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第六章. 建筑物工程地质勘察. 第一节 概述 一、地基基础概念 地基 由于建筑物的兴建，导致岩土体中某一范围内原来的应力状态发生了变化。这部分由建筑物荷载引起应力变化的岩土体叫地基。换句话讲，承受建筑物全部荷载的那部分岩土体叫地基。地基又分持力层及下卧层两部分，直接与基础接触的岩土体叫持力层。持力层下部的岩土体叫下卧层。 类型： 天然地基 人工地基 ：人工土基、人工桩基. （二）基础 建筑物的基础也叫建筑物的下部结构，是建筑物在地面以下的那一部分。它的作用是承受整个建筑物的重量及作用在建筑物上的所有载荷，并将它们传递给地基。因此，基础是起承上启下作用。 分类：
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第六章 建筑物工程地质勘察
第一节 概述 • 一、地基基础概念 • 地基 • 由于建筑物的兴建，导致岩土体中某一范围内原来的应力状态发生了变化。这部分由建筑物荷载引起应力变化的岩土体叫地基。换句话讲，承受建筑物全部荷载的那部分岩土体叫地基。地基又分持力层及下卧层两部分，直接与基础接触的岩土体叫持力层。持力层下部的岩土体叫下卧层。 • 类型： • 天然地基 • 人工地基 ：人工土基、人工桩基
（二）基础 • 建筑物的基础也叫建筑物的下部结构，是建筑物在地面以下的那一部分。它的作用是承受整个建筑物的重量及作用在建筑物上的所有载荷，并将它们传递给地基。因此，基础是起承上启下作用。 • 分类： • 按埋深分为可分为浅基础和深基础两大类。 • 一般认为，砌置深度小于5m者为浅基础， • 砌置深度大于5m者为深基础。 • 浅基础有单独基础、条形基础、筏片基础、箱形基础和壳体基础等。 • 深基础主要有沉井、沉箱、桩基础和地下连续墙等。
二、建筑物的主要工程地质问题 • （一）区域稳定性问题 • （二）斜坡稳定性问题 • （三）地基稳定性问题 • （四）建筑物配置的工程地质论证问题 • （五）地下水的侵蚀性问题 • （六）地基的施工条件问题
（一）区域稳定性问题 • 区域地壳的稳定性直接影响着城市建设的安全和经济，在建设中必须首先注意这个问题。影响区域稳定性的主要因素是地震和新构造运动，在新地区选择建筑场址时，更应注意。
（二）斜坡稳定性问题 • 在斜坡地区修建建筑物时，斜坡稳定性也是一个重要的工程地质问题。斜坡的变形和破坏危及斜坡上及其附近建筑物的安全，建筑物的兴建，给斜坡施加了外荷载，增加了斜坡不稳定的因素，可能导致其滑动，使建筑物破坏。因此，在斜坡地区修建建筑物时，必须对斜坡稳定性进行研究，做出工程地质评价，对不稳定斜坡提出相应的防治或改良措施。
（三）地基稳定性问题 • 研究地基稳定性是工业与民用建筑工程地质勘察中的最主要任务。地基稳定性包括地基强度和变形两部分。地基强度指地基在荷载作用下，抵抗破坏的能力。地基变形是指地基在上部荷载的作用下，土体被压缩而产生相应的变形。若建筑物荷载超过地基强度、地基的变形量过大，则会使建筑物出现裂隙、倾斜或发生破坏。为了保证建筑物的安全、经济合理和正常使用，必须研究与评价地基的稳定性，提出合理的地基承载力及变形量，使地基稳定性同时满足强度和变形两方面的要求。
（四）建筑物配置的工程地质论证问题 • 大型的工业建筑往往是由工业主厂房、车间、办公大楼、附属建筑及宿舍构成的建筑群。由于各建筑物的用途和工艺要求不同，他们的结构、规模和对地基的要求不一样，因此，对各种建筑物进行合理的配置，才能保证整个工程建筑物的安全稳定、经济合理和正常使用。在满足各建筑物对气候和工艺方面要求的条件下，工程地质条件是建筑物配置的主要决定因素，只有通过对场地工程地质条件的调查，才能为建筑物选择较优的持力层、确定合适的基础类型，提出合理的基础砌置深度，为各建筑物的配置提供可靠的依据。
（五）地下水的侵蚀性问题 • 混凝土是工业与民用建筑常用的建筑材料，当混凝土基础埋置于地下水位以下时，必须考虑地下水对混凝土的侵蚀性问题。大多数地下水不具有侵蚀性，只有当地下水中某些化学成分（如HCO、SO、Cl-、侵蚀性CO2等）含量过高时，才对混凝土产生分解性侵蚀、结晶性侵蚀及分解、结晶复合性侵蚀。地下水中的化学成分与环境及污染情况有关。所以，在工业与民用建筑工程地质勘察时，必须测定地下水的化学成分，并评价其对混凝土的各种侵蚀性。
（六）地基的施工条件问题 • 修建工业及民用建筑物基础时，一般都需要进行基坑开挖工作。地基的施工条件不仅会影响施工期限和建筑物的造价，而且对基础类型的选择起着决定性作用。开挖基坑时，会遇到采取多大坡角的坑壁才能稳定，以及是否需要支撑等问题。若基坑开挖到地下水位以下时，会遇到基坑排水问题，需预测基坑涌水量大小，为选择排水方法和排水设备提供依据。
第二节 地基中的应力分布 • 地基土体受到外力作用之后，要产生两种效应： • 一是产生垂向沉降与水平位移，这属于变形问题； • 二是土体是否发生破坏或失去稳定性，这属于强度问题。 • 这两方面都是由土中应力引起的，因此，要研究土体的变形与强度，首先应了解土中应力的分布特点。 • 所谓应力是指土中单位面积上所承受的力，单位为KPa或MPa。 • 在实际工作中，土中的应力有自重应力、附加应力、渗透压力和构造应力等。其中主要的是自重应力和附加应力，本章只介绍这两种应力。
一、自重应力 • 由于土层本身重量产生的应力，称之为土的自重应力。
二、基底压力 • 建筑物荷重是通过建筑物基础底面传给地基的，基础底面与地基之间的法向压力，称为基底压力。它主要用于计算地基中的附加应力。影响基底压力分布和大小的因素很多，除与基础所受荷载大小及基础形状、尺寸和埋深有关外，还与基础本身与地基土的相对刚度及地基土的性质等有关。因此，基底压力计算是一个很复杂的问题。在实际应用中，可以根据实际情况，对基底压力进行一些简化计算。
1. 中心荷载下的基底压力 中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形心。基底压力假定为均匀分布(图2—5)，此时基底平均压力设计值按下式计算：
2.偏心荷载下的基底压力 对于单向偏心荷载下的矩形基础如图2·6所示。设计时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值与最小压力设计值按材料力学短柱偏心受压公式计算： =
矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力 ，则矩形基底边缘四个角点处的压力
（三）基底附加压力 建筑物建造前，土中早巳存在着自重应力。如果基础砌置在天然地面上，那末全部基底压力就是新增加于地基表面的基底附加压力。一般天然土层在自重作用下的变形早巳结束，因此只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。 实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一定深度处，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力，基底平均附加压力值按下式计算(图2—8)：
有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空间表面上的局部荷载，由此根据弹 性力学求算地基中的附加应力。
三、地基中的附加应力 地基附加应力是指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力。其计算方法一般假定地基土是各向同性的、均质的线性变形体，而且在深度和水平方向上都是无限延伸的，即把地基看成是均质的线性变形半空间，这样就可以直接采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。 计算地基附加应力时，都把基底压力看成是柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响。
建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上的局部荷载，因此理论上的集中力实际是没有的。但是，根据弹性力学的叠加原理利用布辛奈斯克解答，可以通过积分或等代荷载法求得各种局部荷载下地基中的附加应力。建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上的局部荷载，因此理论上的集中力实际是没有的。但是，根据弹性力学的叠加原理利用布辛奈斯克解答，可以通过积分或等代荷载法求得各种局部荷载下地基中的附加应力。 (二)等代荷载法 · 如果地基中某点M与局部荷载的距离比荷载面尺寸大很多时，就可以用一个集中力代替局部荷载，然后直接应用式(2—12c)计算该点的 。
令 则上式改写为: K-集中力作用下得地基竖向附加应力系数,简称集中应力系数,按r/z值由表2-1查用。 若干个竖向集中力 作用在地基表面上，按叠加原理则地面下深度处某点的附加应力应为各集中力单独作用时在点所引起的附加应力之和
对于均布矩形荷载附加应力计算点不位于角点下的情况，就可利用式(2—20)以角点 法求得。图2—12中列出计算点不位于矩形荷载面角点下的四种情况(在图中0点以下任意 深度z处)。计算时，通过0点把荷载面分成若干个矩形面积，这样,0点就必然是划分出的各个矩形的公共角点，然后再按式(2-20)计算每个矩形角点下同一深度z处的附加应力，并求其代数和。四种情况的算式分别如下
(a)o点在荷载面边缘 式中 ，分别表示相应于面积I和Ⅱ的角点应力系数。必须指出，查表2-2时所取用边长 应为任一矩形荷载面的长度，而 为宽度，以下各种情况相同不再赘述。 (b)o点在荷载面内 (c)o点在荷载面边缘外侧 此时荷载面abcd可看成是由I(ofbg)与Ⅱ(ofah)之差和Ⅲ(oecg)与Ⅳ(oedh)之差合成的，所以
(d)o点在荷载面角点外侧 把荷载面看成由I(ohce)、Ⅳ(ogaf)两个面积中扣除Ⅱ(ohbf)和Ⅲ(ogde)而成的，所以 [例题2-3] 以角点法计算例图2-3所示矩形基础甲的基底中心点垂线下不同深度处 的地基附加应力的分布，并考虑两相邻基础乙的影响(两相邻柱距为6m，荷载同基础 甲)。 [解] (1)计算基础甲的基底平均附加压力标准值如下： 基础及其上回填土得总重 基底平均附加压力设计值 基底处的土中自重压力标准值 基底平均压力设计值
(2)计算基础甲中心点o下由本基础荷载引起的,基底中心点o可看成是四个相等小矩形荷载Ⅰ（oabc）的公共角(2)计算基础甲中心点o下由本基础荷载引起的,基底中心点o可看成是四个相等小矩形荷载Ⅰ（oabc）的公共角 点其长宽比l/b＝2.5/2=1.25，取深度z=0、1、2、3、4、5、6、7、8、10m各计算点，相应的z/b=0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5,利用表2－2即可查得地基附加应力系数Kc1。σz的计算列于例表2－3－1根据计算资料绘出σz分布图，见例图2－3
(二)三角形分布的矩形荷载 设竖向荷载沿矩形面积一边b方向上呈三角形分布(沿另一边的荷载分布不变),荷载的最大值为 取荷载零值边的角点1为座标原点(图2-13)则可将荷载面内某点( )处所取微面积 上的分布荷载以集中力 代替。角点1下深度处的M点由该集中力引起的附加应力 ,按式(2—12c)为： 在整个矩形荷载面积进行积分后得角点1下任意深度z处竖向附加应力 : 式中
同理，还可求得荷载最大值边的角点2下任意深度z处的竖向附加应力为 ： (2—23) 和 均为 和 的函数，可由表2—3查用。
(三)均布的圆形荷载 设圆形荷载面积的半径为，作用于地基表面上的竖向均布荷载为 ，如以圆形荷载面的中心点为座标原点o(图2—14)，并在荷载面积上取微面积 ，以集中力代替微面积上的分布荷载，则可运用式(2—12c)以积分法求得均布圆形荷载中点下任意深度z处M点的 如下，
三、条形荷载下的地基附加应力 设在地基表面上作用有无限长及条形荷载，且荷载沿 宽度可按任何形式分布，但沿长度方向则不变，此时地基 中产生的应力状态属于平面问题。在工程建筑中，当然没 有无限长的受荷面积，不过，当荷载面积的长宽比l/b≥10时，计算的地基附加应力值与按 时的解相比误差甚少。因此，对于条形基础，如墙基、挡土墙基础、路基、坝基等，常可按平面问题考虑。条形荷载下的地基附加应力为：
第三节 地基的最终沉降量 • 地基最终沉降量是指地基土层在荷载作用下，达到压缩稳定时地基表面的沉降量。计算中，一般认为地基土层在自重作用下已压缩稳定。地基沉降是地基土层在建筑物荷载在地基中产生的附加应力作用下，土层发生压缩变形，引起地基沉降。 • 地基最终沉降量的计算方法有多种，目前工业与民用建筑物设计中，一般采用分层总和法和《建筑地基基础设计规范》推荐法。下面分别介绍在静荷载作用下的两种方法。 一、按分层总和法计算 地基的最终沉降量，通常采用分层总和法进行计算，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干分层计算各分层的压缩量，然后求其总和，计算时应先按基础荷载、基础形状和尺寸，以及土的有关指标求得土中应力的分布(包括基底附加压力，地基中的自重应力和附加应力)。 计算地基最终沉降量的分层总和法，通常假定地基土压缩时不允许侧向变形(膨胀)，即采用侧限条件下的压缩性指标，为了弥补这样得到的沉降量偏小的缺陷，通常取基底中心点下的附加应力进行计算。
1、薄压缩土层的沉降计算 当基础底面以下可压缩土层较薄且其下为不可压缩的岩层时，—般当可压缩土层厚度H小于基底宽度b的1／2时(图2—34)，由于基底摩阻力和岩层层面摩阻力对可压缩土层的限制 作用，土层压缩时只出现很少的侧向变形，因而认为它与压缩仪中土样的受力和变形条件很相近，地基的最终沉降量S(m)就可直接利用式(2—60b),以S代替其中的 ，以H代替 ,即得：
式中 H ——薄可压缩土层的厚度，m， ——根据薄土层顶面处和底面处自重应力 (即初始压力 ）的平均值从土的压缩曲线上查得的相应的孔隙比； ——根据薄土层的顶面处和底面处自重应力 平均值与附加应力平均值 (即压力增量 ，此处近似等于基底平均附加压力 )之和(即总压应力 )，从土的压缩曲线上得到的相应的孔隙比。 实际上，大多数地基的可压缩土层较厚而且是成层的。下面讨论较厚且成层可压缩土层的沉降计算。
2、较厚且成层可压缩土层的沉降计算方法与步骤2、较厚且成层可压缩土层的沉降计算方法与步骤 （1）按比例尺绘制地基土层剖面图和基础剖面图（见例图2-6-1）； （2）地基土的分层。分层厚度一般取0.4b或1-2m,此外,成层土的界面和地下水面是当然的分层面； （3）地基竖向自重应力的计算。分别计算基底处、土层层面处及地下水位面处的自重应力，并画在基础中心线的左侧； （4）计算基础底面中心点下各分层界面处的附加应力 ，并画在基础中心线的右侧； （5）计算地基各分层自重应力平均值（ ）和自重应力平均值与附加应力平均值之和（ ）；
（6）由土的压缩曲线分别依 ； （7）确定地基沉降计算深度（地基压缩层深度）。所谓地基沉降计算深度是指自基础底面向下需要计算压缩变形所到达的深度，亦称地基压缩层深度。该深度以下土层的压缩变形值小到可以忽略不计。地基沉降计算深度的下限，一般取地基附加应力等于自重应力的20%处，即 处，在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至 处：计算精度均为±5kPa(图2—35)。 （8）计算地基各分层的沉降量： （9）计算地基最终沉降量：
二、按规范方法计算 《建筑地基基础设计规范》所推荐的地基最终沉降量计算方法是另一种形式的分层总和 法。它也采用侧限条件的压缩性指标，并运用了平均附加应力系数计算，还规定了地基沉降 计算深度的标准以及提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算成果接近于实测值。 1、第分层压缩量的计算 对于图2-37所示的第分层，其压缩量为
2、地基沉降计算深度 地基沉降计算深度—第分层（最底层）层底深度。 规范规定：由深度处向上取按表2-8规定的计算厚度（见图2-37）所得的计算沉降量应满足 按上式所确定的沉降计算深度下若有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层 中1厚的计算沉降量满足上式为止． 当无相邻荷戴影响，基础宽度在l-50m范围内时，基础中点的地基沉降计算深度规范规定，也可按下列简化公式计算：
