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第五章 基础与地下室构造
第一节 地基与基础概述
第二节 基础埋置深度及影响因素
第三节 地下室构造
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第一节 地基与基础概述
一、地基
１.地基的分类
在建筑中,将建筑上部结构所承受的各种荷载传到地基上的结构构件称为基础.支承基础的土体或岩体称为地基.地基可分为天然地基和人工地基两大类.
(１)天然地基.如果天然土层具有足够的承载力,不需要经过人工改良和加固,就可直接承受建筑物的全部荷载并满足变形要求,称为天然地基.岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土等,一般均可作为天然地基.
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第一节 地基与基础概述
(２)人工地基.当土层的承载能力较低或虽然土层较好,但因上部荷载较大,土层不能满足承受建筑物荷载的要求时,必须对土层进行地基处理,以提高其承载能力,改善其变形性质或渗透性质,这种经过人工方法进行处理的地基称为人工地基.
２.人工地基处理的方法
人工地基常用的处理方法有换填垫层法、预压法、强夯法、强夯置换法、深层挤密法、化学加固法等.
(１)换填垫层法是指挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层,回填坚硬、粒径较粗的材料,并夯压密实,形成垫层的地基处理方法.
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第一节 地基与基础概述
(２)预压法是指对地基进行堆载或真空预压,使地基土固结的地基处理方法.
(３)强夯法是指反复将夯锤提到高处使其自由落下,给地基以冲击和振动能量,将地基土夯实的地基处理方法.
(４)强夯置换法是指将重锤提高到高处使其自由落下形成夯坑,并不断夯击坑内回填的砂石、钢渣等硬粒料,使其形成密实的墩体的地基处理方法.
(５)深层挤密法主要是靠桩管打入或振入地基后对软弱土产生横向挤密作用,从而使土的压缩性减小,抗剪强度提高.其方法通常有灰土挤密桩法、土挤密桩法、砂石桩法、振冲法、石灰桩法、夯实水泥土桩法等.
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第一节 地基与基础概述
(６)化学加固法是指将化学溶液或胶粘剂灌入土中,使土胶结以提高地基强度、减少沉降量或防渗的地基处理方法.其方法有高压喷射注浆法、深层搅拌法、水泥土搅拌法等.
二、基础
基础的种类较多,在选择基础时,需综合考虑上部结构形式、荷载大小、地基状况等因素.
(一)按基础所用材料及受力特点分类
１.刚性基础
由刚性材料制作的基础称为刚性基础.一般称抗压强度高而抗拉、抗剪强度较低的材料为刚性材料.常用的砖、石、混凝土等均属于刚性材料.
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第一节 地基与基础概述
为满足地基容许承载力的要求,基底宽B 一般大于上部墙宽.当基础的B 很宽时,挑出长度b 很长,而基础又没有足够的高度H ,又因基础采用刚性材料,基础就会因弯曲或剪切而被破坏.为了保证基础不被拉力、剪力破坏,基础必须具有相应的高度.通常,按刚性材料的受力特点,基础的挑出长度与高度应在材料的控制范围内,这个控制范围的夹角称为刚性角,用α 表示,如图５-１所示.
(１)砖基础.目前,砖基础的主要材料为烧结普通砖,在建筑物水平防潮层以下部分,其砖的强度等级不得低于MU１０.砖基础逐步放阶的形式称为大放脚.为了满足刚性角的要求,砖基础台阶的宽高比应小于１∶１.５.常采用每隔二皮厚收进１/４砖长的形式,简称“二皮一收”.当基础底宽较大时,也可采用“二皮一收”与“一皮一收”相间的砌筑方法,简称“二一间隔收”,如图５-２所示.
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第一节 地基与基础概述
砖基础的大放脚下需设垫层,其厚度应根据上部结构荷载和地基承载力大小等确定,一般不小于１００mm.
(２)石基础.石基础有毛石基础和料石基础两种.毛石基础是由中部厚度不小于１５０mm 的未经加工的块石和砂浆砌筑而成的.毛石基础的强度高,抗冻、耐水性能好,所以适用于地下水水位较高、冰冻线较深的产石区的建筑.料石基础则是由经过加工后具有一定规格的石材和砂浆砌筑而成的.石基础的断面形式有矩形和阶梯形,当基础底面宽度小于７００mm 时,多采用矩形截面.根据刚性角要求,石基础的允许宽高比为１∶１.２５和１∶１.５０,其细部尺寸如图５-３所示.
(３)混凝土基础.混凝土基础是用不低于C１５的混凝土浇捣而成的,其具有坚固、耐久、耐水、刚性角大等特点,常用于有地下水和冰冻作用的地方.
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第一节 地基与基础概述
混凝土基础的断面形式和有关尺寸,除满足刚性角要求外,还应不受材料规格限制,其基本形式有矩形[图５-４(a)]、阶梯形[图５-４(b)]、锥形[图５-４(c)]等.为了节约混凝土,
在基础体积过大时,可在混凝土中加入适当数量的毛石,称为毛石混凝土基础.其中,所用毛石的尺寸不得大于基础宽度的１/３,同时石块任一边尺寸不得大于３００mm,毛石总体积不得大于３０％.
刚性基础的刚性角既与基础材料的性能有关,也与基础所受的荷载有关,而与地基的情况无关.刚性基础常用于荷载不太大的建筑,一般用于２~３层混合结构的房屋建筑.
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第一节 地基与基础概述
２.非刚性基础
钢筋混凝土基础称为非刚性基础,也称为柔性基础.这种基础不受刚性角的限制,基础底部不但能承受很大的压应力,而且还能承受很大的弯矩,能抵抗弯矩变形.为了节约材料,钢筋混凝土基础通常制成锥形,但最薄处不应小于２００mm,如制成阶梯形,
每步高３００~５００mm.为了保证钢筋混凝土基础施工时,钢筋不致陷入泥土中,常须在基础与地基之间设置混凝土垫层,如图５-５所示.这种基础适用于荷载较大的多、高层建筑.
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第一节 地基与基础概述
(二)按基础的构造形式分类
基础的构造形式随建筑物上部结构形式、荷载大小及地基土质情况而定.一般情况下,上部结构形式直接影响基础的形式,但当上部荷载增大,且地基承载能力有变化时,基础的形式也随之变化.常见的基础有以下几种.
１.条形基础
条形基础是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式.按上部结构形式可分为墙下条形基础和柱下条形基础.
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第一节 地基与基础概述
(１)墙下条形基础.条形基础是承重墙基础的主要形式,当上部结构荷载较大而土质较差时,可采用混凝土或钢筋混凝土建造,墙下钢筋混凝土条形基础一般做成无肋式,如图５-６(a)所示;如地基在水平方向上压缩性不均匀,为了增加基础的整体性,减少不均匀沉降,也可做成有肋式的条形基础,如图５-６(b)所示.
(２)柱下条形基础.当建筑采用柱承重结构,在荷载较大且地基较软弱时,为了提高建筑物的整体性,防止出现不均匀沉降,可将柱下基础沿一个方向连续设置成条形基础,如图５-７所示.
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第一节 地基与基础概述
２.独立基础
(１)柱下独立基础.当建筑物上部采用柱承重且柱距较大时,宜将柱下扩大形成独立基础.独立基础的形状有阶梯形、锥形和杯形等.其优点是土方工程量少,便于地下管道穿越,节约基础材料.但由于基础相互之间无联系,整体刚度差,因此,柱下独立基础一般适用于土质、荷载均匀的骨架结构建筑.独立基础是柱子基础的主要类型.其所用材料根据柱的材料和荷载大小而定,常采用砖、石、混凝土和钢筋混凝土等.
(２)墙下独立基础.当建筑物上部为墙承重结构,并且基础要求埋置深度较大时,为了避免开挖土方量过大和便于穿越管道,墙下可采用独立基础.墙下独立基础的间距一般为３~４m,上面设置基础梁来支承墙体.
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第一节 地基与基础概述
３.井格基础
当地基条件较差或上部荷载较大时,此时在承重的结构柱下使用独立柱基础已不能满足其承受荷载和整体要求,可将同一排柱子的基础连在一起.为了提高建筑物的整体刚度,避免不均匀沉降,常将柱下独立基础沿纵向和横向连接起来,形成井格基础.
４.筏形基础
当建筑物上部荷载较大,而建造地点的地基承载能力又比较差,以致墙下条形基础或柱下条形基础已不能适应地基变形的需要时,可将墙或柱下基础面扩大为整片的钢筋混凝土板状基础形式,形成筏形基础,如图５-１１所示.
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第一节 地基与基础概述
筏形基础可分为梁板式和平板式两种类型.梁板式筏形基础由钢筋混凝土筏板和肋梁组成,在构造上如同倒置的肋形楼盖,如图５-１１(a)所示;平板式筏形基础一般由等厚的钢筋混凝土平板构成,在构造上如同倒置的无梁楼盖,如图５-１１(b)所示.为了满足抗冲切要求,常在柱下做柱托.柱托可设在板上,也可设在板下.当设有地下室时,柱托应设在板底.
筏形基础的整体性好,能调节基础各部分的不均匀沉降,常用于建筑荷载较大的高层建筑.
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第一节 地基与基础概述
５.箱形基础
当筏形基础埋置深度较大时,为了避免回填土增加基础上的承受荷载,有效地调整基底压力和避免地基的不均匀沉降,可将筏形基础扩大,形成由钢筋混凝土的底板、顶板和若干纵横墙组成的空心箱体作为房屋的基础,这种基础叫作箱形基础,如图５-１２所示.
箱形基础具有刚度大、整体性好、内部空间可用作地下室的特点.因此,其适用于高层公共建筑、住宅建筑及需设地下室的建筑.
６.桩基础
当地基浅层土质不良,无法满足建筑物对地基变形和强度方面的要求时,常采用桩基础.桩基础具有承载力大、沉降量小、节省基础材料、减少土方工程量、改善施工条件和缩短工期等优点.
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第一节 地基与基础概述
桩基础的类型很多,按桩的形状和竖向受力情况可分为摩擦桩和端承桩.摩擦桩的桩顶竖向荷载主要由桩侧壁摩擦阻力承受,如图５-１３(a)所示;端承桩的桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受,如图５-１３(b)所示.按桩的材料可分为混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩;按桩的制作方法有预制桩和灌注桩两类.目前,较常用的是钢筋混凝土预制桩和灌注桩.
桩基础是由承台和群桩组成的,如图５-１４所示.桩身尺寸是按设计确定的,并根据设计布置的点位将桩置入土中,在桩的顶部设置钢筋混凝土承台,以支承上部结构,使建筑物荷载均匀地传递给桩基.
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第一节 地基与基础概述
三、地基与基础的关系
地基与基础之间相互影响、相互制约.
１.对地基的要求
(１)地基应具有一定的承载力和较小的压缩性.
(２)地基的承载力应分布均匀.在一定的承载条件下,地基应有一定的深度范围.
(３)要尽量采用天然地基,以降低成本.
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第一节 地基与基础概述
２.对基础的要求
(１)基础要有足够的强度,能够起到传递荷载的作用.
(２)基础的材料应具有耐久性,以保证建筑持久使用.因为基础处于建筑物最下部并且埋在地下,对其维修或加固是很困难的.
(３)在选材上尽量就地取材,以降低造价.
３.地基、基础与荷载的关系
基础是建筑物地面以下的承重结构,是建筑物的墙或柱子在地下的扩大部分,其作用是承受建筑物上部结构传下来的荷载,并把它们连同自重一起传给地基.基础可分为条形基础、筏形基础、联合基础、拱形基础等几种形式,如图５-１５所示.地基是指基础底面以下、荷载作用影响范围内的部分岩石或土体.
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第二节 基础埋置深度及影响因素
一、基础埋置深度的确定原则
基础的埋置深度是指室外设计地面至基础底面的深度,如图５-１６所示.基础按基础埋置深度可分为浅基础和深基础.若浅层土质不良,需加大基础埋深,此时需采取一些特殊的施工手段和相应的基础形式,如桩基、深井和地下连续墙等,这样的基础称为深基础.
二、影响基础埋置深度的因素
影响基础埋置深度的因素很多,主要有以下几个方面:
(１)建筑物自身的特性.建筑物设有地下室、地下管道或设备基础时,常需将基础局部或整体加深.为了保护基础不露出地面,构造要求基础顶面距离室外设计地面不得小于１００mm.
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第二节 基础埋置深度及影响因素
(２)作用在地基上的荷载大小和性质.荷载有恒载和活载之分.其中,恒载引起的沉降量最大,因此,当恒载较大时,基础埋置深度应大一些.荷载按作用方向又有竖直方向和水平方向.当基础要承受较大水平荷载时,为了保证结构的稳定性,也常将埋置深度加大.
(３)工程地质和水文地质条件.不同的建筑场地,其土质情况也不相同,就是同一地点,当深度不同时土质也会有变化.一般情况下,基础应设置在坚实的土层上,而不要设置在淤泥等软弱土层上.当表面软弱土层较厚时,可采用深基础或人工地基.
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第二节 基础埋置深度及影响因素
一般基础宜埋置在地下水水位以上,以减少特殊的防水、排水措施,以及受化学污染的水对基础的侵蚀,这样有利于施工.当必须埋在地下水水位以下时,宜将基础埋置在最低地下水水位以下不小于２００mm 处,如图５-１７所示.
(４)地基土冻胀和融陷的影响.对于冻结深度浅于５００mm 的南方地区或当地基土为非冻胀土时,可不考虑土的冻结深度对基础埋深的影响.对于季节冰冻地区,如地基为冻胀土时,应使基础底面低于当地冻结深度.在寒冷地区,土层会因气温变化而产生冻融现象.土层冰冻的深度称为冰冻线,当基础埋置深度在土层冰冻线以上时,如果基础底面以下的土层冻胀,会对基础产生向上的顶力,严重的会使基础上抬起拱;
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第二节 基础埋置深度及影响因素
如果基础底面以下的土层解冻,顶力消失,使基础下沉.这样的过程会使建筑产生裂缝和破坏,因此,在寒冷地区基础埋置深度应在冰冻线以下２００mm 处,如图５-１８所示.采暖建筑的内墙基础埋置深度可以根据建筑的具体情况进行适当的调整.
(５)相临建筑物的基础埋置深度.当存在相邻建筑物时,一般新建建筑物基础的埋置深度不应大于原有建筑基础,以保证原有建筑的安全;当新建建筑物基础的埋置深度必须大于原有建筑基础的埋深时,为了不破坏原基础下的地基土,应与原基础保持一定的净距L,L 的数值应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况确定,一般取等于或大于两基础埋置深度差的２倍,如图５-１９所示.当上述要求不能满足时,应采取分段施工、设临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施,或加固原有建筑物的地基.
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第三节 地下室构造
地下室是指建筑物底层下面的房间.当建筑物较高,基础的埋置深度很大时,可利用这个深度设置地下室,这样,既可在有限的占地面积中争取更多的使用空间,提高建设用地的利用率,又不需要增加太多的投资.
一、地下室的组成及分类
１.地下室的组成
地下室属箱形基础的范围,一般由墙身、底板、顶板、门窗、楼梯等部分组成,如图５-２０所示.高层建筑的基础很深,利用这个深度建造一层或多层地下室,既可提高建设用地的利用率,又不需要增加太多投资,其适用于设备用房、库房以及战备防空等.
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第三节 地下室构造
２.地下室的分类
(１)按埋入地下深度分类.地下室按埋入地下深度的不同,可分为全地下室和半地下室.当地下室地面低于室外地坪的高度超过该地下室净高的１/２时为全地下室;当地下室地面低于室外地坪的高度超过该地下室净高的１/３,但不超过１/２时为半地下室.
(２)按使用功能分类.地下室按使用功能,可分为普通地下室和人防地下室.普通地下室一般用作设备用房、储藏用房、商场、餐厅、车库等;人防地下室主要用于战备防空,考虑和平年代的使用,人防地下室在功能上应能够满足平战结合的使用要求.
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第三节 地下室构造
二、地下室防水构造
地下室的墙身、底板都埋在地下,长期受到地潮或地下水的侵蚀,轻则引起室内墙面灰皮脱落,墙面发霉,影响人体健康;重则进水,不能使用.因此,为保证地下室不潮湿、不透水,必须对其外墙、底板采取相应的防水措施.
１.地下工程防水等级标准
根据 地下工程防水技术规范 (GB５０１０８—２００８)的规定,按围护结构允许渗漏水量,将地下防水工程等级划分为四级,见表５-１.
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第三节 地下室构造
２.地下室的防水构造的主要类别
(１)材料防水.材料防水是在外墙和底板表面敷设防水材料,借助材料的高效防水特性阻止水的渗入,常用卷材、涂料和防水砂浆等.
１)卷材防水.卷材防水能适应结构的微量变形和抵抗地下水的一般化学侵蚀,是一种传统防水做法.防水卷材一般是用高聚物改性沥青卷材和高分子卷材,并采用与卷材相适应的胶结材料胶合而成的防水层.高分子卷材具有质量轻、使用范围广、抗拉强度高、延伸率大、对基层伸缩或开裂的适应性强等特点,而且是冷作业,施工操作简便,但目前价格偏高,且不宜用于地下水含矿物油或有机溶液的地方.高聚物改性沥青卷材具有一定的抗拉强度和延伸性,价格较低,但应采用热熔法施工.
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第三节 地下室构造
按防水材料铺贴位置的不同,卷材防水可分为外包防水和内包防水两类.其是将防水材料贴在地下室外墙的外表面(即迎水面).防水卷材应铺设在结构主体底板垫层至墙体顶端的基面上,在外围形成封闭的防水层.
具体做法是先在外墙外侧抹厚度为２０mm的１∶３水泥砂浆找平层,涂刷基层处理剂,再在其上粘贴卷材,然后再在卷材外砌厚度为１２０mm的保护墙,最后在保护墙外０.５m范围内回填２∶８灰土或炉渣等隔水层,如图５-２１所示.
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第三节 地下室构造
铺贴卷材应先铺平面,后铺立面,交接处应交叉搭接.从底面折向立面的卷材与永久性保护墙的接触部位,应采用空铺法施工,如图５-２２所示.与临时性保护墙或围护机构模板接触的部位,应临时贴附在该墙上或模板上,卷材铺好后,其顶端应临时固定;阴阳角处应做成圆弧或４５°(１３５°)折角,其尺寸视卷材品质确定.在转角、阴阳角等特殊部位,应增贴１~２层相同的卷材,宽度不宜小于５００mm;临时保护墙应用石灰砂浆砌筑,内表面应用石灰砂浆做找平层,并刷石灰浆.如用模板代替临时保护墙,应在其上涂刷隔离剂.
内包防水是将防水卷材铺贴在地下室外墙内表面(即背水面)的内防水做法.这种做法的防水效果较差,但施工简便,便于修补,因此,常用于修缮工程或施工条件受限的工程.
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第三节 地下室构造
具体做法是在外墙内侧抹１∶３水泥砂浆找平层,然后铺贴卷材,最后再根据卷材特性采用软保护或铺抹厚度为２０mm 的１∶３水泥砂浆.铺贴卷材时应先铺立面,再铺平面.铺贴立面时应先铺转角,然后铺大面.
对地下室地坪的防水处理,是在土层上先浇筑混凝土垫层作底板,板厚约１００mm.然后在垫层上铺贴防水卷材,再在其上抹一层厚度不小于５０mm 的细石混凝土保护层.
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第三节 地下室构造
２)涂料防水.涂料防水是指在施工现场以刷涂、刮涂、滚涂等方法,将无定型液态冷涂料在常温下涂敷于地下室结构表面的一种防水做法.涂料防水层包括无机防水涂料和有机防水涂料.无机防水涂料可选用水泥基防水涂料、水泥基渗透结晶型涂料;有机防水涂料可选用反应型、水乳型、聚合物水泥防水涂料.无机防水涂料宜用于结构主体的背水面;有机防水涂料宜用于结构主体的迎水面.
防水涂料可采用外防外涂和外防内涂两种做法,如图５-２３所示.水泥基防水涂料的厚度宜为１.５~２.０mm;水泥基渗透结晶型防水涂料的厚度不应小于０.８mm;有机防水涂料根据材料的性能,厚度宜为１.２~２.０mm,并应在阴阳角及底板增加一层胎体增强材料,同时增涂２~４遍防水涂料.
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第三节 地下室构造
有机防水涂料施工完毕后应及时做好保护层,底板、顶板应采用厚度为２０mm的１∶２.５的水泥砂浆层和厚度为４０~５０mm 的细石混凝土保护,顶板防水层与保护层之间宜设置隔离层;外墙背水面应采用厚度为２０mm 的１∶２.５的水泥砂浆层保护,迎水面宜选用软保护或厚度为２０mm 的１∶２.５的水泥砂浆层保护.
(２)混凝土构件自防水.当地下室的墙体和地坪均为钢筋混凝土结构时,可通过增加混凝土的密实度或在混凝土中添加防水剂、加气剂等方法,来提高混凝土的抗渗性能,这种防水做法称为混凝土构件自防水.其具体构造如图５-２４所示.
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第三节 地下室构造
当地下室采用构件自防水时,外墙板的厚度不得小于２００mm,底板的厚度不得小于１５０mm,以保证刚度和抗渗效果.为防止地下水对钢筋混凝土结构的侵蚀,在墙的外侧应先用水泥砂浆找平,然后刷热沥青隔离.
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图５-１ 刚性基础
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图５-２ 砖基础
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图５-３ 石基础构造
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图５-４ 混凝土基础
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图５-５ 钢筋混凝土基础
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图５-６ 墙下钢筋混凝土条形基础
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图５-７ 柱下条形基础
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图５-１１ 筏形基础
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图５-１２ 箱形基础
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图５-１３ 桩基础示意
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图５-１４ 桩基础的组成
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图５-１５ 几种形式的基础
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图５-１６ 基础的埋置深度
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图５-１７ 基础埋置深度和地下水水位的关系
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图５-１８基础埋置深度和冰冻线的关系
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图５-１９ 基础埋深与相邻基础的关系
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图５-２０ 地下室的构造组成
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表５-１ 地下防水工程等级
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图５-２１ 地下室卷材外防水做法
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图５-２２ 卷材防水层甩槎、接槎构造
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图５-２３ 涂料防水的做法
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图５-２４地下室混凝土构件自防水构造
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