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从结构学角度看一些关于建房基础的问题

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东南西北人 发表于 2016-1-7 13:35:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
                                                
              什么叫房子的基础?
  
  怎么设计基础的尺寸?
  
  如果我增加房子的高度呢?
  
  可我还是想要更高的房子?
  
  我们可以让土变强……
  
  我们也可以挖地下室……
  
  我们还可以打桩……
  
  桩在工地上是怎么做的?
  
  预制桩又是怎么做的?
  
  能不能再给力一点?如果我想建一个迪拜塔?
  
  基础建好之后会不会再下沉?比萨斜塔又是咋整的?
  
  基坑塌方又是怎么一回事?
  
  能在基坑边上堆好多土吗?挖出来的土可以随便乱堆吗?
  
  房子总是晃动,是不是基础出了问题?


什么叫基础?

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为什么这头喵星人会陷进雪里呢?喵星人的体重是由四个爪子承担的,每个爪子大约承担他体重的四分之一。中学物理教过,接触面的压强大小等于力的大小除以接触面积的大小。可能他体重过大,腿又不够粗,爪子的着地面积过小,像个大葫芦插了四根小火腿肠,所以爪子和地面接触的地方压强特别大,一下子就把雪给踩塌了。

那怎么才能不让喵星人陷进雪里呢?一句话,减小接触面的压强。压强等于重力除以面积,所以要想减小压强,两条路可以走:第一是减小重力,第二是增大面积。减肥这条路短时间内看来是没什么效果了,那只有增大接触面积这一条路了。
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比如这位小宝宝,不仅没有陷进雪里,反而可以在雪上运转如飞。为什么呢?因为她用雪橇增大了与雪地的接触面积。她的体重除以鞋底的面积,肯定是个不小的压强,所以走路会陷进雪里;但是她的体重除以雪橇板子的面积,那就是个非常小的压强了,所以就不会陷进雪里了。

为什么我要说这些呢?因为房子站在地面上,跟喵星人站在雪地上,本质上是一样的。如果房子的重量太大,或者房子跟地面的接触面积太小,导致压强过大,后果就是房子会把地面压塌,陷进土里。
这位看官说了,这么说的话,我随便就能把钉子插进土里,看起来土也很容易压塌,房子看上去都好重啊,为什么没有陷进土里呢?
原因很简单,因为我们给每个房子都穿了「雪橇」。房子的雪橇,就是我们常说的基础。基础的作用呢,跟雪橇一样,增大了房子跟地面的接触面积,减小了接触面的压强,从而避免了房子陷进土里的悲剧。

比如这个最简单的一层小房子,一个楼板,四根柱子,其实就跟一张桌子是一样一样的。为了不让它陷进土里,我们得给它穿上雪橇,也就是柱子底部红色的小方块。这样一来,每根柱子与地面的接触面积都变大了很多,压强也就显著减小了,所以房子可以稳固的站在地面上而不会陷下去。

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基础的尺寸是怎么设计的呢?
比如上面这个小房子,通过计算它的体积和密度,再算上各种各样的装修装饰家具设备,我们可以知道它的总重量。一般来说,普通的住宅楼大概每层每平米1.0到1.5吨左右。假设这个小房子的平面尺寸是 5 米乘以 8 米,每平米按 1.5 吨算,一共一层,所以总重量是 5x8x1.5 等于 60 吨。一共四根柱子,所以每根柱子分担四分之一,也就是 15 吨。

下面要确定的就是土能承受的最大压强是多少了。很简单,我们可以在现场做一个小实验,放一个 1 米乘 1 米的板子,然后往上面堆东西,看看堆到什么时候这块板子开始下陷。比方说,当我在这个板子上堆了 8 吨的沙子的时候,板子开始陷进土里,那就说明每平方米的地面可以承担 8 吨的重量。当然,这只是个简单的比方,实际的测量是一个非常复杂严谨的过程,需要考虑各种因素,需要测量多个地点然后再做统计学上的处理,这里我们就不展开了。总之,我们可以通过实际试验知道地面的最大承载能力。

接下来就是很简单的数学题了,我们已经知道了力,也知道了压强,求的就是面积。每根柱子 15 吨,地面能承受的压强是每平米 8 吨,所以15/8 等于 1.9 平方米。也就是说,每一根柱子需要 1.9 平方米的地面来承受。所以基础的平面尺寸就是 1.9 平方米。

知道了 1.9 平方米,我就可以做一个 1.4 米见方的混凝土方块,面积刚好是 1.96 平米,满足设计要求。也就是说,每一根柱子下面都需要一个 1.4 米乘以 1.4 米的混凝土方形基础。

当然,这个方形基础的厚度也不能太小,如果太薄,就像一张纸,一下子就被柱子戳一个洞,没有任何用处。就好比小宝宝的雪橇板也得足够结实,要不然,虽然面积够大,但是一踩上去就断了,也没有什么用处。基础里面一般还要配置足够的钢筋,否则基础会开裂,或者被压弯压断。基础的外形也不一定是一个方墩子,还可以做成长方形的,或者做成顶面是倾斜的。当然,这些都是设计细节问题,我们就不一一赘述了。

如果我增加房子的高度呢?
如果我们现在想做一个三层楼,那基础应该如何调整呢?很简单,同样的计算方法,只不过房子变高了,现在每根柱子的力从 15 吨增大到了 45 吨,相应的基础的面积也应该增大到原来的 3 倍,所以我们可以为每一根柱子做一个更大的方块基础。

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如果房子再高一些呢,这时候再做大方块就有点不合算了。这时候,我们一般可以做成这种条状的基础。看起来,更像是这个房子踩了两块雪橇了。
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如果房子更高,那我们可以在另一个方向也做条形的基础,组成一个网格状的基础底面。
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这还不够,我还想要房子更高更重,那怎么办?我们可以把整个房子的底面积都做成基础。也就是说,先在地面上做一块大混凝土板子,房子多大,这块板子就多大,然后在这块混凝土板子上盖我们的房子。这种基础的学名叫做「筏板基础」,因为它就像一个大竹筏一样,承载着整个房子。很多工程师也把它称之为「满堂基础」,因为整个房子的面积都做成了基础,这已经是基础面积所可能的最大值了。

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可我还是想要更高的房子?上面所说的这些基础,都属于天然基础,因为我们没有改动任何土体的性质,只是在天然的土体上做了一些混凝土的墩子、条带、或者大板子来作为基础。一般来说,筏板基础是天然基础的上限了,因为你不太可能让基础的面积比房子的底面积还大。

如果您留意的话,在高层住宅流行之前,过去很多住宅小区都是六到七层居多,为什么呢?当然原因有很多,基础的承载力限制也是其中一个原因。就比如说上海地区,表层土的承载力大约是每平米 8 吨左右,也就是工程师们俗称的「老八吨」。我们前面说过,普通住宅每层每平米大约 1 到 1.5 吨,而土层的承载力是每平米 8 吨,算下来,6 到 7 层的房子总的重量刚好是每平米 8 吨左右,所以刚刚好。

这位看官说了,你这都是老皇历了,现在上海三四十层的房子不要太多,金茂环球都已经八十层上百层了,难道也是站在这些「老八吨」土上?

当然不是,对于「老八吨」土来说,六七层的房子是天然基础的极限。如果我们想要更高的房子,就不能再用天然基础了。那到底有哪些具体的方法呢?八九十层的房子又是怎么建在这些「老八吨」土上的呢?

我们可以让土变强……我们前面说了,在房子和土的接触面上,力除以面积等于压强。现在面积固定了,因为不可能比房子的面积还大,但是我想要增加力。那怎么办呢?很简单的数学关系,我可以增加压强。

这位看官又说了,且慢,你不是说压强是实际测量的土的最大承载力嘛,怎么能说增加就增加呢。没错,我们上面的计算所采用的压强,都是实际测定的土的最大承载力,比如在现场做试验,实际测定这个地方的土每平米最大能承载 8 吨的重量,再大就不行了,土体就被压塌了。

那如果我用某种方法,让土体变得更强呢?比如说,我通过某种方法,改造了土体,把土的承载力由 8 吨提高到了 12 吨,那我是不是就可以在上面盖更高的房子了呢?

到底有哪些方法呢?方法其实有很多,严格的来说,这些属于岩土工程师的工作。简单说,我可以往土里注射水泥,我也可以把比较软的土挖出来,换上比较硬的土。这些细节我们就不详述了。总之,通过各种方法,我们可以提高土的承载能力,继而可以在增强后的土上面盖更高的房子。

当然,这个方法也有缺点,比如说某些情况下可能花钱比较多。如果你要建的房子很大,你要对那么大面积的土体进行处理,可能造价会比较高。当然,工程问题需要具体案例具体分析,可能宁愿花这些钱处理土层,然后可以多盖几层楼,多的这几层楼卖的钱要远远大于地基处理的费用,所以可能总的来看还是合算的。

我们也可以挖地下室……如果我不想花钱处理土层,那么第二种可行的方法就是挖地下室。这位看官又说了,地下室跟这个有毛关系?当然有,我们前面讨论的内容都没有牵扯到地下室,但实际上,如果我们考虑可以修地下室的话,我们又可以盖更高的房子。

比如说,我们想修建一个十层高的房子,假设房子尺寸是 25 米乘以 40 米,也就是说每层的面积是 1000 平方米。按我们上面的估算,按每平米 1.3 吨计算,那么每一层的重量就是 1300 吨,一共十层,总共就是 13000 吨。
现在呢,我们先在地上挖一个 25 米乘以 40 米的大坑,深度是 10 米,请问为了挖这个大坑,我一共挖出来多少土呢?很简单,25x40x10,一共 10000 立方米的土。那请问这么多的土一共有多重呢?每立方米土大约重 1.8 吨,所以这么多土一共 18000 吨。

我先挖一个大坑,挖出来 18000 吨的土。然后再在坑底盖一个总重为 13000 吨的房子。请问会有问题吗?不会,因为我盖的这个房子的重量还没有挖出来的土的重量多,当然不会有任何问题。简单说,房子其实是空心的,密度没有实心的土体那么大,我们用一个空心的大房子代替了原来坑里面那些实心的土体。这种方法有个学名叫「补偿基础」,意思是说我们用挖出来的土体的重量抵消了建筑物的全部或者部分重量。
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这个 10 米深的坑,其实就是房子的地下室。当然修建地下室并不全是为了做这个基础,还可以顺便当地下车库、储藏室、配电空调机房、水泵房等等,可谓是一举多得。如果我想盖更高的房子,很简单,只需要把坑挖的更深一点就行了。当然了,缺点也是费钱。如果是荒郊野外那还罢了,如果是市区,光把这好几万吨土运出去就得花多少钱。不过呢,很多时候市区的高层建筑都需要地下车库,所以正好顺带着就挖了。有时候高层的地下车库分地下好几层,一方面是为了多停车,另一方面也是为了把这个坑挖的深一点,这样房子也可以盖得更高一些。

我们还可以打桩……地基处理和挖地下室都需要挖土填土之类的工作,工作量比较大,而且花钱很多,这么多土挖过来运过去的不是个小工程。雇一台挖掘机、一辆土方车,一天就得多少多少钱。虽然这两种方法的效果都很不错,但是可能造价略高,那有没有比较经济适用的方法呢?

这比较经济适用的第三种方法呢,就是我们俗称的「打桩」了,学名叫「桩基础」。如果我们想要修房子,但是土实在是太软,或者说我们想修的楼太高,或者两者兼而有之,那么打桩是一种很高效的方法。

严格来说,按照主要受力方式的区别,桩基础分为两种,一种叫端承桩,一种叫摩擦桩。这两种有什么区别呢?

下面这种就叫做端承桩,顾名思义,也就是端部承受力。比如说,我想盖房子的地方表面的土层全是烂泥,承载力连老八吨都没有,但是烂泥底下有比较好的硬土,我就可以打好多好多的桩,桩底部一直戳到地下的硬土里,然后再在这些桩顶上做基础,比如做一块大筏板把这些桩连在一起,就像一个大钉板插在地上一样。房子就盖在这个基础板子上,房子的重量由这块基础底板传递给这些桩,再由这些桩传递到底下的硬土。

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这种则是摩擦桩。什么意思呢?桩周围跟土体之间的摩擦力提供了对房子的支撑。生活中也有这样的例子,比如敲进墙里面的钉子,其实也没有任何机械装置阻止你把它拔出来,但是你就是很难把它拔出来,因为钉子周圈跟墙体材料之间的摩擦力阻止了钉子可能的移动。

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实际工程里,可能并不是完全的端承桩或者是完全的摩擦桩,而是两者兼而有之。具体如何分担,如何设计,这就又复杂了,我们也不再赘述了。总之桩就是靠这两种力的组合来抵消房子的重力的。

如果打桩的话,某种程度上,我们就可以不管跟基础接触的这些土体的承载力了。哪怕是烂泥也没有关系,因为房子几乎所有的重量都由桩来承担了。桩基础的设计也很简单明了,通过各种方法,我能知道每一根桩能提供的承载力,好比一根 200 吨。我房子的总重量 18000 吨,所以我需要 90 根桩。然后把这 90 根桩均匀的分布到各个柱子或者墙体底下就可以了。当然实际的过程很复杂,需要考虑很多因素,这里我们也不深入了。

实际施工的时候,好比这个房子需要 90 根桩,我们可以先试着打 3 根或者若干根,然后拿这些桩做试验,看看它们的承载力到底有多少。如果实测出来的承载力大于 200 吨,那说明我们的设计是合乎实际的,可以放心继续施工。如果实测出来的承载力小于 200 吨,说明我们的设计有问题,可能是地质勘探有误,可能是设计分析有误,也可能是其它原因(比如地底下刚好有一个埋着的碉堡乃至古墓等等……),这时候我们就不能继续施工了,必须把原因搞清楚,确定桩的实际承载力到底能有多少,然后再按这个修正后的承载力重新设计。

桩在工地上是怎么做的呢?桩的做法也有很多种,一种是在直接在施工现场做在土里的,另一种是工厂买来然后敲进土里。我们先说在工地上现场做的这种。

比如说,钻孔灌注桩就是在现场做的,先用一个大螺旋杆钻头在地面上钻一个孔,然后把绑扎好的钢筋笼子放进去,再往这里面浇筑混凝土,一根混凝土桩就做成了。有些时候可能连这个大螺旋杆都不用,直接用人工挖一个深井就行了。当然说起来容易做起来并不容易,各位看过《鬼吹灯》或者《盗墓笔记》的都知道,就挖那么小一个洞都有可能塌方,更不用说挖这么大的一个洞了。
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当然,各位看官光看我画的这些弱智示意图,可能感觉不到实际的尺度,下面就是一张正在放钢筋笼子的照片,对比一下跟吊车的比例,您就知道灌注桩的大致尺寸了。当然,不同高度不同类型的房子,灌注桩的尺寸可以按照实际情况做相应的调整。但总体来说,这种灌注桩的尺寸相对都是比较大的。

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预制桩又是怎么做的呢?
所谓预制,也就是跟现场制作对应的,指的是先在工厂里预先做好,然后运到现场,再敲进土里。预制桩也分不同的材料,比如说钢桩,简单粗暴,就是一根工字钢或者槽钢,买回来敲进土里就行了。除了钢桩,还有预应力混凝土桩。跟钢桩比起来,虽然略显麻烦,但是经济适用,所以应用非常广泛。

预应力混凝土桩,混凝土好理解,什么叫预应力呢?所谓预应力,可以这么简单的理解,如果我抱着一大摞书走路,这摞书很可能晃来晃去,东倒西歪,这时候应该怎么办呢?很简单,大家都知道,拿绳子把这摞书捆一下就好了,捆的越结实,书就越不容易晃动。预应力的概念跟这个类似,我可以用高强度的钢绞线,也就是很粗的钢丝绳,把混凝土「捆」起来,让混凝土更结实。
那预应力混凝土桩到底是怎么做的呢?

第一步呢,我们得先在工厂里做混凝土桩。工厂里有专门的模子,专业术语叫「台座」,首先要把钢绞线布置在这个模子里,模子两端有对应的孔洞,钢绞线从这些孔洞里穿出去。然后,钢绞线右端固定,拧死在模板上,左端连在千斤顶上。

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接下来就要启动千斤顶了,就像我们用手绷紧橡皮筋一样,千斤顶把这些钢绞线拉长,绷的紧紧的。这个步骤其实非常危险,就像我们都知道,如果不小心把橡皮筋绷断了,会砰的一声弹到手上,挺疼的。钢绞线也是一样,如果万一绷断了,那就不是手疼的问题了。万一被飞出来的钢绞线蹭一下,除非你是美国队长或者超人,否则都得非死即伤……
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接下来,保持钢绞线绷紧的状态,往模板里浇筑混凝土。然后一直等到混凝土凝固为止。大概要等多长时间呢?一般来说,最多七天的时间就基本凝固了,强度也达到了一定的水平。当然,如果对强度或者其它指标有要求,也可以对这个时间做调整。
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混凝土凝固之后,就可以松掉千斤顶了,这时候钢绞线也不会再缩回去了,因为已经全凝固在混凝土里面了。简单说,钢绞线将在很长时间内一直在混凝土里保持绷紧的状态。
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最后一道工序,把露在外面的钢绞线切断,然后经过一段时间的养护,一根混凝土桩就做成了。
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把做好的混凝土桩从模板里拆出来,就可以准备出厂了。
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装上卡车,就可以运送到各个施工现场了。
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运到工地之后,就可以用打桩机像楔钉子一样把桩打进土里。打桩机有好几种,常见的有柴油锤的,当当当当的敲进去,还有静压的,一点点的压进土里。相对来说,柴油锤的噪音和振动比较大,对周边居民影响大,所以一般不太用在市区的工地。
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比如下面就是一张打桩的照片,红色的那个架子就是打桩机,地上躺着的就是混凝土桩,地面露出来的那些端头就是已经打进去的桩。

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打桩的顺序其实也很重要,并不是按心情随意打的,也不是按顺序一排排的打过去。因为打桩其实相当于把桩「硬挤」进土里,土其实是被桩给挤开了。如果一直按一个顺序打,就像多米诺骨牌一样,土会被一直往一个方向挤,不利于桩基础的受力。合理的施工,一般是绕着圈从周边往中间,或者绕着圈螺旋着从中间往周边,或者 S 形曲线间隔着打桩。

打完桩之后,把桩体在合适的高度截断,然后在这些端头上做基础就可以了,比如下面就是一个桩基础上面的筏板基础,上面露出来的一个个小端头就是一根根混凝土桩的顶部。顺便说一句,您知道为什么基础底板不是一个大平板,而是有高有低吗?

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(提醒:电梯底下一般需要一个大深坑,水泵房之类的可能也需要大深坑)。

如果我想建的是迪拜塔呢?
这位看官说了,还能不能再给力一点呢?能不能把房子盖的更高一些呢?如果我想建一个迪拜塔那样的高楼呢?

哪怕你要盖这么高的楼,桩基础也足够了。比如迪拜塔用的也就是桩基础,只不过用的桩更粗更长更结实而已。像迪拜塔、环球金融中心、上海中心、金茂这些超高层建筑,一般都会采用钢管灌注桩,简单理解,其实是灌注桩和预制桩的合体,先把一根直径两三米的钢管打下去,然后把钢筋笼放在钢管里面,再然后往里面灌注混凝土,这样就做成了一根外圈为钢管、内部为实心的钢筋混凝土的超级桩。

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桩打完之后,同样在桩上面做基础大底板,然后是地下室,然后才是地面以上的楼层。从下面这张照片上,我们也能看到迪拜塔的混凝土剪力墙的布置,一排排钢筋就是将来纵横交错的混凝土墙体的位置。

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基础建好之后会不会再下沉?

这位看官问了,你在这里说的挺好,可是我在新闻里最常听到的是什么「墙体开裂是因为基础沉降」,比如:新楼墙根开裂可伸进手掌,昆明滇池周边小区地基下沉 沉降区千年前为湖滨带,武汉一高档小区严重沉降引担忧……
这是怎么回事儿?难道基础还会自己下沉?

没错,基础的确会自己沉降,也就是俗称的「下沉」。严格来说,所有的基础,或多或少,都在下沉,只不过程度不同,因为所有的基础,包括桩基础,最终都是落在土体上的,土体又不是什么超级材料,日久天长,自然而然的就压扁了。就好比拿一块石头放在奶油蛋糕上,慢慢慢慢石头就沉进奶油里了。

当然,在设计施工的时候,工程师都会考虑到以后基础会自己下沉这一因素,会根据计算分析来预估一个可能的沉降值,这个理论上的沉降值应该小于规范所允许的限值。否则,我造一个房子,一年就下降了半米,三年下降了一层楼,你说我盖这样的房子干嘛?

施工完成之后,房子一楼的外墙一般都会设置沉降观测点,比如可以是墙上的一个铁棒头。理论上,物业或者业主需要定期测量这个铁棒头的标高,继而知道建筑物是否在下沉,下沉了多少。

如果基础沉降的幅度没有这么大,还在国家规范的允许范围之内,是不是说这就是正常现象呢?一般来说,我们可以把基础的沉降分成两种,一种是均匀沉降,另一种则是不均匀沉降。
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均匀沉降就是说所有的柱子、墙体的基础基本上沉降了差不多的距离,房子整体下沉。这个问题在上海地区的很多老房子上就很常见,比如同济大学的南楼和北楼两个教学楼。下面这是很多年前的南楼的老照片,不是很清楚,但是能看到门口的一排台阶,入口的平台明显是高过地面的。
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这是现在的南楼,台阶只剩下两级半了,入口的平台几乎和地面一样高了。这并不是地面被垫高了,而是房子整个下沉了。
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一般来说,如果沉降的速度不是特别快,地基也没有出现问题的话,这种沉降对结构安全没有太大的影响,比如南楼还依然履行着教学楼的职责。但是呢,这样的基础沉降可能会对正常使用造成困扰,比如一楼的采光、排水还有门窗等等,沉降厉害的话,一楼的大门都可能降到地面以下,到时候一楼就变半地下室了……(曾经在同济沪西校区呆过的同学们可能还记得,操场南边的那个教学楼就是这样的……)

如果基础的沉降不均匀,那就比较麻烦了。像下面这样,两边柱子沉降不一样,房子就会不可避免的往沉降多的那一边倾斜,轻微的会造成墙体开裂,严重的甚至会危及结构安全。
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人类史上最著名的不均匀沉降,恐怕就是这个了:

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这位看官说了,你刚才不是说不均匀沉降会严重危及结构安全吗?为什么比萨斜塔这么多年了也没事?那是因为比萨斜塔已经经过了多次维修加固了,如果任其不管,早就倒塌了。因为比萨斜塔的特殊意义,既不能让它倒,但又不能彻底扶正,必须得维持现在的状态,工程师为了做到这一点,可谓是想尽了办法。事实上,以现在的技术,把它扶正也是完全可以的,但是呢,那不纯属吃饱了撑的吗?

这位看官又问了,如果我们的普通房子发生了不均匀沉降,那应该怎么办呢?不均匀沉降的原因有很多,所以要具体案例具体分析。简单来说,我们可以用千斤顶把沉降多的那边一点一点的顶起来,顶到房子恢复原样为止,然后在基础底下换上比较好的土。有时候,也可以再补充桩基础,比如现在有可以运进室内的袖珍打桩机和袖珍桩基础,直接挖开地下室或者一楼的地板就可以打桩了。

基坑塌方又是怎么一回事?
如果留意的话,可能大家会经常见到基坑塌方的新闻,随便一搜最近的新闻,就有好几起:河南一工地基坑深夜塌方约9米深 工人宿舍被“吞”,海口一停车场发生塌方 车辆坠入工地基坑,光谷新世界工地基坑塌方4人遭埋,合肥一工地基坑塌方 整栋楼居民雨夜被疏散……

这是怎么回事呢?基坑怎么会塌方呢?
先说说什么叫基坑,我们前面说可以通过挖地下室来做补偿基础,要造地下室,先要挖一个地下室那么大的坑,然后在这个坑里造地下室,这个挖出来的大坑就叫做基坑。

为了挖坑修地下室,如果我不做任何特殊处理,直接把这些红色阴影部分的土挖出来,在地面直上直下的弄这么一个十米深的大坑,你们觉得可行吗?
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当然,在某些土质比较特殊的地区,比如黄土高原上的窑洞,很多确实是这么挖的,先直上直下的挖一个大坑,然后从坑壁往四周挖窑洞,那是因为黄土的特殊性质决定的。
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对于大多数地区来说,直上直下的挖坑显然是不行的。为什么呢?可能我这辈人小时候都有放学玩沙子的经历,一个小沙堆,就能乐此不疲的玩好长时间。玩过沙子的都知道,如果你把沙子堆成一堆,沙堆有一个能稳定存在的最大角度。
比如说,一堆沙子的天然形状是下面照片里的红色三角形,如果不经过任何处理,您能把沙子堆成黑色三角形的类似圣诞树的那个形状吗?显然不能,沙子自己就会自动再滑成红色三角形那个形状。连略微大一些的倾角都做不到,就更不要说直上直下的九十度倾角了。

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挖基坑同样也是如此,如果挖一个直上直下的坑,土自己就会滑坡,最终滑成红色直线的那个角度,因为只有小于这个倾角的土坡才是稳定的。所以呢,为了避免滑坡或者塌方,最简单的办法就是不直上直下的挖,而是按这个角度来挖。这种方法学名叫做「放坡」。
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比如下面这张照片,就是一个放坡开挖的基坑:
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当然,放坡的缺点也很明显,那就是占地方太大了。荒郊野外还好说,如果是寸土寸金的市区,就买了这么大的地方,放坡的话一下子就挖到别人家院子里去了。所以很多市区里面的基坑受制于场地条件,不得不直上直下的开挖。那这时候怎么办呢?怎么避免基坑塌方呢?

一种方法叫做「地下连续墙」,开挖之前先沿着周边造一圈很厚的混凝土墙体,一直深入到坑底以下,也就是下面示意图里的红色墙体,然后再开挖。这样一来,周围的土体即便要滑坡塌方,也被这一圈厚实的墙体撑住了。当然,缺点还是费钱,您想一想,要顶住这十多米乃至更高的直上直下的土体,这堵墙得修多结实。
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除了地下连续墙,我们也可以采用基坑支撑。简单说,同样是修一圈墙,只不过不需要那么结实,因为我们还会同时在中间修建支撑,撑住两边的墙体。这样一来,两边的土压力互相平衡,只要支撑不被压坏,墙体就没有问题。
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比如下面这张照片就是一个典型的基坑支撑,两边的土体被中间的混凝土支撑顶住,所以不会向基坑里面滑坡或者塌方。大家可以看一下照片里的挖掘机和汽车,感受一下这些混凝土支撑的尺寸。
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憨豆老师这个眼皮支撑,跟我们的基坑支撑就有异曲同工之妙,都是自平衡体系。

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能在基坑边上堆好多土吗?
基坑支护的设计施工,比如说地下连续墙的厚度,或者支撑的尺寸配筋等等,并不是拍着脑门乱猜的,而是要按照基坑的尺寸和现场土体的性质精心设计。我们前面也说过,基础施工是一个非常费钱的过程,设计的太浪费,显然经济上吃不消,但是安全重于泰山,基坑塌方不是闹着玩的,所以设计又不能太节约,必须得留有足够的安全余量。这其实是很考验工程师的能力的。
如果设计的时候考虑的很周详,但是施工现场挖出来的土没地方放,土方车又因为限号之类的来不及把这些土运走,于是就漫不经心的把这些土都给堆到坑边了。请问这样安全吗?

在坑边额外再堆一堆土,简单理解,其实就相当于加大了基坑的深度,本来的基坑支护是按照原先的深度设计的,现在深度一下子加高了一大截,基坑支护很有可能就不太够了,所以很有可能发生问题。
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有看官说了,道理看上去很简单啊,难道会有人犯这种低级错误?没错,虽然道理看上去简单,但是因为这些年来建筑行业的井喷和粗放式的发展,各个建筑公司的技术水平其实是非常参差不齐的,有些公司技术很过硬,有些可能就差一些了,还有一些可能就管理比较混乱,犯这样的低级错误也不足为怪了。

比如前几年有这么一个案例,可能是为了早点建好房子早点开始卖房,开发商先建好了高层住宅,之后才开始修建地下车库,于是就开始挖大坑准备建地下车库。从这个坑里挖出来的土也没有及时运走,就都堆在了房子的外边。结合我们上面说的基坑支护,您觉得这么做有没有问题呢?

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工程师的社会责任感并不是一句空话,工程师必须要意识到自己肩负的对公众安全的巨大责任。可能只是一个小小的错误,可能只是一时的大脑短路,但造成的损失是巨大的,这并不是一句「无心之过」就能混过去的。就比如说这个案例,工程师没有意识到基坑旁边堆土可能导致的巨大危险,也没有意识到基坑支护可能做的根本不到位,结果自然是悲剧性的……

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当然,工程事故的原因是非常复杂的,没有第一手的现场资料,谁也不能确定确切的原因。但是基坑边上堆土应该是这起事故的主要原因之一,而之所以在基坑边上堆土,根本原因则是现场的管理混乱乃至缺失,作为建造、监理的工程师没有尽到责任。

房子总是晃动,是不是基础出了问题?
房子总是出现莫名其妙的振动,这也是新闻中常见的问题:上海小区“楼晃晃”持续1年 震源或系隔壁石材厂,沪一小区房屋墙体开裂 疑因附近地铁配套工程施工导致……

一般来说,房子出现晃动的原因是附近有振动源头,比如附近的工地施工、工厂的重型机械等等。振动从这些振动源头传播到房子的基础,继而引发了房子的晃动,因为土体并不是性质均一的材料,所以振动传播的过程非常复杂。最简单的方法当然是去除振动源头。但是很多时候做不到这一点,所以我们只能退而求其次,通常来说,我们可以在房子周围修建隔震沟,就像护城河一样挖一圈深沟,然后用砂土或者其它材料填埋。简单理解,这一圈护城河就像海绵一样,隔断了外界传来的振动,所以房子就不会再晃动了。

还有另一种方法,我们可以加固房子,让房子更结实一些,即使有外界的振动,房子也可以坦然处之,居民在其中也感受不到晃动了。一般来说,可以增加额外的钢支撑,或者采用外包钢板加大梁柱截面等等方法。但是,一般来说,这种方法不太常用,因为住宅楼的产权已经属于各个居民了,而这些加固方法很多时候需要破坏室内的墙体、地面、装修等等,有些时候并不好实现。

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(图片:深圳一工业园山体滑坡 大楼坍塌人员被困)


广东省地质灾害应急专家组今天在现场开展应急调查,初步查明深圳光明新区垮塌体为人工堆土,原有山体没有滑动。人工堆土垮塌的地点属于淤泥渣土受纳场,主要堆放渣土和建筑垃圾,由于堆积量大、堆积坡度过陡,导致失稳垮塌,造成多栋楼房倒塌。
(关于工程事故的结构反思,感兴趣的同学可以猛戳这里:马平:剖析深圳滑坡事故,我认为是这么回事)

基础施工是一个资金非常密集的行业,工程合同动辄就是天文数字。这些年来随着城市化的发展,不知道有多少土壕是靠挖土、填土、打桩、地基处理、基坑支护发家致富的。但同时,基础施工还有一个共同点,那就是它们都是所谓的「隐蔽」工程,全部都深埋在地下,很难检测质量到底如何。


大把大把白花花的银子摆在那里,做的东西又全都埋在地下,谁也不知道活儿到底怎么样,再加上监管制度的不完善,结果就可想而知了。
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去年日本的 Asahi Kasei (旭化成)就爆出了这样的丑闻,一栋房屋发生了整体倾斜,而桩基础的施工方就是旭化成。在调查中发现旭化成的打桩检测资料弄虚作假,随后又发现旭化成在其它三百多个打桩项目中都存在着伪造数据。再加上前不久打桩市场份额更高的 Japan Pile 也爆出了类似的丑闻,一时之间日本业界一片哗然,对打桩工程质量的大规模调查也在进行当中。上面的照片就是旭化成的高管们在新闻发布会上向公众鞠躬道歉。

事实上,这是一个很普遍的问题,并不局限在某些地区。即便是以「精益求精」「严谨认真」而著称的日本业界,同样存在着这些问题。其它地方如何,相信也不用我说了。

「君子爱财取之有道」,工程企业并不是不能挣钱,但不能挣这些脏钱。把活儿干好,把房子修好,拿钱拿的踏实,土壕当的心安理得。

当然,这些事情并不是这么简单的,如果市场体制不完善,很可能是一个「劣币驱逐良币」的体制。到时候你想盖好房子,却也身不由己。人家伪造数据,报价比你低得多,照样能挣钱,生意都被人家抢走了,你连西北风也喝不上。这些东西,没法说,说多了都是泪……

我一直以为,工程质量并不是一个工程技术问题,而是非常复杂的社会经济问题。既然是社会经济问题,就不能只靠工程师解决,而是靠所有人的努力。一环扣一环,谁也逃不掉。

出了事故,没有职业操守的工程师固然该骂,利欲熏心的工程企业固然也该骂,但也许这些只是治标不治本。追根溯源,工程师和民众、医生和患者、媒体和读者……还不都是一根绳子上的蚂蚱?工程质量、医患矛盾、媒体造谣……还不都是同一个问题?


                    
                    
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xmgao9996 发表于 2016-1-7 19:44:52 | 显示全部楼层
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otec 发表于 2016-1-8 13:19:17 | 显示全部楼层
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zhenwei22 发表于 2016-1-9 09:09:14 | 显示全部楼层
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Bingrise 发表于 2016-1-10 00:13:34 | 显示全部楼层
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njpphan 发表于 2016-1-10 09:55:10 | 显示全部楼层
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zspkd 发表于 2016-1-11 13:32:08 | 显示全部楼层
兄弟,你学贯上下啊!
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tulaomao7761 发表于 2016-1-12 14:31:38 | 显示全部楼层
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fox3021 发表于 2016-1-27 12:22:34 | 显示全部楼层
回答了那么多,没有加分了,郁闷。。 支持东南西北人
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wanyijian 发表于 2016-2-1 08:28:30 | 显示全部楼层
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sdavid 发表于 2016-2-1 08:48:02 | 显示全部楼层
很好的科普,除了专业人士,我觉得给孩子们看也可以。收藏
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