地基基础知识

地基基础知识

地基及基础是一项古老的工程技术，又是一门年青的应用技术，地基基础是一切建筑物的最重要的部位。如地基不好，上部结构最好，整个建筑物也会出现各种不同类型的问题。

构成天然基础的物质不外乎地壳中的岩石和土。地壳的一般厚度为30～80Km,它的物质、形态和内部构造是在不断地改造和演变的。导致地壳成份变化和构造变化的作用，称为地质作用。

地质年代是指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。大体分为新世代（0.12～70百万年）、中生代（70～225百万年）、古生代（225～600百万年）及元（太）古代（大于600百万年）。我们通常说的地基土是属于新生代。

一、土的物理性质和分类

土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式在多种自然环境下生成的沉积物。

土的物质组成包括有作为土的骨架的固态矿物成分。其组成情况决定土的物理力学性质的重要因素。

（一）土的颗粒级配

在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组

成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，土的性质随着粒径的变细可由无粘土性变化到有粘土性。

根据粒径的不同大致可分为漂石或块石颗粒，粒径>200mm （卵石或碎石颗粒粒径约200～20mm ），透水性很大，无粘性，无毛细水；圆砾或角砾颗粒（粗20～10mm 、中10～5mm 、细5～2mm ）透水性大，无粘性，无毛细水上升高度不超过粒径大小；砂粒，（粗2～0.5mm 、中0.5～0.25mm 、细0.25～0.1mm 、极细0.1～0.05mm ），易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加，无粘，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大；粉粒（粗0.05~0.01mm 、细0.01~0.005mm ），透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大，较快，极易出现冻胀现象；粘粒＜0.005mm ，透水性很小，湿时有粘性，可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢。

土的不均匀系数：

10

60d d U K

d10 ——有效粒径（小于等粒径的土粒重量累计百分数为10%）

d60——限定粒径（小于等粒径的土粒重量累计百分数为60%）

(二）土的矿物成分

土粒的矿物成份主要决定于母岩的成份及其所经受的分化作用。不同的矿物成份对土的性质有着不同的影响。其中以细粒土的矿物成份尤为重要。

漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成份与母岩相同。

砂粒大部分是母岩的的单体矿物颗粒，如石英、长石和云母等。

粉粒的矿物成份是多样性的，主要是石英石和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒。

粘土的矿物成份主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类（如碳酸钙等），它们都是次生矿物。粘土的矿物的颗粒很微小。

二、土中的水和气

（一）土中水

在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处

于液态、固态和气态。土中细粒愈多，则土的分散度愈大，水对土的性质的影响也愈大。研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。

当土中温度在冰点以下时，土中就出现固态水，形成冻土。此时温度增大，但冻土融化后，强度急剧下降。至于土中的气态水，对土的性质影响不大。

存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：

1、结合水

结合水—受电分子吸引力附于土粒表面的土中水。

结合水可分为强结合水和弱结合水。

强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。没有溶解能力，不传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。其性质接近于固态。

弱结合水是紧靠强结合水的外围形成一层结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜缓慢转移，当土中含有较多的弱结合水时，具有一定的可塑性。

弱结合水离土粒表面愈远，其受到的电分子引力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。

2、自由水

自由水存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。

重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用，重力水对土中的应力状态和开挖基槽，基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水有重要影响。

毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛细水存在于潜水水位以上的透水土层中。

在工程中，要注意毛细上升水的上升高度和速度对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸润和冻胀等有重要影响。

（一）土中气

土中气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位，在粗粒的沉积物中常见到与大气相联通的孔，它对土的力学性质影响不大。在细粒土中则常存在与空气隔绝的封闭气泡中，使土在外力作用下的弹性变形增加，透水性减小。

对于淤土和泥碳含有机质土，由于微生物的分解作用，土中蓄积了某种可燃气体，使土在自重作用下长期得不到压密，而形成高压缩土层。

三.土的结构和构造

土的结构是指由土粒单元大小、形状、相互排列及联系关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种类型。

单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的。呈紧密状的单粒结构土，土粒排列紧密，在动、静荷载作用下，都不会发生较大的沉降，所以强度大，压缩性小，是较为良好的天然地基。具有疏松单粒结构的土，其骨架不稳定，当受到振动和外力作用时，土粒易发生移动，土中的孔隙剧烈减少，引起土的很大变形，这种土如未经处理一般不宜作为建筑物地基。

蜂窝结构土是主要由粒径为0.00~0.005mm的粉粒组成的土，基本上由单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有较大的孔隙的蜂窝状结构。

絮状结构土是由粒径<0.005mm集合体组成的结构形式粘粒能在水中长期悬浮，不因自重而下沉。这些悬粒浮在水中被带到电解质浓度较大的环境中，粘粒凝聚成絮状的集粒而下沉，并相继与已沉积的絮状粉粒接触，形成类似蜂窝状而孔隙很大的絮状结构。

具有蜂窝状和絮状结构的粘性土，其土粒之间的联结度，往往由于长期的压密作用和 胶结作用而得到加强。

由于不同阶段沉积的物质成分，颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征，常见的有水平层理构造和交错层理构造。土构造的另一个特征是土的裂隙性，如黄土的柱状裂隙，裂隙的存在大大降低土的强度和稳定性，增大透水性，对工程不利。

四. 土的各项指标与特征

1. 土的比重 wr S S r V W G 1.

S W －土粒重量

s V －土粒体积

1w r =水在4℃时单位体积的质量（1g/3cm 或1t/3m ） W －土的总重量 W=S W ＋w W (w

W -土中水的重量） V －土的总体积 V=s V +W V +a V (w V .a

V 分别为土中水和空气体积）

土的比重与土的矿物成份相关，它的数值一般为

2.6～2.8有机质土为2.4～2.5泥炭土为1.5～1.8，同一种类土，其比重变化幅度较小。

2. 土中的含水量ω

ω=s

w

W W ×100％ 含水量ω是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类，埋藏条件及所处的自然地理环境等有关。一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和的砂土，可达40％，坚硬的粘性土的含水率的小于30％，而饱和状态的软粘土， 可达60％或更大。同一类土，当含水量增大时，则其强度就降低。

3. 土的容 重γ

单位体积土的重量为土的容重r(单位为g/3cm 或 t/3

m ） γ=v

w 天然状态下土的容重变化范围较大。一般粘性土γ=1. 8～2.0 t/3

m 砂土γ=1.6～2.0t/3m 腐植土γ=1.5～1.7t/3m

土单位体积固体颗粒部分重量为土的干容重γq ，即：

V W r S

q =

土的干容重是评定土体紧密程度的标准，用以控制填土工程质量

土孔隙中充满水时的单位体积重量，为土的饱和密度

r sat ，即v

r v w r w v s sat += V V ----土中孔隙体积 在地下水位以下时，单位土体积土粒的有效容重即土

的浮容重r′, v

r v w r w s s -='

4. 土的孔隙比和孔隙率

土的孔隙率是土中孔隙所占体积与土总体积之比，即s

v v v e = 孔隙比是土的一个重要物理指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土为密实的低压缩 性土，e>1.0的土是高压缩性土。

土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，即

100?=v

v n v % 5. 无粘性土的密实度

无粘性土的密实度与工程性质度关系，呈密实状态时，强度大，可作为良好的天然地基，呈松散状态

时，则是一种软弱地基。

无粘性土的最大孔隙比e max 与天然孔隙比e 之差和最大孔隙比e max 与最小孔隙比e min 之差的比值D r 称为相对密度，即：

min

max max e e e e D r --= 1≥D r >0.6 密实

0.6≥Dr>0.33 中实

0.33≥D r >0 松散

6. 粘性土的物理特性

液限ωL —土由可塑状态到流动状态的界限含水量 塑限ωP —土由半固体状态转到可塑状态的界限含水量

缩限ωS —土由半固体状态不断蒸发水份，体积逐

渐缩小，直到体积不再缩小的界限含水

量

粘性土的塑性指数I P

I P =ωL -ωP

土的塑性指数在一定程度上综合反映的影响粘性

土特征的各种重要因素，因此在工程上

普遍按塑性指数对粒性土进行分类。

粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之

比，为液性指数I L ;

P P P L P L I I ωωωωωω-=--=

五．常用地基土处理的几种方法：

1.强 夯—适宜无粘性土，改变土的密实

性

2.换土—用湿度大的土，分层压实

3.用刚性桩，如砂桩、碎石桩、石灰桩、

水泥搅拌桩等,砂、石灰、水泥搅拌桩起到置换作用，石灰桩可起挤密作用。

4.桩基