地基与基础工程

地基与基础工程是建筑施工中最关键的环节之一，被誉为“建筑物的生命线”。古人讲“万丈高楼平地起”，这里的“平地”说的正是坚实可靠的地基与科学合理的基础。在建筑结构体系中，地基不仅承载并分布整个建筑的荷载，还将这些力安全有效地传递到深部地层，直接关系到建筑物的安全、耐久与长久使用。

在我国，地基与基础工程有着悠久的发展历史。从古代的夯土台基、条石基础，到近现代的混凝土基础、桩基础，再到当前地基加固、地基处理等高新技术应用，技术手段和理论体系日益完善。不同历史时期，人们针对各类建筑和地基条件，积累了丰富的工程经验和规范标准，使得该领域形成了系统的理论、成熟的设计思路以及规范的施工工艺，极大保障了各类建筑的质量和安全。

地基与基础类型多种多样，包括天然地基、人工加固地基、浅基础、深基础、桩基以及筏板基础等。针对复杂地质条件和特殊建筑需求，如软土地区、高层建筑、地下空间开发等，地基处理与基础选型也日渐多元化和科学化。

---

地基承载力分析

地基承载力是指地基土单位面积上能够承受的最大压力。准确评估地基承载力是保证建筑安全的前提条件。在实际工程中，工程师需要通过地质勘察获取土层数据，再运用力学原理计算出地基的承载能力。

地基土的基本性质

地基土主要分为岩石、砂土、粘性土和特殊土四大类。每种土质的承载能力差异很大。岩石地基承载力最高，可以达到数千千帕甚至更高，而软粘土的承载力可能只有几十千帕。

以北京地区为例，城区地表下分布着粘性土层和砂卵石层。粘性土含水量较高时呈软塑状态，承载力较低；而砂卵石层密实度高，承载力可达300-500千帕，是理想的天然地基。上海地区则以软土为主，地基承载力普遍较低，大型建筑往往需要采用桩基础将荷载传递到深层的持力层。

地基承载力的确定方法

确定地基承载力有三种主要方法：理论公式法、载荷试验法和经验数据法。理论公式法根据土力学理论，通过地基土的物理力学指标计算承载力。载荷试验法是在现场进行原位试验，直接测定地基在荷载作用下的变形特性。经验数据法则依据当地的工程经验和历史资料进行估算。

在中国的建筑规范中，通常采用理论公式法和载荷试验法相结合的方式。理论公式法的基本形式为承载力特征值等于地基土的粘聚力、内摩擦角和基础埋深等参数的函数。这个公式综合考虑了土体的抗剪强度和基础的几何条件。

地基变形控制

除了承载力满足要求外，地基变形也是必须控制的重要指标。建筑物在荷载作用下会产生沉降，沉降过大或不均匀会导致墙体开裂、门窗变形等问题。中国建筑规范对不同类型建筑的沉降量都有明确限制。

地基沉降包括三个阶段：瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降在加载瞬间发生，主要由土体的剪切变形引起。固结沉降是由于土体孔隙水排出，土颗粒重新排列造成的，这个过程在粘性土地基中可能持续数年甚至数十年。次固结沉降则是在固结完成后，土体在恒定应力下缓慢的蠕变变形。

广州电视塔（又称“小蛮腰”）建设时，由于地处珠江冲积平原，地基土层复杂，工程团队进行了长达两年的详细勘察和沉降监测。通过精确计算和施工控制，最终将沉降量控制在设计允许范围内，保证了这座600米高塔的安全稳定。

地基处理技术

当天然地基承载力不足时,需要采取地基处理措施。常用的地基处理方法包括换填法、压实法、化学加固法和桩基法等。

换填法适用于浅层软弱土，将软弱土挖除后换填强度较高的材料，如砂石、碎石等。这种方法施工简便，造价较低，在住宅建筑中应用广泛。压实法通过机械碾压或重锤夯击，提高土体密实度，增强承载能力。化学加固法采用水泥、石灰等材料对土体进行改良，提高其强度和稳定性。

杭州地区地基土多为淤泥质软土，承载力仅为50-80千帕，远不能满足多层建筑的要求。当地住宅建设普遍采用换填法，将表层1-2米深的软土挖除，回填级配砂石并分层压实，处理后的地基承载力可提高到150-200千帕，满足5-6层住宅的承载要求。

---

基础类型与选型

基础是建筑物与地基之间的连接构件，承担着将上部荷载传递到地基的重要任务。根据构造形式和受力特点，基础可分为浅基础和深基础两大类。浅基础包括独立基础、条形基础和筏板基础；深基础主要指桩基础。

独立基础

独立基础是在柱下单独设置的基础，平面形状多为方形或矩形。这种基础构造简单，施工方便，适用于上部结构为框架或单层排架，且地基承载力较好的情况。

独立基础的设计要点是确保基础底面积满足地基承载力要求，同时控制基础的高度和配筋。基础底面积等于柱传来的荷载除以地基承载力特征值。基础高度需要满足抗冲切和抗弯的要求，防止基础在荷载作用下发生破坏。

在江苏某厂房工程中，地基为中密砂土层，承载力达到250千帕。厂房采用钢筋混凝土框架结构，柱距6米，柱下采用独立基础。通过计算，基础底面尺寸为2.0×2.0米，基础高度0.5米，配置双向钢筋网。这种基础形式既满足承载力要求,又节约了混凝土用量，经济合理。

条形基础

条形基础是沿建筑物纵向或横向布置的连续基础，可以是墙下条形基础或柱下条形基础。这种基础增加了基础与地基的接触面积，降低了基础底面的压力，适用于地基承载力较低或上部荷载较大的情况。

墙下条形基础常用于砖混结构住宅。由于砖墙为连续的线荷载，采用条形基础可以有效地将荷载传递到地基。条形基础的宽度根据墙体荷载和地基承载力确定，一般为墙厚的2-3倍。基础埋深应在冰冻线以下，中国北方地区一般不小于1.2米。

柱下条形基础将若干柱子的独立基础连成一体，形成连续的梁式基础。这种形式可以调节各柱间的不均匀沉降，提高整体刚度。上海某办公楼工程，由于地基为软塑粘土，承载力仅有90千帕，采用柱下条形基础方案。基础宽度1.8米，将柱荷载分散到较大面积上，有效解决了地基承载力不足的问题。

筏板基础

筏板基础是在整个建筑物底部设置钢筋混凝土板，将所有柱和墙的荷载共同传递到地基上。这种基础形式进一步扩大了基础底面积，大幅降低基础底面压力，特别适用于地基承载力很低或上部荷载很大的高层建筑。

筏板基础分为平板式和梁板式两种。平板式筏板厚度较大，通常为600-1200毫米，配置上下双层钢筋网。梁板式筏板在板下设置纵横交叉的基础梁，形成井字形布置，板的厚度可以适当减小。梁板式筏板的整体刚度更好，但施工较为复杂。

深圳某商住综合楼，地上30层，地下3层，总高度约100米。场地地基为粉质粘土，承载力120千帕。经过计算，采用1.2米厚的平板式筏板基础，配置双向双层钢筋，钢筋直径20毫米，间距150毫米。筏板基础有效地将巨大荷载均匀分散到地基上，基础底面压力控制在110千帕左右，满足地基承载力要求。

桩基础

当浅层土质较差而深层存在良好持力层时，采用桩基础将上部荷载传递到深层坚硬土层或岩层。桩基础属于深基础，由桩身和桩承台组成。桩基础根据施工方法分为预制桩和灌注桩。

预制桩在工厂或现场预制成型，再通过打入或压入方式沉入土中。预制桩质量稳定，施工速度快，但打桩时产生的噪音和震动较大，在城市中心区受到限制。灌注桩是在现场成孔后浇筑混凝土形成，包括钻孔灌注桩和人工挖孔桩等类型。灌注桩施工噪音小，对周围环境影响小，在城市建设中应用广泛。

武汉长江大桥采用的是钢管混凝土桩基础，桩基深入江底基岩数十米。在软土覆盖层很厚的情况下，桩基础是唯一可行的方案。桩端深入持力层，通过端阻力和侧摩阻力共同承担上部荷载，保证了大桥的稳定性和安全性。

北京某医院住院楼工程，地表下10米以内为粉质粘土和粉土层，承载力较低；10米以下为砂卵石层，承载力达到400千帕以上。工程采用钻孔灌注桩基础，桩长12米，桩径600毫米，桩端进入砂卵石层不小于2米。这种设计充分利用了深层良好土层的承载能力，为上部结构提供了可靠的支承。

基础类型对比与选型原则

不同基础类型的适用条件和经济性差异较大，工程设计时需要综合权衡。下表对比了各类基础的主要特点：

基础选型的基本原则是：在满足承载力和变形要求的前提下，优先选用浅基础，尽量就地取材，简化施工，降低造价。当浅基础不能满足要求时，再考虑地基处理或深基础方案。

---

地下室工程

随着城市土地资源日益紧张，地下空间的开发利用越来越受到重视。地下室不仅可以提供停车、储藏等辅助功能，还能增加建筑的有效使用面积。高层建筑通常都设置地下室，既解决了停车问题，又可以作为上部结构的嵌固端，提高建筑的抗震性能。

地下室的分类与结构形式

地下室按埋深可分为全地下室和半地下室。全地下室的顶板标高低于室外地面，半地下室的顶板高出室外地面一定高度。按功能可分为普通地下室和人防地下室。人防地下室除了日常使用功能外，还要满足防护要求，顶板、外墙和临空墙的厚度及配筋都要加强。

地下室结构通常采用现浇钢筋混凝土框架结构或剪力墙结构。外墙既要承受侧向土压力和水压力，又要起到防水作用，因此厚度较大，一般为250-400毫米。底板承受土反力和地下水浮力，也需要有足够的厚度和配筋。顶板则作为地下室的楼盖，同时也是地面层的楼板。

地下室防水设计

地下室防水是工程中的重点和难点。中国建筑规范将地下室防水等级分为四级，一级防水要求最高，不允许渗水；四级防水要求最低，允许少量渗湿。防水等级的确定根据地下室的使用功能、重要性和地下水位高低等因素综合考虑。

地下室防水采用“防、排、截、堵”相结合的综合治理措施。防是指设置防水层，包括外防水和内防水。外防水是在地下室外墙外侧设置防水卷材或防水涂料，这是最有效的防水方式。内防水是在内墙面做防水处理，作为辅助措施。排是指设置排水系统，将地下水引导排除。截是指在地下水位较高的地区，设置帷幕灌浆或地下连续墙，阻截地下水流向基坑。堵是指对渗漏部位进行封堵处理。

例如，高档住宅小区的地下水位高于地下室底板约2米，地下室防水等级为一级。工程采用外防水方案，在地下室外墙和底板外侧铺设3毫米厚高分子防水卷材，卷材搭接宽度100毫米，接缝采用热熔焊接。施工中特别注意转角处和穿墙管道处的防水节点处理，确保防水层连续完整。地下室投入使用多年，未出现渗漏问题，防水效果良好。

上图展示了地下室外墙承受的侧向土压力随埋深的变化规律。静止土压力是墙体保持不动时土体对墙的压力，这是地下室外墙设计的常用工况。主动土压力发生在墙体向外偏移时，此时土压力最小。被动土压力则是墙体向土体方向移动时产生的抗力，数值最大。实际工程中，地下室外墙按静止土压力进行计算，既安全又经济。

地下室基坑开挖与支护

地下室施工首先要进行基坑开挖。基坑开挖深度超过5米时，必须设置支护结构，防止基坑边坡失稳和周边地面沉陷。基坑支护方法包括土钉墙、排桩加锚杆、地下连续墙等多种形式。

土钉墙是在边坡上打入土钉，并喷射混凝土面层形成的支护结构。土钉墙造价低，施工简便,适用于开挖深度不大于10米、周边环境要求不高的基坑。排桩加锚杆是沿基坑周边施工一排钻孔灌注桩，桩间设置锚杆拉结。这种支护刚度大，变形小，适用于周边有重要建筑或管线需要保护的基坑。地下连续墙是在地下连续浇筑钢筋混凝土墙体，形成完整的支护结构。地下连续墙防水性能好，刚度大，可兼做地下室外墙，但造价较高。

例如，商业综合体工程，地下室3层，基坑开挖深度12米。基坑周边紧邻城市主干道和地铁隧道，对基坑变形控制要求很高。工程采用地下连续墙加内支撑的支护方案。地下连续墙厚度800毫米，深度18米，嵌入持力层不少于2米。基坑内设置三道混凝土支撑，形成稳定的支护体系。施工过程中进行严密的监测，地下连续墙最大水平位移仅15毫米，有效保护了周边设施的安全。

地下室通风与采光

地下室由于处于地面以下，自然通风和采光条件较差，需要采取措施改善环境质量。半地下室的窗台可以设置在室外地面附近，开设地面采光窗，引入自然光线和新鲜空气。全地下室则需要设置机械通风系统，定期换气。

对于面积较大的地下室，可以设置下沉式庭院或采光井。下沉式庭院是在地下室外侧开挖出一个低于室外地面的庭院空间，地下室外墙开窗直接面向庭院。这种方式不仅改善了地下室的通风采光，还创造了舒适的室外活动空间。北京某办公楼地下一层设置了面积约200平方米的下沉广场，四周种植绿化，地下室会议室和茶水间的窗户直接开向广场，室内光线充足，空气清新，使用效果很好。

---

钢筋混凝土保护层

钢筋混凝土结构中，钢筋外表面到混凝土外表面之间的距离称为保护层厚度。保护层看似简单，实际上对结构的耐久性和安全性有着至关重要的作用。保护层过薄，钢筋容易锈蚀；保护层过厚，会降低构件的有效高度，影响承载能力。

保护层的作用机理

保护层的首要作用是保护钢筋不受锈蚀。钢筋锈蚀是导致混凝土结构破坏的主要原因之一。混凝土呈碱性环境，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，这层膜可以有效阻止钢筋继续锈蚀。但当混凝土保护层碳化或氯离子侵入时，钢筋表面的碱性环境被破坏，钢筋开始锈蚀。

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙等碱性物质反应，生成碳酸钙等中性物质的过程。碳化从混凝土表面开始,逐渐向内部发展。碳化深度随时间增加而增大，经过数十年可能达到数十毫米。当碳化深度达到钢筋表面时，钢筋就失去了碱性环境的保护，开始锈蚀。

钢筋锈蚀后体积膨胀,产生的锈胀力可达数十兆帕,远超过混凝土的抗拉强度。锈胀力会使保护层混凝土开裂脱落，钢筋进一步暴露在空气中，锈蚀加速发展，形成恶性循环。最终导致钢筋截面减小，承载力下降，结构破坏。

保护层的另一个作用是保证钢筋与混凝土的粘结。钢筋通过与混凝土的粘结力传递应力。粘结力主要来自钢筋表面与混凝土的摩擦力和机械咬合力。保护层厚度不足时，混凝土对钢筋的约束减弱，粘结力降低，钢筋可能被拔出，构件失效。

此外，保护层还能提高结构的耐火性能。火灾时，混凝土导热系数小，可以延缓钢筋温度上升。钢筋在高温下强度急剧下降，600℃时强度几乎完全丧失。保护层厚度越大，钢筋升温越慢，结构的耐火时间越长。

保护层厚度的规范要求

中国建筑规范根据构件类型、环境条件和混凝土强度等级，对保护层最小厚度做出了明确规定。环境条件是影响保护层厚度的主要因素。规范将环境分为五类：室内正常环境、室内潮湿环境、室外环境、氯盐环境和化学腐蚀环境。

室内正常环境如住宅、办公楼的室内，腐蚀性最小，保护层厚度要求最低。梁、柱的保护层最小厚度为25毫米，板和墙为20毫米。室外环境受雨水、风沙等自然因素影响，腐蚀性增强，保护层厚度要求提高到30-35毫米。

沿海地区和使用除冰盐的地区属于氯盐环境，氯离子侵蚀性很强，会迅速破坏钢筋表面的保护膜。这种环境下保护层厚度要求达到40-50毫米。化学腐蚀环境如化工厂、污水处理厂等，腐蚀性最强，保护层厚度要求可达50-70毫米。

地下室外墙和底板长期接触土壤和地下水，且维修困难，保护层厚度要求较高，一般为40-50毫米。基础底板直接浇筑在混凝土垫层上，与土壤接触，最小保护层厚度为40毫米；如果没有垫层，保护层厚度要增加到70毫米。

下表汇总了不同环境条件下的保护层厚度要求：

上图展示了不同环境下保护层厚度与钢筋开始锈蚀时间的关系。从图中可以看出，保护层厚度增加，钢筋开始锈蚀的时间延长，但增长速率逐渐降低。室内正常环境下，25毫米保护层可以保护钢筋65年不锈蚀，满足结构设计使用年限50年的要求。氯盐环境腐蚀性强，即使保护层达到40毫米，钢筋也只能保护约26年，因此沿海地区的建筑需要采取更严格的防腐措施。

保护层施工控制

保护层厚度在施工图纸上明确标注，但施工中要准确控制并不容易。钢筋绑扎时，需要在钢筋与模板之间垫设保护层垫块，垫块的位置和数量直接影响保护层厚度。

保护层垫块通常采用水泥砂浆或塑料制作。砂浆垫块强度应不低于构件混凝土强度，以免垫块压碎导致保护层厚度不足。塑料垫块质量轻，耐腐蚀，不会在混凝土表面留下锈斑，在高等级建筑中应用较多。

板类构件的保护层垫块按梅花形布置，间距不大于1米。梁、柱的侧面保护层通过在箍筋外侧加焊定位短钢筋控制，或使用塑料卡扣固定。底部保护层用马凳筋支撑受力钢筋，马凳筋间距根据钢筋直径和跨度确定，一般为800-1200毫米。

杭州某住宅工程，施工中发现部分楼板负弯矩钢筋保护层厚度不足，有的只有10毫米，远低于规范要求的20毫米。调查发现，施工人员在浇筑混凝土时踩踏钢筋，将钢筋向下压变形，导致保护层减薄。项目部立即采取整改措施，增加保护层垫块数量，在浇筑混凝土时铺设操作马道，严禁踩踏钢筋。后续施工中保护层厚度得到有效控制，满足了规范要求。

保护层厚度检测

混凝土浇筑完成后，需要对保护层厚度进行检测，验证是否满足设计和规范要求。常用的检测方法有钻芯法和电磁感应法。

钻芯法是直接钻取混凝土芯样，测量钢筋到混凝土表面的距离。这种方法准确可靠，但会损伤构件，且检测速度慢，一般只用于重要部位或发生质量争议时。电磁感应法又称钢筋扫描仪法，利用电磁感应原理检测钢筋位置和保护层厚度。这种方法无损、快速，可以大面积检测，是目前最常用的方法。

检测时按照一定的抽样方案选取检测部位。对于梁、柱构件，一般抽取构件总数的2-5%进行检测；对于板类构件，每100平方米抽取不少于5处。检测结果的合格标准是：保护层厚度合格点率不低于90%，且不合格点的最大偏差不超过规范允许偏差。

上海某高层住宅工程，竣工验收前对地下室外墙保护层厚度进行全面检测。使用钢筋扫描仪对外墙进行逐段扫描，共检测了300个测点。检测结果显示，保护层厚度在35-48毫米之间，平均值42毫米，合格率98%。有6个测点保护层厚度为35毫米，略低于设计要求的40毫米,但偏差在允许范围内。检测结果表明施工质量良好，保护层厚度满足耐久性要求。

---

小结

地基承载力的准确分析是建筑安全和稳定的首要保证，需要结合实际地质条件和结构荷载进行合理计算。基础的选型则需要根据地质及周边环境条件，权衡经济性与施工可行性，科学选择独立基础、条形基础、筏板基础或桩基础等形式，以提高建筑的整体性能。

在地下室工程领域，防水措施尤为重要，需要综合设计结构、材料和施工工艺，有效防止地下水渗透与潮气入侵，同时还要关注通风、采光等环境问题。钢筋混凝土保护层的厚度和质量直接关系到结构的长期耐久性与抗腐蚀能力，施工和检测环节必须严格把关，确保符合设计规范要求。

这些知识点相互交织，涵盖了从理论分析、结构设计到实际施工与质量检测的全流程，构成了完整的地基与基础工程体系。只有全面掌握这些基本原理和施工方法，才能在今后的建筑设计与施工工作中切实保障工程质量和建筑物的安全耐久。因此，本章内容不仅是建筑学学习的重要基础，也是成长为合格建筑师和工程师不可或缺的核心知识。