天然地基上的浅基础.docx

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天然地基上的浅基础

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第二章天然地基上的浅基础

天然地基上的基础：

浅基础埋入地层深度较浅<5m

施工敞开挖基坑明挖基础

设计计算，忽略基础侧面土体对基础的影响

基础结构形式和施工方法也较简单

造价也较低

优先选用

深基础埋入地层较深>5m

结构形式和施工方法复杂

设计计算时需考虑基础侧面土体的影响

深水基础采用深水围堰清除覆盖层

按浅基础形式将基础直接放在基岩上

施工方法较复杂

第一节天然地基上浅基础的类型及构造

一、浅基础常用类型及适用条件

根据受力条件天然地基浅基础可分为：

刚性基础柔性基础

刚性基础：

概念：

当基础在外力（包括基础自重）作用下，基底承受着强度为σ的地基反力，基础的悬出部分（图2-1b）,a-a断面左端，相当

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于承受着强度为σ的均布荷载的悬臂梁；在荷载作用下a-a断面将产生弯曲拉应力和剪应力。

基础污工具有足够的截面使材料的容许应力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时，a-a断面不会出现裂缝，这时，基础内不需配置受力钢筋，这种基础称为刚性基础（图2-1b）。

优点：

稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载。

缺点：

自重大，并且当持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，需要对地基进行处理或加固后才能采用，否则会因所爱的荷载压力超过地基强度而影响结构物的正常使用。

适用条件：

只要地基强度能满足要求，它是桥梁和涵洞等结构物首先考虑的基础形式。

对于荷载大或上部结构对沉降差较敏感的结构物，当持力层的士质较差又较厚时，不适宜的。

常用材料：

混凝土抗压强度高、耐久性好，任意形状，标号不小于15号。

对于大体积混凝土基础，为了节约水泥用量，可掺入不多于砌体体积25%的片石（称片石混凝土）但片石的强度标号不应低于25号，也不应低于混凝士标号。

粗料石石料外形大致方整，厚度约2Ocm一3Ocm，宽度和长度分别为厚度1.0一1.5和2.54.0倍,石料标号不应小于25号，砌筑时应错缝，一般采用5号水泥砂浆。

片石小桥涵基础，厚度不小于l5cm，不小于25号，5号或2.5号砂浆

柔性基础

概念：

基础在基底反力作用下，在a-a断面产生弯曲拉应力和剪应力若超过了基础污工的强度极限值，为了防止基础在a-a断面开裂甚至断裂，必须在基础中配置足够数量的钢筋。

优点：

它整体性能较好，抗弯刚度较大。

在外力作用下只产生均匀沉降或整体倾斜，这样对上部结构产生的附加应力比较小，基本上消除了由于地基沉降不均匀引起结构物损坏的影响。

缺点：

钢筋和水泥的用量较大，施工技术的要求也较高。

适用条件：

土质较差的地基上修建高层建筑时，采用这种基础形式是适宜的。

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材料：

钢筋混凝土灌筑

形式：

柱下扩展基础、条形、十字形基础、筏板及箱形

二、浅基础的构造

（一）刚性扩大基础（图2-2）

地基强度低

墩台、墙、柱强度高

基础平面尺寸扩大

刚性扩大基础

桥涵及其它构造物常用的基础形式，其平面形状常为矩形。

每边扩大的尺寸最小为0.2m～0.5

土质、基础厚度、埋置深度、施工方法

每边扩大的最大尺寸材料刚性角

当基础较厚时台阶形减少基础自重，节省材料。

（二）单独和联合基础（图2-3）

单独基础：

立柱式桥墩和房屋建筑常用的基础形式之一。

台阶式石或砖砌筑时，

锥形钢筋混凝士浇注

联合基础：

当为了满足地基强度要求，必须扩大基础平面尺寸，而扩大结果使相邻的单独基础在平面上相接甚至重叠时，则可将它们连在一起（图2-3b））。

（三）条形基础（图2-4）

条形基础：

墙下条形基础挡土墙下或涵洞下常用的基础形式。

在横剖面可以是矩形或将一侧筑成台阶形。

如挡土墙很长设置沉降缝。

柱下条形基础为了增强桥柱下基础的承载能力，将同一排若干个柱子的基础联合起来

其构造与倒置的T形截面梁相类似，在沿柱子的排列方向的剖面可以是等截面的，也可以如图示那样在柱位处加腋的

在桥梁基础中，它一般是做成刚性基础，个别的也可做成柔性基础。

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十字型基础如地基土很软，基础在宽度方向需进一步扩大面积，同时又要求基础具有空间的刚度来调整不均匀沉降时，可在柱下纵、横两个方向均设置条形基础，这便成为。

这是房屋建筑常用的基础形式，它也是一种交叉条形基础。

（四）筏板和箱形基础（图2-62-7）

筏板和箱形基础都是房屋建筑常用的基础形式。

筏板式钢筋混凝土基础：

当立柱或承重墙传来的荷载较大，地基土质软弱又不均匀，采用单独或条形基础均不能满足地基承载力或沉降的要求时，可采用，这样既扩大了基底面积又增强了基础的整体性，并避免结构物局部发生的不均匀沉降。

箱形基础：

为增大基础刚度，可将基础做成由钢筋混凝土顶板、底板及纵横隔墙组成的（图2-7）它的刚度远大于筏板基础，而且基础顶板和底板间的空间常可利用作地下室。

它适用于地基较弱土层厚，建筑物对不均匀沉降较敏感时或荷载较大而基础建筑面积不大大的高层建筑。

【思考题】

1．浅基础与深基础有哪些区别?

2．何谓刚性基础，刚性基础有什么特点?

【第3次课】

教学目的：

通过本次课教学使学生掌握基础埋置深度确定的影响因素，刚性扩大基础尺寸的拟定的方法，基地压力计算的方法、持力层验算方法。

教学重点：

基础埋置深度确定的影响因素、基地压力计算的方法。

教学难点：

基地出现拉应力的处理方法。

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第二节础埋置深度的确定及刚性扩大基础尺寸的拟定

一、基础埋置深度的确定

是重要步骤它涉及到结构物建成后的牢固，稳定及正常使用问题。

要求：

变形较小，而强度又比较大的持力层，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。

此外还要使基础有足够的理量深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。

考虑因素：

地基的地质、地形条件、河流的冲刷程度、当地的冻结深度、上部结构形式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。

（一）地基的地质条件

地质条件是确定基础埋置深度的重要因素之一。

岩石地基：

覆盖土层较薄的岩石地基：

一般应清除覆盖土和风化层后，将基础直接修建在新鲜岩面上

如岩石的风化层很厚：

难以全部清除时，基础放在风化层中的埋置深度应根据其风化程度、冲刷深度及相应的容许承载力来确定。

岩层表面倾斜时：

不得将基础的一部分置于岩层上，而另一部分则置于土层上，以防基础因不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂。

在陡峭山坡上修建桥台：

还应注意岩体的稳定性。

非岩石地基：

受压层范围内为均质土基础埋置深度除应满足冲刷、冻胀等要求外，可根据荷载大小，由地基土的承载能力和沉降特性来确定（同时考虑基础需

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要的最小埋深）。

地层为多层土对大中型桥梁、结构物基础持力层的选定，应通过较详细计算或方案比较后确定。

（二）河流的冲刷深度

墩台修建流水面积缩，流速增加水流冲刷河床

防止桥梁墩、台基础四周和基底下士层被水流掏空冲走以致倒塌

基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。

小桥涵的基础底面应设置在设计洪水冲刷线以下不小于lm。

基础在设计洪水冲刷总深度

以下的最小埋置深度

不应是一个定值---河床地层的抗冲刷能力

---计算设计流量的可靠性

---选用计算冲刷深度的方法

---桥梁的重要性

---破坏后修复的难易程度等因素有关

大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深度以下的最小埋置深度见表2-1（P14）

计算冲刷深度时，应考虑可能产生的不利因素：

水利规划使河道变迁

水文资料不足

河床为变迁性和不稳定河段等时，上列数值应适当加大。

覆盖土层较薄的岩石地基，河床冲刷严重的大桥桥墩基础，基础应置于新鲜岩面或弱风化层中并有足够埋深，以保证其稳定性。

也可用其它锚固等的措施，使基础与岩层能联成整体，以保证整个基础的稳定性。

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风化层较厚，在满足冲刷深度要求下，一般桥梁的基础可设置在风化层内，此时，地基各项条件均按非岩石考虑。

（三）当地的冻结深度

产生冻胀的原因：

冬季气温下降，当地面下一定深度内土中的温度达到冰冻温度时，士中孔隙水分开始冻结，体积增大，使土体产生一定的隆胀。

对于冻胀性土如土温在较长时间内保持在冻结温度以下，水分能从未冻结土层不断地向冻结区迁移，引起地基的冻胀和隆起，这些都可能使基础遭受损坏。

为了保证结构物不受地基土季节性冻胀的影响，除地基为非冻胀性土外，基础底面应埋置在天然最大冻结线以下一定深度。

《公路基规》规定当上部结构为超静定结构时，基底应埋置在最深冻结线以下不小于0.25m；对静定结构的基础，一般也按此要求，但在冻结较深地区，为了减少基础埋深，有些类别的冻土经计算后也可将基底置于最大冻结线以上。

（四）上部结构型式

上部结构的型式不同，对基础产生的位移要求也不同。

对中、小跨度简支梁来说，这项因素对确定基础的理直深度影响不大。

对超静定结构便基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化。

如对拱桥桥台，为了减少可能产生的水平位移和沉降差值，有时需将基础设置在埋藏较深的坚实上层上。

（五）当地的地形条件

较陡的土坡当墩台、挡土墙等结构位于较陡的土坡上，在确定基础埋深时，还应考虑土坡连同结构物基础一起滑动的稳定性。

确定地基承载力时，是按地面为水平的情况下确定的，因而当地基为倾斜土坡时，应结合实际情况，予以适当折减并采取以下措施。

基础位于较陡的岩体上，可将基础做成台阶形，但要注意岩体的稳定性。

基础前缘至岩层坡面间必须留有适当的安全距离，（持力层岩

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石、土的类别及斜坡坡度）根据挡土墙设计要求，基础前缘至斜坡面间的安全距离l及基础嵌入地基中的深度h与持力层岩石（或土）类的关系见表2-2。

但具体应用时，因桥梁基础承受荷载比较大，而且受力较复杂，采用表列，值宜适当增大，必要时应降低地基容许承载

（六）保证持力层稳定所需的最小埋置深度

基础的理置深度不小于lm：

地表土在温度和湿度的影响下，会产生一定的风化作用，其性质是不稳定的。

加上人类和动物活动以及植物的生长作用，也会破坏地表土层的结构，影响其强度和稳定，所以一般地表土不宜作为挎力层。

为了保证地基和基础的稳定性，基础的理置深度（除岩石地基外）应在天然地面或无冲刷河流的河底以下不小于lm。

除此以外，在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻结构物的影响，如新结构物基础比原有结构物基础深，则施工挖土有可能影响原有基础的稳定。

施工技术条件（施工设备、排

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水条件、支撑要求等）及经济分析等对基础埋深也有一定影响，这些因素也应考虑。

上述影响基础埋深的因素也适用于其它类型的基础（如沉井基础）。

简例说明如何较合理地确定基础埋置深度和选择持力层

某河流的水文资料和土层分布及其容许承载力如图2-8所示。

根据上述水文地质资料，如施工技术条件有充分保证，由于基础修建在常年有水的河中（上部为静定结构），因而对上述因素（三）至（六）可以排除。

从土质条件来看，土层

（1）（111）（IV）均可作为持力层

第一方案：

浅基础，其埋置深度，只需根据最大冲刷线确定其最小埋置深度，即在最大冲刷线以下h1=2m，然后验算土层

（1）（11）的承载力是否满足要求。

第二方案：

如第一方案不能通过，就应按土质条件将基底设置在土层（111）上，但埋深h2达8m以上，若仍采用浅基础大开挖施工方案则要考虑技术上的可能性和经济上的合理性，这时也可考虑沉井基础或桩基础。

第三方案：

桩基础，如荷载大，要求基础理得更深时，则可考虑，将桩底设置在土层（Ⅳ）中。

采用这一方案时，可以避免水下施工，给施工带来便利。

二、刚性扩大基础尺寸的拟定

刚性扩大基础尺寸拟定：

主要根据基础埋置深度确定基础平面尺寸和基础分层厚度。

基础厚度：

应根据墩、台身结构形式，荷载大小，选用的基础材料等因素来确定。

基底标高应按基础埋深的要求确定。

水中基础顶面一般不高于最低水位，在季节性流水的河流或旱地上的桥梁墩、台基础，则不宜高出地面，以防碰损。

基础厚度可按上述要求所确定的基础底面和顶面标高求得。

在一般情况下，大、中桥墩、台混凝士基础厚度在1.0--2.0m左右。

基础平面尺寸：

基础平面形式一般应考虑墩、合身底面的形状而确定，基础

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平面形状常用矩形。

基础底面长宽尺寸与高度有如下的关系式（图2-9）：

a=l+2Htgα

b=d+2Htgα

式中：

l-----墩、台身底截面长度（m）;

d----墩、台身底截面宽度（m）;

H----基础高度（m）;

α----墩、台身底截面边缘至基础边缘连线与垂线间的夹角。

襟边：

刚性扩大基础的剖面形式一般做成矩形或台阶形，如图2-9所示。

自墩、台身底边缘至基顶边缘的距离c称襟边。

作用：

一方面是扩大基底面积增加基础承载力，同时也便于调整基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差，也为了支立墩、合身模板的需要。

取值：

应视基底面积的要求、基础厚度及施工方法而定。

桥梁墩台基础襟边最小值为20cm--30cm。

基础较厚（超过lm以上）时，可将基础的剖面浇砌成台阶形，如图2-9b）所示。

刚性角：

基础悬出总长度（包括襟边与台阶宽度之和）按前面刚性基础的定义，应使悬出部分在基底反力作用下，在a-a截面（图2-9b））所产生的弯曲拉应力和剪应力不超过基础污工的强度限值。

所以满足上述要求时，就可得到自墩台身边缘处的垂线与基底边缘的联线间的最大夹角αmax，称为刚性角。

在设计时，应使每个台阶宽度ci与厚度ti保持在一定比例内，使其夹角αi<=αmax这时可认为属刚性基础，不必对基础进行弯曲拉应力和剪应力的强度验算，在基础中也可不设置受力钢筋。

刚性角αmax的数值是与基础所用的污工材料强度有关。

根据实验，常用的基础材料的刚性角αmax值可按下面提供的数值取用：

砖、片石、块石、粗料石砌体，当用5号以下砂浆砌筑时

αmax≤30度

砖、片石、块石、粗料石砌体，当用5号以上砂浆砌筑时

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αmax≤35度

混凝土浇筑时，αmax≤40度

基础每层台阶高度ti通常为0.50m--1.00m，在一般情况下各层台阶宜采取相同厚度。

第三节刚性扩大基础的验算

在基础埋置深度和构造尺寸确定以后，就应根据可能产生的最不利荷载组合对地基与基础进行验算。

主要验算地基承载力，基底合力偏心距，地基与基础稳定性，基础沉降等。

一、地基承载力验算

（一）持力层强度验算

持力层：

是直接与基底相接触的土层，持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承载力。

基底应力的分布：

在理论上可采用弹性理论求得较精确解，在土力学课程中已做了这方面的介绍，在实践中采用简化方法，即按材料力学偏心受压公式进行计算。

由于浅基础埋置深度浅，在计算中可不计基础四周土的摩阻力和弹性抗力的作用，其计算式

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σmax,min=N/A±M/W≤[σ]

σ--基底应力（kPa）;

N--基底以上竖向荷载（kN）;

A--基底面积（m'）;

M--作用于墩、台上各外力对基底形心轴之力矩（kN.m），

M=ΣTihi+ΣPiei=Ne0

其中Ti为水平力，hi为水平力作用点至基底的距离，Pi为竖向力ei为竖向力Pi作用点至基底形心的偏心距山为合力偏心距其计算见式（2-9）;

W--基底截面模量（m3），对矩形基础，W=ab2/6=ρA,ρ为基底核心半径

[σ]--基底处持力层地基容许承载为（kPa）。

式（2-2）也可改写为：

σmax,min=N/A±Ne0/ρA=N/A（1±e0/ρ）≤[σ]（2-3）

从式（2-3），分析可知:

当e0=0时,σ=N/A，基底压应力均匀分布，压应力分布图为矩形（图2-10a））。

当e0<ρ时，1±e0/ρ>0，基底压应力分布图为梯形（图2-10b）

当e0=ρ时，1±e0/ρ=0，这时σ,min=0，基底压应力分布图为三角形（图2-10c））。

当e0>ρ时，1-e0/ρ<0，这时σ,min<0，基底一侧出现了拉应力。

此时若持力层为土质，则基底与土之间不能承受拉应力；

若持力层为岩石，除基础混凝土浇注在岩石地基上，基底也不能承受拉应力。

因此需考虑基底应力重分布，并假定全部荷载由受压部分承担及基底压应力仍按三角形分布（图2-10d））。

对矩形基础、其受压分布宽度为b’，则从三角形分布压力合力作用点及静力平衡条件可得：

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K=b’/3K=b/2-e0

b’=3（b/2-e0）

N=ab’σmax,/2=3aσmax,（b/2-e0）/2

σmax,=2N/3a（b/2-e0）

对公路桥梁，通常基础横桥向长度比顺桥向宽度大的多，同时上部结构在横桥向布置常是对称的，故一般由顺桥向控制基底应力计算。

对通航河流或河流中有漂流物时，应计算船舶撞击力或漂流物撞击力在横桥向产生的基底应力，并与顺桥向基底应力比较，取其大者控制设计。

在曲线上的桥梁，除顺桥向引起的力矩Mx外，尚有离心力（横桥向水平力）在横桥向产生的力矩My；

若桥面上活载考虑横向分布的偏心作用时，则偏心竖向力对基底两个方向中心轴均有偏心距分别为外力对基底顺桥向中心轴和横桥向中心轴之力矩，要分别考虑。

【思考题】

1．确定基础埋置深度应考虑哪些因素?

基础埋置深度对地基承载力、沉降有什么影响?

2．何谓刚性角，它与什么因素有关?

【作业】P512-9

【第4次课】

教学目的：

通过本次课教学使学生掌握浅基础软弱下卧层承载力验算方法、地基容许承载力得确定方法，合力偏心距验算，基础稳定性、沉降验算方法。

教学重点：

软弱下卧层承载力验算方法、地基容许承载力得确定方法。

教学难点：

软弱下卧层承载力验算方法。

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（二）软弱下卧层承载力验算

持力层以下有软弱下卧层（指容许承载力小于持力层容许承载力的土层），这时还应验算软弱下卧层的承载力，验算时先计算软弱下卧层顶面A（在基底形心轴下）的总应力（包括自重应力及附加应力）不得大于该处地基土的容许承载力（图2-12）。

即

σh+z=γ1（h+z）+a（σ-γ2h）≤[σ]h+z

式中：

γ1--相应于深度（h+z）以内土的换算容重（kN/m3）;

γ2--深度h范围内土层的换算容重（kN/m3）

h--基底埋深（m）;

z--从基底到软弱土层顶面的距离（m）;

a--基底中心下土中附加应力系数，可按士力学教材或规范提供系数表查用

σ--由计算荷载产生的基底压应力（kPa），当基底压应力为不均匀分布z/b>1时，σ为基底平均压应力，当z/b<1时σ按基底应力图形采用距最大应力边b/3—b/4处的压应力（其中b为矩形基础的短边宽度或为圆形基础直径）;

[σ]h+z--软弱下卧层顶面处的容许承载力（kPa），可按式（2-8）或式（6-2）（6-4）计算。

当软弱下卧层为压缩性较高而且较厚的软粘土，或当上部结构对基础沉降有一定要求时，除承载力旺满足上述要求外，还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量。

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（三）地基容许承载力的确定

地基容许承载力的确定一般有几种途径:

（1）在土质基本相同的条件下，参照邻近结构物地基容许承载力;

（2）根据现场荷载试验或触探试验资料;

（3）按地基承载力理论公式计算;

（4）按现行规范提供的经验公式计算。

常用方法（规范法）：

根据土工试验资料，按规范提供的经验公式和参确定

它是根据我国各部门多年来的实践经验，收集了大量荷载试验和对已建结构物的观测资料，通过理论和统计分析后制定的，它使确定地基土容许承载力的工作大为简化。

我国幅员辽阔，上质变化较复杂，规范仅对一般土质条件作了规定，对一些特殊地基，如疏松状态的砂土、接近流动状态的软弱粘性土、含有大量有机质土和盐渍士。

对于大的或较重要的工程，还应结合具体情况，综合采用荷载试验，现场标贯或静力触探及理论计算等方法研究分析后确定。

《公桥基规》确定地基容许承载力的步骤和方法如下：

1．确定土的分类名称

通常把--般地基土，根据塑性指数、粒径、工程地质特性等分为六类，即粘性土、砂类土、碎卵石类土、黄土、冻土及岩石。

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2．确定土的状态

土的状态是指土层所处的天然松密和稠度状况。

粘性土：

按液性指数IL分为坚硬、半坚硬状态、硬塑、软塑状态和流塑状态;

砂类土根据相对密度分为稍松、中等密实、密实状态;

碎卵石类土则按密实度分为密实、中等密实及松散

3．确定土的容许承载力

当基础b>2m或h>3m，且h/b≤4时，上述一般地基土（除冻土和岩石外）的容许承载力可按下式计算:

[σ]=[σ0]+K1γ1（b-2）+K2γ2（h-3）（2-8）

式中：

[σ0]--当b>2m或h>3m时，地基土容许承载力，直接从规范查取，一般粘性土和砂土地基容许承载力如表2-3和表2-4

b--基础验算剖面底面最小边宽（或直径）（m），当b<2m时，取b=2m计,当b>l0m时，按l0m计算;

h一基础底面的理置深度（m），对于受水流冲刷的基础，由一般冲刷线算起;不受水流冲刷的基础，由天然地面算起，位于挖方内的基础，由开挖后地面算起,当h<3m时，取h=3m;

γ1--基底下持力层土的天然容重，如持力层在水面以下且为透水性土时，应取用浮容重;

γ2--基底以上土的容量（如为多层士时用换算容重）伙N/m'），如持力层在水面以下且为不透水性土时，不论基底以上土的透水性质如何，应一律采用饱和容重，如持力层为透水性土时，应一律采用浮容量;

K1，K2--按持力层士类确定在基础宽度和深度方面的修正系数，其值按持力层土类从表2-5选用。

关于修正系数K1、K2：

K1为验算剖面底面宽度大于2m时地基容许承载力的修正提高系数。

但若地基土为粘性士（包括黄土）时，受压后其后期沉降量较大，基础愈宽，沉降也愈大，这对结构物正常使用是不利的，加上在制定容许承载力值[σ0]

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时，已适当考虑了基础宽度的影响，故对粘性土和黄土的地基容许承载力不再考虑宽度修正，这样可以保证基础不致产生过大的沉降。

对于砂土和碎石土地基，沉降在施工期间已大部完成，所以受压后的后期沉降比较小，在基础宽度加大后，地基承载力有显著提高，故必须予以修正。

由于基础过宽会增加沉降的不利因素。

所以基础宽度超过l0m者，仍按l0m予以修正提高。

K2基础埋深超过3m时地基容许承载力的提高值。

这主要考虑到随着基础埋深的增加，基础底面以上土的自重也随着增大，这