第三章 地基基础方案的选择确定

对于建筑工程来讲，地基基础方案的选择确定是一个非常重要的问题，其对于建筑物的安全、基础的造价、基础的施工周期都有决定性的影响，应充分重视地基基础方案的选取。本章介绍了地基基础方案选择需考虑的因素及需特别注意的问题。

注:地基基础方案、基坑支护方案的多样性

禁忌3.1考虑地基基础时对概念设计重视不够

1概念设计的必要性

地基基础工程受诸多不确定因素影响，虽然岩土力学理论取得长足进展，计算方法和设计软件不断创新，但具体设计仍处于半理论半经验状态，因此，概念设计对于确保地基基础的安全非常重要。

所谓地基基础的概念设计就是将土力学概念、力学的概念、岩土性质的基本概念、地质演化的科学规律、地下水的影响、各种施工工艺的特点、各种结构体系的特点、基础与结构的共同作用、当地的经验、经济等和地基基础相关的因素综合应用到地基基础的设计中。通俗的讲概念设计就是知识和智慧的关系，有知识不一定有智慧，只有把知识转化为智慧才达到了学知识的目的，才能更好的进行工程设计。

2古人建塔对概念设计的启迪 我国古代，有很多成功的应用概念进行工程建造的实例。如古代建塔，一些塔的高度达到几十米，如唐朝的西安大雁塔64.5米，宋朝的定州开元寺塔高84.2米，苏州虎丘塔47.5米。如此高建筑如何修建？是否进行过地质勘察？如何进行地基处理？如何搭建脚手架？建筑材料如何向上运输？对于工程中的这些问题，古人巧妙的利用简单的概念解决。

一些资料显示古人采用堆土的方式建塔，塔修建多高，土堆多高，塔建成后土再从上到下逐渐清除。看似简单的堆土，实际解决了建造工程的关键问题，具体有以下几方面：

1）相当于现代建筑的脚手架；堆土可随建筑物的增高而增高，工匠可站在上面操作，代替脚手架，且比脚手架安全；

2）建筑材料运输坡道；利用堆土形成的坡作为建筑材料的运输通道，解决了建筑材料垂直运输的问题；

3）对地基进行预压处理，解决了地基承载力和塔的沉降问题；对于塔基来说，堆土相当于我们现在用的堆载预压法，堆土的荷载和范围远大于塔重，土清除后，经过预压地基的承载力和变形一般能满足要求。

从我们古人看似简单的方法，实际上反映了很高的智慧，既解决了地基处理问题，同时解决了上部结构施工存在的问题。

古人在地基基础方面的智慧还很多，如图3.1.1大雁塔，1996年实测大雁塔顶水平位移1010.5毫米，出现了倾斜。分析原因主要因素是当时地下水的过度抽取，大雁塔的倾斜问题引起了当地政府部门的高度重视，对大雁塔周边单位的400多口自备井实施封井措施，并加大了地下水回灌力度，将地表水注入地下含水层、以增加地下水储量，使得大雁塔的倾斜的问题得到有效遏制。大雁塔在2003年底、2004年初开始缓慢改斜“归正”，目前塔顶水平位移降到990mm以内。为什么已倾斜的塔自己会自己“归正”呢？据当地老人介绍，大雁塔的基础采用半圆形式基础方案，类似于‘不倒翁’的底座，此类基础方案有自动纠偏的功能，就像不倒翁最后保持垂直原理一样，且抗震稳定性好。此基础实际形式虽有待考证,但显然和平板基础比较，半圆形基础具备一定的纠偏能力。这也可能是其一千多年不倒的原因之一，也证明了地基基础方案的重要性。

注：万里长城；故宫；

3 怎样做好概念设计

1) 确定好的方案

概念设计首先要确定好方案，这是最重要的，方案选择不好，后面的具体设计再好也只是补充完善，

不能使其成为优秀的设计。

图1.1为古希腊雅典的六个石柱，首先在方案上进行了巧妙的构思，将柱子的形状雕成亭亭玉立的少女。在总体方案上将美学和力学结合起来，从中我们可看出古人是如何巧妙的将美学和力学概念结合在一起的。

2）具体设计中利用概念完善方案

以图1.1希腊六少女石柱分析，看古人如何在具体设计中巧妙利用概念的。

（1）古代没有钢筋混凝土，为减小梁的跨度，在柱顶部设柱帽，具体设计柱帽采用花篮，由少女头顶花篮。花篮既起到柱帽的作用，也起到美化作用。

（2）为避免在水平荷载作用下，柱子在截面小的部位也就是人体的颈部出现破坏，采用披肩发将荷载传递到身体的躯干，既增加了美感又避免了刚度突变。

（3）为增加稳定性，少女着长裙，且腿部弯曲使裙外撑，增大柱下部截面积，也增加了美感。

从上面分析看出，具体设计的每一步都将美学和力学很好的结合，完善设计方案。正是由于古人巧妙的利用概念设计，使建筑屹立几千年，我们至今仍有机会欣赏。

图3.1.1西安大雁塔图 3.1.2希腊六少女石柱

4 概念在设计各阶段的作用

概念设计贯穿基础设计全过程，在各阶段的作用如下：

1）判断基础工程关键控制点

概念设计首先要从总体上从本质上把握，判断工程相应部位的关键控制点。不是单纯某一经验的应用，不是单纯的截面设计、承载力计算、变形计算之类，更不是简单的直观判断。概念设计必须对基本原理有深刻的理解，有丰富经验的总结，有将基本理论灵活运用的能力，从主导理念上总揽全局，牢牢掌握影响工程成败的关键，并对实施效果有基本准确的估计，不犯概念性的错误。有关地基基础关键控制点的把握，参看本章禁忌6。

2）利用基本概念指导地基基础的具体计算

将复杂的客观条件，准确归纳为便于分析的模型，是地基基础工程计算的重要步骤。在具体计算阶段，需根据勘察报告提供的参数、上部结构荷载和刚度、基础设计参数等，利用归纳的数学模型采用手算或计算程序对地基基础的具体问题进行计算。设计者在应用软件和具体公式时，应对软件的数学模型和适用条件有正确的理解，了解这些假定条件与工程实际的符合程度，了解计算方法的局限性和可能产生的偏差。

3）利用基本概念和经验对计算结果进行分析判断

对计算结果进行合理的分析和判断对工程的安全至关重要，以建筑沉降计算为例，对于复杂的地基基础工程，影响建筑物沉降的因素非常多，至少有十几项，一些因素计算能相对准确考虑，如荷载、上部结构刚度；一些因素考虑不准确如地基刚度、土的性质；有些因素计算不能考虑，如施工周期、施工工艺、施工顺序的影响。如何判断计算结果的合理性和准确程度？这需依靠综合概念和经验。利用概念判断沉降分布形态、沉降差的大小是否合理，利用已有的工程经验判断计算数值的准确程度。

禁忌3.2 对地基类型及设计注意事项掌握不全面

地基是基础和上部结构的载体，进行基础设计应了解和掌握常见地基类型及设计要点。常见的地基类

型分均匀型地基、坡地型、岩土交错型、岩溶型。

1均匀型地基和非均匀型地基

均匀型地基是指地基土层可能是单一的，如为多层土组成时，则各土层的坡度一般小于10%，软土层小于5%。如图2.1a，均匀型地基中可能夹有薄层透镜体。由于土层比较均匀，设计时主要考虑土的力学性质和建筑物的特性。由于勘察布点不可能太密，有些地基在浅层可能会含有局部软土、墓穴、沟浜、树根、旧有建筑物的堆积物等情况，采用天然地基、复合地基或其它地基处理时，应特别注意验槽，而钎探是验槽所采用的必要手段。非均匀型地基如图2.1b所示，各土层的坡度大于10%，软土大于5%。非均匀地基设计时应注意倾斜，特别是采用天然地基，主要受力层存在不均匀的软土时，更应特别注意。图2.2为虎丘塔和对应的地质剖面图。苏州虎丘塔塔基下土层划分为五层，每层的厚度不同，因而导致塔身向东北方向倾斜。

图2.1 均匀地基和非均匀地基示意图

图6.2 虎丘塔和对应的地质剖面图

2坡地型地基

坡地型地基为常见的山区地基类型，坡地土层有残积或坡积粘性土，也可能由块石、圆砾、砂土、粘性土、淤泥等厚度不同、分布不均的土层组成。地形起伏与土质不均是这种地基类型的两个基本特点。超过10度以上坡度，坡地稳定性是地基设计中的首要问题。大规模平整场地带来的大挖、大填、自然排水系统破坏、自然条件稳定等一系列问题。轻者造价高昂，重者出现人为滑坡。图2.2为某地在山坡修建建筑物开挖图，基坑深度近40m，自然排水系统被改变。

图2.2 某坡地基坑开挖图片

在坡地上建筑时，要遵守以下原则：

1）查明拟建场地有无不良地质现象，应尽量避开古滑坡体或有可能滑坡地带；

2）计算场地稳定性及各建筑地基稳定性；

3）根据汇水面积布置新的排水系统，开辟新的引洪截流渠道；

4）必须按照先排水治坡，再支挡，然后进行建筑施工的程序进行。

注：介绍元上都项目

3岩土交错型地基

岩土交错型地基的基本特征是在地基中一部分为较浅的基岩，另一部分为残积土、坡积或沉积的土层，土层厚度变化较大。典型的地质剖面如图2.3所示，它可分为三种形态：岩石出露在地基中部、岩石出露在端部、岩石呈石芽状。这类地基设计最主要的是地基变形不均匀，即岩石与土的模量相差百倍甚至千倍，土质部分的下沉引起建筑物的破坏。对此类地基设计时考虑岩层表面的倾斜程度、上覆土层的力学性质、建筑物类型与荷载大小，设计时遵守以下原则：

图2.3 岩土交错型地基示意图

1）按变形控制设计，考虑到可能出现的不均匀沉降。

2）当土层部分采用天然地基或复合地基时，岩石出露部分必须凿去一部分，换以砂土或其它柔性材料，称为垫层，凿去的高度和面积应根据土层部分的厚度、变形模量、地基处理方法进行确定，并进行载荷板测试。

3）载荷板检测时，岩石出露部分和土层、复合地基部分在相当于基底压力荷载情况下，沉降量应接近，否则应增加土、复合地基的刚度或增加岩石上垫层厚度。

注：解释

4）当坡度较大、建筑对变形要求严格时，土层部分应采用桩基处理，桩端应进入稳定的岩石。