“转自：结构设计-公众号“

来源：知乎

作者：猪小宝

我有时候看一些流行在微博或者朋友圈的「文章」，教人买房子之前鉴别房屋「质量」，什么拿小锤子敲墙啊，什么瓷砖有没有空洞啊，什么地板平不平啊之类的。我有时候就在想，如果房子基础有问题，哪怕是小问题，你这整个房子也差不多废了，瓷砖贴的再好还有意义吗？大家挺关心瓷砖，却不关心基础，实在是让我不能理解。

首先问大家一个问题：谁能准确的说出，自家房子用的是什么基础？

回答不出来的同学，希望读完之后能找到自己的答案～～

什么叫基础？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

这这个 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。

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。

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。

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。

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。

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……

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。

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。

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。

把做好的混凝土桩从模板里拆出来，就可以准备出厂了。

装上卡车，就可以运送到各个施工现场了。

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。

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。

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？

（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）。