全部冻结.当大气负温传入土中时,土中的自由水首先冻结成冰晶体,弱结合水的最外层也开始冻结,使冰晶体逐渐扩大,于是冰晶体周围土粒的结合水膜变薄,土粒产生剩余的分子引力;另外,由于结合水膜的变薄,使得水膜中的离子浓度增加,产生吸附压力,在这两种引力的作用下,下面未冻结区水膜较厚处的弱结合水便被上吸到水膜较薄的冻结区,并参与冻结,使冻结区的冰晶体增大,而不平衡引力却继续存在.如果下面未冻结区存在着水源(如地下水位距冻结深度很近)及适当的水源补给通道(即毛细通道),能连续不断地补充到冻结区来,那么,未冻结区的水分(包括弱结合水和自由水)就会继续向冻结区迁移和积聚,使冰晶体不断扩大,在土层中形成冰夹层,土体随之发生隆起,出现冻胀现象.当土层解冻时,土层中积聚的冰晶体融化,土体随之下陷,即出现融沉现象.位于冻胀区内的基础受到的冻胀力如大于基底以上的竖向荷载,基础就有被抬起的可能,造成门窗不能开启,严重的甚至引起墙体的开裂.当温度升高土体解冻时,由于土中的水分高度集中,使土体变得十分松软而引起融沉,且建筑物各部分的融沉是不均匀的,严重的不均匀融沉可能引起建筑物开裂、倾斜,甚至倒塌.

土体的冻胀会使路基隆起,使柔性路面鼓包、开裂,使刚性路面错缝或折断.路基土融沉后,在车辆反复碾压下,轻者路面变得松软,限制行车速度,重者路面开裂、冒泥,即出现翻浆现象,使路面完全破坏.因此,冻土的冻胀及融沉都会对工程带来危害,必须采取一定措施.

影响冻胀的因素主要有土的组成、水的含量及温度的高低.对于粗颗粒土,因不含结合水,不发生水分迁移,故不存在冻胀问题.而细粒土具有较显著的毛细现象,故在相同条件下,黏性土的冻胀性就比粉土、砂土严重得多.同时,该类土颗粒较细,表面能大,土粒矿物成分亲水性强,能持有较多结合水,从而能使大量结合水迁移和积聚.当冻结区附近地下水位较高,毛细水上升高度能够达到或接近冻结线,使冻结区能得到外部水源的补给时,将发生比较强烈冻胀.通常,将冻结过程中有外来水源补给的称为开敞型冻胀;而冻结过程中没有外来水源补给的称为封闭型冻胀.开敞型冻胀比封闭型冻胀严重,冻胀量大.如气温骤降且冷却强度很大时,土的冻结面迅速向下推移,即冻结速度很快.此时,土中弱结合水及毛细水来不及向冻区迁移就在原地冻成冰,毛细通道也被冰晶体所堵塞.这样,水分的迁移和积聚不会发生,在土层中几乎没有冰夹层,只有散布于土孔隙中的冰晶体,所形成的冻土一般无明显冻胀.

针对上述情况,《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)将地基土的冻胀性划分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类,见表3．3.

表3．3 地基土的冻胀性分类

续表

季节性冻土地基的设计冻深可按下式计算:

zd＝z0ψzsψzwψze 　(3-3)

式中 zd——场地冻结深度(m);

z0——标准冻结深度(m);

ψzs——土的类别对冻深的影响系数,按表3．4采用;

ψzw——土的冻胀性对冻深的影响系数,按表3．5采用;

ψze——环境对冻深的影响系数,按表3．6采用.

表3．4 土的类别对冻深的影响系数

表3．5 土的冻胀性对冻深的影响系数