3.2　地基

场地及地基在地震时起着传播地震波和支撑上部结构的双重作用，对建筑物的抗震性能具有重要影响。

一般来说，在软弱的地基上，震害情况是柔性结构破坏较重，刚性结构破坏较轻；既有结构破坏，也有地基破坏。在坚硬的地基上，震害情况是柔性结构破坏较轻，而刚性结构表现不一；结构可能破坏，但地基很少破坏。

3.2.1　地基和岸坡的抗震设计

现行水工抗震设计规范对地基和岸坡的抗震设计没有详细的规定，只给出了一些原则性的要求。

水工建筑物地基的抗震设计，应综合考虑上部建筑物的型式、荷载、水力和运行条件，以及地基和岸坡的工程地质、水文地质条件。对于坝、闸等壅水建筑物的地基和岸坡，在设计地震作用下，除要求不发生失稳破坏和渗透破坏，避免产生影响建筑物使用的有害变形外，还要求地基和岸坡不发生地裂、位错、地陷、崩塌等破坏现象，必要时应采取抗震措施。

地基的抗震设计验算一般包括以下3个方面：

（1）地基土的抗震承载力验算。地基土的抗震承载力一般在静态设计承载力基础上进行调整。调整的出发点是：地震是一个偶然事件，在地震作用下结构的可靠度允许有一定的降低；多数土在有限次的动载下，强度较静载下稍高。天然地基基础抗震验算时，应采用地震作用效应的标准组合，有时需要考虑竖向地震的作用。

现行国家标准GB　50011—2010《建筑抗震设计规范》给出了地基土的抗震承载力faE计算式：

式中：ζa为调整系数，见表3.2.1；fa为经深、宽修正后地基土的静态承载力特征值，按现行国家标准GB　50007—2002《建筑地基基础设计规范》采用。

验算天然地基在地震作用下的竖向承载力时，基础底面平均压力p和边缘最大压力pmax应符合下列两式要求：

对于具体的水工建筑物，基础地基应力的要求应符合相应的设计规范。例如对于水电站厂房，NB/T　35011—2013《水电站厂房设计规范》明确规定了岩基和非岩基上厂房基础面的地基应力要求。对于岩基上的河床式厂房，地震情况允许出现不大于100kPa的拉应力，其他情况不应出现拉应力；对于坝后式及岸边式厂房，地震情况下当出现大于200kPa的拉应力时，应进行专门的论证。对于非岩基上的厂房，规定在地震情况下除应满足式（3.2.2）和式（3.2.3）外，基础底面不宜出现拉应力。

（2）地基的抗滑稳定验算。水工建筑物的地基和岸坡中的断裂、破碎带及层间错动等软弱结构面，特别是缓倾角夹泥层和可能发生泥化的岩层，应根据其产状、埋藏深度、边界条件、渗流情况物理力学性质以及建筑物的设计加速度，论证（采用刚体极限平衡法、滑弧法、滑动楔体法或其他方法）其在设计地震作用下不会发生滑动失稳，必要时应采取抗震措施。对于岩基，一般采用抗剪断强度公式验算抗滑稳定，滑动面上的抗剪断参数包括黏聚力和摩擦系数；对于非岩基，一般采用抗剪强度公式验算抗滑稳定，滑动面上的抗剪参数仅包括摩擦系数。

（3）地基的变形计算。非岩基地基变形计算应包括沉降量、沉降差和倾斜方面的计算。

水利工程中，渗透变形常引起大坝等水工建筑物的破坏。例如1963年，意大利瓦伊昂大坝，在水库蓄水后上游山体因渗流引起了2.7亿m3的深部滑坡体，激起150m高的巨浪越过大坝，造成2000余人死亡。1976年，美国Teton土质肥心墙坝因渗流导致溃坝。

渗透变形的表现形式有很多种，比如流土、管涌、接触流土和接触冲刷等。对于单一土层来说，主要是流土和管涌。水工建筑物地基和岸坡的防渗结构及其连接部位以及排水反滤结构等，应采取措施防止地震时产生危害性裂缝引起渗流量增大，或发生管涌、流土等险情。

岩土性质及厚度等在水平方向变化大的不均匀地基，应采取措施防止地震时产生较大的不均匀沉降、滑移和集中渗漏，并采取提高上部建筑物适应地基不均匀沉陷能力的措施。

3.2.2　地基土层液化及处理措施

饱和砂土的振动液化是地震灾害中最常见的现象之一，如图2.1.4、图2.1.5和图2.2.2所示。

处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使孔隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，孔隙水来不及排出，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性，这种现象称为液化。液化的宏观标志是在地表出现喷水冒砂。

土壤的液化可从强度方面进行解释。根据有效应力原理，土的抗剪强度τf为

式中：σ为总应力；p为孔隙水应力；σ-p称为有效应力，为土颗粒组成的骨架所承担的应力，是粒间压应力；φ为土的内摩擦角；c为土的黏聚力，对于砂土，其黏聚力c≈0。

在强烈地震时，孔隙水压力p增长很快而消散不了，可能发展至p≈σ而致使抗剪强度τf≈0。这时，土颗粒完全悬浮于水中而处于流动状态，这就是完全液化。地震不太强烈，孔隙水压力升高而使土体丧失部分强度的现象，称为部分液化。

（1）地基中液化土层的判别。地震时饱和无黏性土和少黏性土的液化破坏，应根据土层的地质年代、颗粒组成、松密程度、地震前和震时的受力状态、埋置深度和排水条件以及地震历时等因素，结合现场勘察和室内试验综合分析判定。

土的液化判定工作可分初判和复判两个阶段。初判应排除不会发生液化的土层。对初判可能发生液化的土层，应进行复判。对于水工建筑物，具体可按GB　50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中的有关规定进行液化判别（详见附录D）。该规范主要适用于设计烈度6、7、8、9度的1、2、3级水工建筑物的抗震设计，对9度以上的情况未予考虑。

一般来说，震级越大，影响范围越广，强烈震动持续时间越长，越容易引起地基土的液化；地基土的地质年代越老旧、黏粒含量越高、工程运用时的地下水位越深、剪切波速越高、相对密实度越大、标准贯入锤击数越小，土就越不易液化。

（2）液化土层的处理。地基中的可液化土层，应查明分布范围，分析其危害程度，根据工程实际情况，选择合理工程措施。具体工程措施很多，从本质上讲可以归纳为以下几方面：改变地基土的性质，使其不具备发生液化的条件；加密可液化土的密实度，改变其应力状态；改善排水条件，限制地震中土体孔隙水压力的产生和发展，避免液化或减轻液化程度；围封可液化地基，消除或减轻液化破坏的危害性。

地基中的可液化土层，可根据工程的类型和具体情况，选择采用以下抗震措施：

1）挖除可液化土层并用非液化土置换。

2）振冲加密、重夯击实等人工加密的方法。

3）填土压重。

4）桩体穿过可液化土层进入非液化土层的桩基。

5）混凝土连续墙或其他方法围封可液化地基。

上述所列的方法是较常用的方法。若液化土层埋深浅，工程量小，可采用挖除换土的方法，该方法造价低、施工快、质量高，处理后砂层的相对密度可达到0.8以上。重夯击实法也多有采用，加密深度可达10m以上。填土压重常用于土石坝上、下游地基。围封液化土层和桩基主要用于水闸、排灌站等水工建筑物。

【例3.4】　地基液化的判别

某工程埋置深度d＝4.8m，岩土工程勘察钻孔深度为15m，了解地层为第四纪全新世冲积层及新近沉积层，自上至下为5层：第①层为粉细砂，稍湿-饱和，松散，层厚h1＝3.5m；第②层为细砂，饱和，松散，层厚h2＝3.70m；第③层为中粗砂，稍密-中密，层厚h3＝3.10m；第④层为粉质黏土，可塑-硬塑状态，层厚h4＝3.2m；第⑤层为粉土，硬塑状态。地下水位埋深2.80m，水平地震动峰值加速度为0.2g。在现场进行标准贯入试验，锤击数N见例表3.2.1。根据此勘察结果，要求判别此地基砂土是否会液化。

解：（1）初步判别：

1）从地质年代判别：当地层为第四纪全新世冲积层及新近沉积层，在第四纪晚更新世之后，因此不能判别为不液化土。

2）场地地表土层为粉细砂，地下水位埋深为2.80m，上覆非液化土层即为2.80m。根据液化土特征深度，无法判别为不液化土，所以需要进一步复判。

（2）标准贯入试验判别法：

标准贯入试验（Standard Penetration Test，简称为SPT）设备，由穿心锤（标准重量63.5kg）、触探杆、贯入器组成（例图3.2.1）。试验时，先用钻具钻至试验土层标高以上15cm处，再将贯入器打到试验土层标高位置。然后用穿心锤，在锤的落距为76cm条件下，连续击打深入土层30cm，记录所得的锤击数为N63.5，称为标准贯入锤击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定土层是否会液化。

1）试验1点：深度2.15～2.45m，位于地下水位dw＝2.80m以上，因此不会液化。

2）试验2点：深度3.15～3.45m，位于地下水位以下，需要判别。按附录式（D.7）计算标准贯入锤击数临界值Ncr。据地震动峰值加速度0.20g，按近震考虑，查附录表D.1，得N0＝10。根据附录式（D.7），有

而试验2点的标准贯入锤击数实测值N＝2，小于Ncr2＝9.5，可判为液化土。

3）同理，可得其余各试验点的数据。

试验3点：Ncr3＝10.5＞N＝2，为液化土。

试验4点：Ncr4＝12.0＞N＝4，为液化土。

试验5点：Ncr5＝13.0＞N＝8，为液化土。

试验6点：Ncr6＝14.0＞N＝13，为液化土。

试验7点：Ncr7＝15.0＜N＝18，为不液化土。

3.2.3　地基中软弱土层评价及处理措施

（1）软土层的评价。水工建筑物地基震害实例表明，淤泥、淤泥质土和软黏土等在地震时容易发生滑动和变形。重要工程地基中的软弱黏土层，应进行专门的抗震试验研究和分析。一般情况下，地基中的土层只要满足以下任一指标，即可判定为软弱黏土层。

1）液性指数IL≥0.75。液性指数与土的类别及含水量有关，同一种土，含水量越大则液性指数越大，土质越软。

2）无侧限抗压强度qu≤50kPa。土的无侧限抗压强度简称无侧限强度（qu），是指土在无侧限条件下，抵抗轴向压力的极限强度，其值等于土破坏时的垂直极限压力，一般用无侧限压力仪来测定。

3）标准贯入锤击数N≤4。

4）灵敏度St≥4。土的灵敏度是指原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土的结构被彻底破坏）后的强度之比。

满足以上条件之一的土，可认为属于软弱黏土层。

（2）软土层的处理措施。地基中的软弱黏土层，可根据建筑物的类型和具体情况，选择采用以下抗震措施：

1）挖除或置换地基中的软弱黏土。

2）预压加固。

3）压重和砂井排水。

4）桩基或复合地基。

若软弱黏土层的深度浅、工程量小，可采用挖除或置换的方法。对土坝地基中的软弱黏土层可采用砂井排水，放缓坝坡，加上、下游压重。对闸基中的软弱黏土，可采用预压、固结、桩基或复合地基。在软弱黏土地基上不宜修建混凝土坝、砌石坝和堆石坝。