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- 地基与基础
16.1 种类及功能
下层结构或者说基础，是经常被放置在地表以下用来将荷载传递给潜在的土壤和石块结构体的一部分。受到负载时全部的土壤压缩明显成为上层建筑的支撑结构。在地基的设计中的两个基本必需要素 将是结构的全部的支点限制在一个相当小范围和尽可能消除结构不同部分的不均匀沉降。关于可能的结构损害，消除不同程度的沉降，即消除同一种结构体中的不同程度的沉降，甚至比消除整体的沉降更加重要。
为了限制指定的沉降，（1）将结构体的荷载传递到足够强度的土层。（2）将荷载分散到足够大的区域来减少土层的支撑压力。是十分重要的。如果在结构体下没有及时找到合适的土壤，那么使用深基础比如沉桩或者沉箱来将荷载传递到更深处的坚固层是非常有效的。如果在结构体下存在满足要求的土壤，那么只要分散荷载就行了，可以通过基础或者其他方式。这类机构体都被称作扩展式地基，并且这里主要讨论这种类型。可以在基础工程文章中找到有关更多特殊类型深基础的相关信息，例如参考16.1到16.4。
16.2扩展式基础
扩展式基础可以被分为墙基础和柱基础。绝大多数类型的水平轮廓都在图16.1中给出。墙基础仅仅用一条比墙更广的狭长钢筋混凝土来分散它的压力。独立柱基础一般是正方形，有时也会是长方形，这是最简单的和最经济的类型。保护超出外墙部分基础工程的正常合理使用，他们使用下面的外柱会遇到困难。在这种情况下，可以使用联合基础或者条形基础中的一种来设计基础，这就不会使工程超过墙柱。在底层空间也经常使用有两或者更多柱子的联合基础，独立基础中柱子内部承受巨大载荷，如果条件允许的话，可以完全或者几乎完全合并起来。
图形16.1 几种扩展式基础
安全线
合理的承受范围内，在土层上这种独立或者组合柱基础是最被频繁使用来扩展结构的类型。如果土壤十分松散或者柱子负载过重，那么需要的基础面积将会变得过大从而不经济。在这种情况下，如果没有一个深基础所需的土质条件，可以采用垫层或者阀基础。是一个坚固的扩展在整个建筑下的钢筋混凝土板，因此，可以极大限度的将结构荷载分布在在允许的区域里。这样一个地基，保证自身的强度的同时将不均匀沉降减少到最小。在他最简单的形式是两个方向上同时加强钢筋混凝土板。这种由一个倒梁板构成的形式可以提升强度。主梁位于各个方向柱子的中心线上，跨越在梁之间板提供了双向的加固。置于在柱子端头间的反向平板，也用于席形基础。
16.3设计因素
在普通结构体中，墙上或者柱上的荷载被垂直转递到基础上，基础反过来它所在土壤的反向压力支撑。如果荷载在负载区域均匀分布，那么负载压力可以被假定为统一分配（图16.2a）。众所周知的这是相当近似于真实值的。放置在粗糙土壤上的基础下，支座中心区域压力大于周边并且向周边递减（图16.2b）。 这是因为在这样的土壤的散沙中是可以稍微流动的，因此边缘附近的土壤可以非常轻微的向土壤压力更小的方向移动。与此相反，基础在黏性土壤中边缘压力要比中心压力要高，这是因为在这种土壤中边界处的荷载产生了一种可以加到向上压力中的剪切阻力（图16.2c）。按照惯例可以忽略这些不一致性（1）因为取决于土壤的类型，他们的大概数值不明确而且高度可变，以及（2）因为他们对支座上的弯曲力矩上和剪切力的影响相当小。
在可压缩的土壤上，基础为避免倾斜应该在中心处加载，否则会造成基础下一侧承受的压力显著的大于对立侧。这意味着独立基础应该同心放置，墙基础处在在墙下中心位置， 至于联合基础，基础区域的中心应该与柱荷载合力一致。 承受反常荷载的基础应该修筑在高度压实的土壤和石块上。仅当在这样良好的土壤情况里独立基础依靠柱子的转动约束，目前，基础是同时为柱压力和约束设计的。这样，除了在石块上外的基础应当假定为全固定，。
很难在各种各样基础元素中精确测定压力，这一定程度上是因为在上部压力实际分布不确定性也是因为结构元素本身表现出受到相对大的障碍物或者厚板受到从上部结构来的大集中荷载的管制。设计独立柱基础的程序是很大程度上参考塔尔博特（参考16.5）和理查德（参考16.6）实验研究的结构。这些测试和建议结果是他们根据被重新评估较新的研究得出来的，特别是集中于剪切和对角线上的压力（参考16.7至16.9）。联合基础和板形基础也可以通过简化方法设计，尽管更复杂的工具正在逐步使用，比如有限元分析和拉压杆模型（参考16.10）。
图形16.2
几种压力分布
（a）假设的；（b）颗粒土实际情况；（c）粘性土实际情况
16.4 荷载，支撑压力，和基础尺寸
基础尺寸是由不可分解的负载和允许的土壤压力决定的，钢筋混凝土构件设计强度与其形成对照，它使用可分解的负载和可分解的标准强度。这是因为基础设计相比于单独荷载和组成部分方面的强度折减系数，所有安全因素都是安全可靠的，。
允许承载压力是在荷载实验和其他实验测试基础上由土力学原理建立的，（看看，比如，参考16.1至16.4).允许承载应力经常以安全系数2.5到3.0为基础作为工作负载在特殊的土壤下避免过度负载在，可以接受的范围内保证建筑物稳定。许多当地建筑规范包含特定位置，各种类型土壤和土壤条件的允许承载压力。
对于中心负载基础，决定的需求面积是
（16.1）
另外，绝大多数建筑规范，包括国际建筑规范（IBC）（参考16.11），整个美国都在使用它，在特殊荷载组合用于基础设计中，当风W和地震E的影响包括在内时允许许用压力增长百分之33 ，。比如
或者 （16.2）
如果风荷载以为ASCE/SEI 7（参考16.12）计算那么w=1.3 其他情况下是1.0，因素1.4是用来除E。荷载因素1.0 是用于强度设计中的地震负载。
需要的基础面积大于方程式（16.1）和（16.2）所得出的结果。在方程式分子中的负载（16.1）和（16.2）必须在地基的基础水平上也就是在接触平面的土壤和地基上计算。这意味着基础和附加物（也就是在基础上方的填充物的和可能的液体压力）的重量必须被涵盖。风荷载和其他侧面荷载造成的一种倾翻趋势。在检查基础的倾覆上，只包含这些造成倾覆的活荷载，同时用于稳固对抗倾覆的恒荷载需要乘以0.9。保持对抗倾覆，稳定因素应该至少是1.5，除非另有当地建筑规范规定（参考16.8）。
偏心受力的基础，如果支撑柱和基础区域不同中心又或者柱子在它与基础的连接处传递的不仅仅是一个垂直的荷载还有弯曲力矩。无论哪种情况，荷载在基础上的影响可以被视为垂直荷载P和一个弯矩M。只要产生的偏心e=M/P没有超过基础区域中心距离K，承载压力就可以再一次被假定是线性分布的，常用的弯曲公式是
（16.3）
两个极端的边缘允许的承载压力，正如图16.3a所表示的。基础区域发现的错误情形。如果外部的颗粒反常的下降，（16.3）给了一个负值（张力）给沿着基础一端的q。因为在土壤和基础的接触区域不能传递拉力， （16.3）已经不再有效而且承载压力的分配正如图16.3b中的。对于尺寸是的矩形基础，最大压力是
（16.4）
这一次一定没有允许压力大。对于各种各样的不规则基础区域结构，在图16.1和16.8和其他地方可以找到颗粒距离和其他有助于计算承受压力的信息。
一旦确定了需要的基础面积，那么要记住一定设计成拥有必要的强度来抵抗所有截面的剪切和其他由外加荷载造成的内部作用。为此，在ACI规范9.2 中的荷载因素适用于基础甚至所有其他结构组件。相应地，为了强度设计，受基础尺寸影响的组合荷载在表格1.2给出。最通用的是
或者如果包含风影响
在地震区域，一定要根据表格1.2地震力E，要求是
几乎不影响地基的强度设计，但是会影响倾覆和和稳定性。如果存在侧面的土压力H和液体压力F一定要包含。
在土壤中，这些荷载因素一定要通过相应的支撑压力抵消和平衡。因此，一旦基础面积已经被决定，那么承载压力要为了强度在荷载因素下被重新计算。这些虚构的压力仅被用来确定设计中的荷载因素。为了区分工作负载的实际压力q，土壤压力中的平衡荷载因素U将会被指定为。
图形16.3偏心基础上的假定承载力
16.5 墙基础
梁作用的简单原理是应用于墙基础和次要的修正。图形16.4显示了一种上面作用有力的墙基础 。如果由这些力估算弯矩，将会在宽度的中心找到最大位置截面。实际上，在墙上修改这种非常大强度截面的同时检测，引用章节16.3表明 对于在混凝土墙下的基础，面对着墙估计截面是可以的（章节1-1）。在这些测试中形成的张力裂缝的位置，图标16.4显示出来，也就是说，在墙表面之下而不是在其中。对于基础的支持砌体墙，最大的截面估计在墙中间和表面之间途径上，因为砖石大体上不如混凝土坚硬。最大弯矩在基础混凝土墙下，由此给出
（16.5）
至于确定剪切应力，垂直剪切力在章节2-2计算，在梁上从距离墙表面d，因此
（16.6）
在截面最大力矩基础上计算伸长长度，章节1-1
例子16.1 设计墙基础
在16英寸，混凝土墙支撑一个恒荷载D=14千磅每英尺 和 活荷载L=10千磅每英尺。允许承受压力是 在基础底部的水平线上，它是4英尺因此不合格。为了这个墙设计一个基础 使用4000pi;混凝土和60级钢。
解答 在12英寸上厚实的基础负担每平方英尺 150 有效负荷 ，同时装满在三英尺基础上的重量是3times;100=300每平方英尺。因此，一部分允许承载压力是可利用的或者可以有效的传递墙荷载 是
因此基础需要的宽度 b=24000/4050=5.93英尺.可以采用一个6英尺宽度的基础
对于基础的强度设计承受压力，归因于设计极限荷载，是
这里，墙表面计算力矩，章节1-1里对于强度设计是
同时假定d=9英寸，剪切力在章节2-2中是
剪切主要影响基础的深度，尤其是最普遍的在基础中使用剪切钢筋，避免不经济。设计剪切强度每英尺【看等式（4.12b）】是
其中
自从美国钢筋混凝土规范7.7.1要求 在钢筋上有一个三英寸保护层，可以选择一个12英寸厚度基础，给予d=8.5英寸。这是十分地接近假定值，同时计算的结果不需要修正。
为了确定需要的钢筋截面积，图形A.1b 附录A中使用方程式，。对于这个估值，曲线60/4给了加固比率 。需要的钢筋截面积是。第五号（第16号），英寸。在中心部位上，提供。需要的延伸长度依据附录A的表格A.10是24英寸。这个长度是由章节1-1提供的。如果端头是3英寸，那么每个钢筋的长度是72-6=66英寸，以及从章节1-1得到的实际延伸长度到附近的断头是英寸，它是超过了需要延伸长度。
纵向收缩和抗温钢筋，根据ACI规章7.12，最少要是0.0018times;12times;12=0.26.第五号（第16号）钢筋是12英寸，中心会提供0.31.
图形16.4，墙基础
16.6柱基础
在计划中，单柱基础通常正方形的。如果支撑柱有一个强有力的伸长的矩形截面部分长方形基础可以被选择。最简单的形式是有由一个单独的（图标16.5a）平板 组成。图表16.5b表示的另一种类型，它的一个底座或者头盖被放置在柱子和承台之间；对于荷载基座提供了更有利的传输 同时在许多情况 对于木钉是有要求提供必要的延伸长度。这种形式也被称作阶梯型基础。阶梯型基础的所有部分一定要依次计算其在整体中的功能。有时在图表16.5c中展示的锥形基础像也被使用。相比于阶梯型基础他们需要更少的钢筋，但是必需制造锥形表面（模架，等等）的附加工作。因此阶梯型基础更为经济，总体上来说，厚度达到3英尺的独立板基础（图标16.5a）是最经济的
单柱基础可以表示为在两个方向上的外部悬
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