二、地基稳定性
岩土地基是建筑物的根本，统称为地基基础工程，其稳定性好坏直接影响到建筑物的安全和正常使用。基础工程是在地下或水下进行的，施工难度大，在一般高层建筑中，其造价约占总造价的25%，工期占总工期的25%～30%。当需采用深基础或人工地基时，其造价和工期所占比例更大。地基基础工程还是隐蔽工程，一旦失事，不仅损失巨大，而且补救十分困难。因此，对岩土地基稳定性进行工程地质分析，具有十分重要的实际意义。
（一）建筑地基稳定性
建筑地基所选持力层首先要满足承载力和变形要求，并且下卧层也能满足要求。对于中小型建筑物，良好土层是指坚硬、硬塑、可塑黏性土，中压缩性密实的其他土层，承载力大于150k Pa；软弱土层是指软塑、流塑黏性土层和松散砂层，承载力一般小于150kPa。
根据地基土分层情况，可分以下五类典型地基，如图5-4所示。
（1）a型地基。地基压缩层范围内由均匀的压缩性较小的土层构成，选择基础持力层应重点考虑地基土的冻胀性、房屋用途和作用在地基上的荷载等条件。
（2）b型地基。地基压缩层范围内由均匀的高压缩性的软土构成，对各类建筑物地基均不能满足变形条件时，需要采用人工地基，必要时加强上部结构的刚度，仍按a型地基条件选择持力层。
图5-4 地基土的组成类型
（a）a型地基；（b）b型地基；（c）c型地基；（d）d型地基；（e）e型地基
（3）c型地基。由两层土构成，上层软土，下层好土，持力层选择应综合考虑确定。若软土层厚小于2m，基础持力层应为好土层；若软土层厚为2～5m，对于低层轻型建筑，可将基础做在表层软土内，以避免大量的土层开挖，必要时可采用人工地基；对于3～5层的一般混凝土结构和无吊车设备的单层工业厂房，是否将下面的好土层作为持力层，应视具体情况来定。对高层和有地下室的一般混合结构房屋，应选下面的好土层作为持力层。若软土层厚大于5m，对低层轻型建筑和3～5层一般的混合结构房屋及无吊车设备的单层工业厂房，应以利用表土为主，必要时加强上部结构刚度或采用人工地基；对有地下室的房屋和高层建筑，是否以好土为持力层，或采用桩基，人工地基，应根据表土的具体厚度和施工设备条件定。
（4）d型地基。由两层土构成，上层好土，下层软土。当表土层厚度较大时，基础尽可能浅埋，用好土做持力层，以减小压缩层范围内软土层厚度，如果必要可将室外设计地面提高到天然地面以上（即在天然地面上填土）；如果土层很薄，按b型地基考虑。
图5-5 基础底面外边缘至坡顶水平距离示意图
（5）e型地基。由若干层交替的好土和软土构成，视各层土的厚度和压缩性质，根据减少基础沉降原则按上述情况确定。
根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算。最危险的滑动面上各力对滑动中心产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求：
式中 M R——滑动力矩，k N·m；
M s——抗滑力矩，k N·m。
位于稳定土坡坡顶上的建筑，如图5-5所示，当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m。
条形基础
矩形基础
式中 a——基础底面外边缘至坡顶的水平距离，m；
b——垂直于坡顶边缘线的基础底面边长，m；
d——基础埋置深度，m；
β——边坡坡角，（°）。
（二）岩基稳定性
1.岩基失稳破坏的类型分析
岩基失稳破坏的主要影响因素有5个方面：①区域地壳稳定性；②岩体的结构特征、变形特征强度特征、水稳性等；③边界临空面和结构面；④荷载的类型大小和方向；⑤工程类别对岩基失稳有重要影响，如高层建筑除了考虑垂直荷载之外，还应考虑水平荷载的影响；对高耸构筑物，水平荷载很大，应考虑迎风一侧基础的抗拔能力，以防构筑物倾倒。
岩基的破坏形式不仅与工程类型有关，还与影响岩体稳定的主要因素有关。破坏类型如下：
（1）当区域稳定性为相对稳定，工程岩体本身的内在条件较好（完整性好、变形模量和强度均大）时，岩体失稳破坏的类型取决于边界条件、工程类型及工程荷载性质的组合特点，岩体失稳破坏的方式往往以剪切滑移方式为主。
（2）当区域稳定性为相对活动（以活动性地震断裂活动为主），工程的场地条件较好（岩体本身的内在条件较好，且无失稳分离面和临空面作为边界条件等），若工区位于区域活动性地震断裂带附近（如地面塌陷、地裂缝等）时，岩基将随着地震断裂的活动而发生水平位移或垂直位移甚至产生断裂等失稳破坏情况，并致使筑于其上的构筑物失稳破坏；若工区不位于地面塌陷、地裂缝区域而处于高烈度地震区时，岩体一般不至于失稳破坏，地面建筑物则往往在水平地震力的作用下发生拦腰水平截断而倾覆，处于地下的构筑物一般很安全。
（3）区域环境和工程场地均处于突出的高水平构造应力状态，工程类型为地下圆拱直墙型隧洞工程，岩体本身内在条件好，无失稳分离面作为边界条件时，隧洞围岩失稳破坏的方式一般是隧洞两直墙在高水平构造应力的压迫下弯凸和相互不断靠拢，或两直墙岩体因应力剧烈释放而不断发生张裂崩塌破坏。
（4）当区域相对稳定，岩体抗压强度较高，不具备失稳滑移的边界条件，但近于水平的层面结合力弱，地面建筑物承受强大的风荷载时，可能发生的往往是岩基因抗拔力不足而发生建筑物迎风面之下的岩基首先张拉破坏并导致建筑物倾倒。
（5）区域相对稳定，工程场地为河流之滨，岩体本身内在条件较差。岸坡建筑物岩基失稳如图5-6所示，其主要以压缩性大的薄层状碎裂结构页岩为主，岸坡陡峭，坡前缘为中厚层状节理发育的砂岩，岩层陡倾，倾向坡里。在建筑物荷载的作用下，建筑物持力层将发生过大的压缩沉降变形，与其侧向膨胀变形相对应的侧向压力将使岸坡前缘砂岩层发生弯折、崩塌，前缘砂岩附近的持力层必随之发生压缩破坏，导致建筑物向河中倾覆，或沿可能的滑动面倾滑到河中。
2.岩基稳定性分析方法
由于不同类型的工程岩体对稳定性要求不同，不同结构特征及边界条件的岩体的变形与失稳机制不同，因此，岩体稳定性分析的方法亦不尽相同。归纳起来，国内外应用于岩基稳定性分析的方法有：地质分析类比法、岩体结构分析与计算法、岩体稳定性分类法、数值模拟计算法、地质模拟试验法等。
图5-6 岸坡建筑物岩基失稳示意图
地质分析类比法是比较分析待建工程地区的工程地质条件与具有类似工程地质条件相邻地区的已建工程，获得对待建工程岩体稳定性程度的认识；岩体结构分析与计算法是从分析岩体的结构特征和岩体的边界条件与受力状态入手，通过必要的室内外试验，获取岩体稳定性计算的参数，进行稳定性计算；岩体稳定性分类法是以大量岩体质量与性质的实践性数据为基础，从岩体稳定性角度出发，对岩体的质量进行单指标的分类或多指标的综合评判分类；数值模拟计算法是从研究岩体的应力与应变的本构方程和获取岩体变形参数入手，建立岩体在承受工程荷载条件下的力学模型，评价岩体的稳定性；地质模拟试验法是在岩体结构特征、岩体边界条件分析和室内外力学试验所得参数的基础上，以相似材料制作按比例缩小的地质试验模型，施加按比例缩小的荷载，观测其变形、破坏过程，获取所需计算参数，进而通过反馈分析、定量和定性计算分析岩体的稳定性和破坏规律。
以上5种方法，通常需要互相配合使用。但对中小工程，则常用地质类比法进行简单的分析计算。对于岩基的稳定分析，最重要的是确定被结构面分割的滑动割离体其受力条件以及计算的参数。
3.高层建筑岩基稳定性分析
下面以广州白云宾馆的岩基利用为例，分析高层建筑的岩基稳定性。
图5-7 广州白云宾馆岩基示意图
广州33层的白云宾馆，高114.05m，总重近10万t（图5-7）。建筑场地的上部覆盖层为残积、坡积的红褐色硬可塑粉质黏土，总厚度为10～27.72m，其下埋藏着第三系砂岩与砾岩交互成层的基岩，岩面起伏较大。由于高层建筑对整体倾斜的严格限制以及有抗震、抗风等要求，基岩上的覆盖土层不能满足工程要求。为此设置了287根直径为1m的混凝土灌注桩和直径为2m的钢筋混凝土墩。施工前用钻探把各桩（墩）的基岩摸清，灌注桩最长的为17.25m，端头嵌入新鲜基岩0.5～1.0m，经荷载试验确定单桩设计承载力为4500k N。桩完成后于桩身取芯（混凝土）检查质量。建成后，测点沉降量均小于4mm。
（三）特殊地基稳定性分析
1.不同类型岩土地基的稳定性特点
建筑场地根据岩土体结构可以分为坚硬、半坚硬岩石地基和松散土石地基。前者在一般情况下都能满足建筑物的要求；后者则又可根据岩性均一程度划分为均一土石地基、稳定成层土石地基、厚度变化强烈且夹有透镜体的成层土石地基。不同类型岩土地基的稳定性是不同的，具体表现在以下几个方面。
均一土石地基，可以是松散砂-砾质的或黏土质的砂-砾质土石。松散砂在静荷载作用下承载能相当高，但如为疏松结构则会在振动荷载下产生强烈沉降，所以不适宜作为有振动荷载的厂房地基。砂质地基在饱水情况下易于产生流砂或潜蚀，从而降低承载能力并影响工程稳定性，这时必须采取特殊的施工措施。黏土质土石在干燥情况下承载能力也能满足一般厂房要求，但随含水量增高、稠度状态变化，其承载能力就会降低。如选用一些特殊黏性土石作为地基，则往往需采取特殊措施。稳定成层的土石地基，由岩性上有某种差别而层厚稳定的土石组成，如夹有可压缩性很高的弱土层也是不利的，但沉降将是均匀的。
厚度变化强烈且夹有透镜体的成层土石地基，这是最不利的情况，建筑物将会产生强烈的不均匀变形。当夹有厚度变化比较大的软弱土层时，往往使建筑物产生不能允许的变形。为防止这种变形，则需经过特殊处理（图5-8），山麓或河谷斜坡多为此类地基。
图5-8 不均匀土地基的桩基处理
2.软土地基稳定性分析
淤泥、淤泥质土称为软土，由软土组成的地基称为软土地基。淤泥和淤泥质土一般是第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲、冰碛等地质环境下沉积形成的。这类土大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾及天津塘沽、长江三角洲，浙江、珠江三角洲及福建省沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土。
软土的强度很低，天然地基上浅基础的承载力基本值一般为50～80k Pa，不能承受较大的建筑物荷载，否则就可能出现地基的局部破坏乃至整体滑动；在开挖较深的基坑时，可能出现基坑的隆起和坑壁的失稳现象。
软土压缩性较高，建筑物基础的沉降和不均匀沉降较大。若沉降过大将引起建筑物基础标高的降低，将影响建筑物的使用条件，或者造成倾斜、开裂破坏。软土渗透性很小，固结速率很慢，沉降延续的时间很长，给建筑物内部设备安装与外部连接带来困难；同时，软土的强度增长比较缓慢，长期处于软弱状态，影响地基加固的效果。
软土具有比较高的灵敏度，若在地基施工过程中产生振动、挤压和搅拌等作用，就可能引起软土结构的破坏，降低软土的强度。软土地基在地震作用下，还可能出现震陷现象。例如1976年唐山地震时，一些建筑物发生整体倾斜。
3.砂土液化地基稳定性分析
在强烈的地震作用下，饱和松散砂土及低塑性土的颗粒骨架会产生急剧的增密，于是孔隙水就承担了全部土体自重压力及所受的外压力，土中有效应力瞬时消失，土的抗剪强度趋近于零。一方面，导致场地地基的失稳；另一方面，常常在地层表面出现喷水冒砂现象。饱和砂土在循环荷载作用下，可能产生相态的转化，由固态转为液态，这种相态转变过程就是孔隙水压力发展过程。砂土液化是一种特殊情况下的强度问题，可称为液化破坏。
砂土液化现象非常广泛，地基失效而引起房屋、桥台、桥墩、码头、机场、道路和公用设施，以及水利工程等破坏。地基砂土液化涉及的因素很多，包括覆盖土层的厚度地下水位的深度、地震烈度、砂土粒度和密实度等。
4.岩溶地基稳定性分析
岩溶对地基稳定的影响，主要表现在以下5个方面：
（1）没有根据场地内岩溶发育和分布条件，结合建设要求趋优避劣、合理布局而酿成事故。
（2）因岩溶基岩面崎岖不平，并有土层分布，致使地基沉降不均匀；或因桩柱支撑不可靠而导致上部结构破坏。岩溶地基不均匀沉降和桩柱不可靠支撑如图5-9所示。
图5-9 岩溶地基不均匀沉降和桩柱不可靠支撑示意图
（a）水平的可溶岩基岩崎岖不平，桩端支撑不可靠产生不均匀沉陷；（b）倾斜的可溶岩基岩面桩柱挠曲产生不均匀沉陷；（c）基岩面附近溶洞上土层坍塌产生结构开裂；（d）倾斜岩溶基岩面因荷载产生层面滑移、结构开裂
（3）地下洞穴顶板坍塌，导致基础悬空、结构开裂。当有这种可能时，则应根据基础下洞穴所处位置、形态和大小，验算洞穴顶板的稳定，或对基础形式做合理调整与设计。
（4）因基础范围附近有洞穴或垂直溶隙，致使地基岩石受力后，沿层面产生向洞隙方向的滑移[图5-9（d）]。
（5）在工程条件下，如荷载的长期作用，地表水的下渗，以及地下水动力条件的改变，会造成新的不稳定因素。
在岩溶与土洞地区的地基稳定分析应考虑以下三个问题：溶洞和土洞分布密度和发育情况；溶洞和土洞的埋深对地基稳定性影响；抽水对土洞和溶洞顶板稳定的影响。由于地下水位大幅度下降，使保持多年的水位均衡遭到急剧破坏，大大地减弱了地下水对土层的浮托力。由于抽水产生地下水的循环，动水压力会破坏一些土洞顶板的平衡，引起土洞顶板的破坏和地表塌陷。
按表5-3列出的各项因素可对岩溶场地稳定性作出有利和不利的定性评价。但定性评价只是一种经验比拟法，仅适用于一般工程。
表5-3 岩溶场地稳定性评价表
溶洞顶板稳定性定量评价主要适用于顶板为中厚层、薄层、裂隙发育，易风化的较软弱的碳酸盐岩层，有可能坍塌的溶洞，或仅知洞体高度时。由于顶板坍塌后，塌落体体积增大，当顶板具有一定的坍落高度时，溶洞空间即被填满，无须考虑其对地基的影响。顶板应具有的塌落高度计算公式为
式中 H——顶板应具有的塌落高度，m；
H 0——洞体最大高度，m；
K——岩石松散（胀余）系数（石灰岩为1.2，黏土为1.65）。
顶板安全厚度计算适用于顶板较完整、厚度较大、强度较高，且已知顶板厚度和裂隙切割情况时，常用方法如下。
按极限平衡条件计算顶板能抵抗荷载剪切的厚度验算，公式为
式中 T——溶洞顶板的总抗剪力，k N；
P——溶洞顶板所受总荷载，k N；
H——顶板岩层厚度，m；
τf——岩体的计算抗剪强度（石灰岩一般为允许抗剪强度的1/12），k Pa；
L——溶洞平面周长，m。
按梁板受力情况验算一定厚度顶板的抗弯强度，公式为
因此，
式中 H——顶板岩层厚度，m；
[σ]——岩体允许抗弯强度（石灰岩一般为允许抗压强度的1/8），k Pa；
b——梁板的宽度，m；
M——弯矩，k N·m。
当顶板中间有裂隙，两端支座坚固完整时，按悬臂梁计算，见式（5-12）；
当一端支座有裂缝，其他处完整时，按简支梁计算，见式（5-13）；
当顶板完整无裂隙时，按固端梁计算，见式（5-14）。
式中 q——总荷载，k N；
L——洞宽，m。
对于完整的水平顶板，也可假定荷载按30°～35°扩散角向下传递。当传递线交于顶板与洞壁交点以外时，即可认为顶板上荷载由溶洞外岩体支承，顶板是安全的，也可用洞跨比法确定。一般认为，当顶板厚度与建筑物跨过洞穴的长度比值为0.5～0.87时，可认为顶板是安全的。