3.2　地基

場地及地基在地震時起著傳播地震波和支撐上部結構的雙重作用，對建筑物的抗震性能具有重要影響。

一般來說，在軟弱的地基上，震害情況是柔性結構破壞較重，剛性結構破壞較輕；既有結構破壞，也有地基破壞。在堅硬的地基上，震害情況是柔性結構破壞較輕，而剛性結構表現不一；結構可能破壞，但地基很少破壞。

3.2.1　地基和岸坡的抗震設計

現行水工抗震設計規范對地基和岸坡的抗震設計沒有詳細的規定，只給出了一些原則性的要求。

水工建筑物地基的抗震設計，應綜合考慮上部建筑物的型式、荷載、水力和運行條件，以及地基和岸坡的工程地質、水文地質條件。對于壩、閘等壅水建筑物的地基和岸坡，在設計地震作用下，除要求不發生失穩破壞和滲透破壞，避免產生影響建筑物使用的有害變形外，還要求地基和岸坡不發生地裂、位錯、地陷、崩塌等破壞現象，必要時應采取抗震措施。

地基的抗震設計驗算一般包括以下3個方面：

（1）地基土的抗震承載力驗算。地基土的抗震承載力一般在靜態設計承載力基礎上進行調整。調整的出發點是：地震是一個偶然事件，在地震作用下結構的可靠度允許有一定的降低；多數土在有限次的動載下，強度較靜載下稍高。天然地基基礎抗震驗算時，應采用地震作用效應的標準組合，有時需要考慮豎向地震的作用。

現行國家標準GB　50011—2010《建筑抗震設計規范》給出了地基土的抗震承載力faE計算式：

式中：ζa為調整系數，見表3.2.1；fa為經深、寬修正后地基土的靜態承載力特征值，按現行國家標準GB　50007—2002《建筑地基基礎設計規范》采用。

驗算天然地基在地震作用下的豎向承載力時，基礎底面平均壓力p和邊緣最大壓力pmax應符合下列兩式要求：

對于具體的水工建筑物，基礎地基應力的要求應符合相應的設計規范。例如對于水電站廠房，NB/T　35011—2013《水電站廠房設計規范》明確規定了巖基和非巖基上廠房基礎面的地基應力要求。對于巖基上的河床式廠房，地震情況允許出現不大于100kPa的拉應力，其他情況不應出現拉應力；對于壩后式及岸邊式廠房，地震情況下當出現大于200kPa的拉應力時，應進行專門的論證。對于非巖基上的廠房，規定在地震情況下除應滿足式（3.2.2）和式（3.2.3）外，基礎底面不宜出現拉應力。

（2）地基的抗滑穩定驗算。水工建筑物的地基和岸坡中的斷裂、破碎帶及層間錯動等軟弱結構面，特別是緩傾角夾泥層和可能發生泥化的巖層，應根據其產狀、埋藏深度、邊界條件、滲流情況物理力學性質以及建筑物的設計加速度，論證（采用剛體極限平衡法、滑弧法、滑動楔體法或其他方法）其在設計地震作用下不會發生滑動失穩，必要時應采取抗震措施。對于巖基，一般采用抗剪斷強度公式驗算抗滑穩定，滑動面上的抗剪斷參數包括黏聚力和摩擦系數；對于非巖基，一般采用抗剪強度公式驗算抗滑穩定，滑動面上的抗剪參數僅包括摩擦系數。

（3）地基的變形計算。非巖基地基變形計算應包括沉降量、沉降差和傾斜方面的計算。

水利工程中，滲透變形常引起大壩等水工建筑物的破壞。例如1963年，意大利瓦伊昂大壩，在水庫蓄水后上游山體因滲流引起了2.7億m3的深部滑坡體，激起150m高的巨浪越過大壩，造成2000余人死亡。1976年，美國Teton土質肥心墻壩因滲流導致潰壩。

滲透變形的表現形式有很多種，比如流土、管涌、接觸流土和接觸沖刷等。對于單一土層來說，主要是流土和管涌。水工建筑物地基和岸坡的防滲結構及其連接部位以及排水反濾結構等，應采取措施防止地震時產生危害性裂縫引起滲流量增大，或發生管涌、流土等險情。

巖土性質及厚度等在水平方向變化大的不均勻地基，應采取措施防止地震時產生較大的不均勻沉降、滑移和集中滲漏，并采取提高上部建筑物適應地基不均勻沉陷能力的措施。

3.2.2　地基土層液化及處理措施

飽和砂土的振動液化是地震災害中最常見的現象之一，如圖2.1.4、圖2.1.5和圖2.2.2所示。

處于地下水位以下的飽和砂土和粉土的土顆粒結構受到地震作用時將趨于密實，使孔隙水壓力急劇上升，而在地震作用的短暫時間內，孔隙水來不及排出，使原有土顆粒通過接觸點傳遞的壓力減小，當有效壓力完全消失時，土顆粒處于懸浮狀態之中。這時，土體完全失去抗剪強度而顯示出近于液體的特性，這種現象稱為液化。液化的宏觀標志是在地表出現噴水冒砂。

土壤的液化可從強度方面進行解釋。根據有效應力原理，土的抗剪強度τf為

式中：σ為總應力；p為孔隙水應力；σ-p稱為有效應力，為土顆粒組成的骨架所承擔的應力，是粒間壓應力；φ為土的內摩擦角；c為土的黏聚力，對于砂土，其黏聚力c≈0。

在強烈地震時，孔隙水壓力p增長很快而消散不了，可能發展至p≈σ而致使抗剪強度τf≈0。這時，土顆粒完全懸浮于水中而處于流動狀態，這就是完全液化。地震不太強烈，孔隙水壓力升高而使土體喪失部分強度的現象，稱為部分液化。

（1）地基中液化土層的判別。地震時飽和無黏性土和少黏性土的液化破壞，應根據土層的地質年代、顆粒組成、松密程度、地震前和震時的受力狀態、埋置深度和排水條件以及地震歷時等因素，結合現場勘察和室內試驗綜合分析判定。

土的液化判定工作可分初判和復判兩個階段。初判應排除不會發生液化的土層。對初判可能發生液化的土層，應進行復判。對于水工建筑物，具體可按GB　50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中的有關規定進行液化判別（詳見附錄D）。該規范主要適用于設計烈度6、7、8、9度的1、2、3級水工建筑物的抗震設計，對9度以上的情況未予考慮。

一般來說，震級越大，影響范圍越廣，強烈震動持續時間越長，越容易引起地基土的液化；地基土的地質年代越老舊、黏粒含量越高、工程運用時的地下水位越深、剪切波速越高、相對密實度越大、標準貫入錘擊數越小，土就越不易液化。

（2）液化土層的處理。地基中的可液化土層，應查明分布范圍，分析其危害程度，根據工程實際情況，選擇合理工程措施。具體工程措施很多，從本質上講可以歸納為以下幾方面：改變地基土的性質，使其不具備發生液化的條件；加密可液化土的密實度，改變其應力狀態；改善排水條件，限制地震中土體孔隙水壓力的產生和發展，避免液化或減輕液化程度；圍封可液化地基，消除或減輕液化破壞的危害性。

地基中的可液化土層，可根據工程的類型和具體情況，選擇采用以下抗震措施：

1）挖除可液化土層并用非液化土置換。

2）振沖加密、重夯擊實等人工加密的方法。

3）填土壓重。

4）樁體穿過可液化土層進入非液化土層的樁基。

5）混凝土連續墻或其他方法圍封可液化地基。

上述所列的方法是較常用的方法。若液化土層埋深淺，工程量小，可采用挖除換土的方法，該方法造價低、施工快、質量高，處理后砂層的相對密度可達到0.8以上。重夯擊實法也多有采用，加密深度可達10m以上。填土壓重常用于土石壩上、下游地基。圍封液化土層和樁基主要用于水閘、排灌站等水工建筑物。

【例3.4】　地基液化的判別

某工程埋置深度d＝4.8m，巖土工程勘察鉆孔深度為15m，了解地層為第四紀全新世沖積層及新近沉積層，自上至下為5層：第①層為粉細砂，稍濕-飽和，松散，層厚h1＝3.5m；第②層為細砂，飽和，松散，層厚h2＝3.70m；第③層為中粗砂，稍密-中密，層厚h3＝3.10m；第④層為粉質黏土，可塑-硬塑狀態，層厚h4＝3.2m；第⑤層為粉土，硬塑狀態。地下水位埋深2.80m，水平地震動峰值加速度為0.2g。在現場進行標準貫入試驗，錘擊數N見例表3.2.1。根據此勘察結果，要求判別此地基砂土是否會液化。

解：（1）初步判別：

1）從地質年代判別：當地層為第四紀全新世沖積層及新近沉積層，在第四紀晚更新世之后，因此不能判別為不液化土。

2）場地地表土層為粉細砂，地下水位埋深為2.80m，上覆非液化土層即為2.80m。根據液化土特征深度，無法判別為不液化土，所以需要進一步復判。

（2）標準貫入試驗判別法：

標準貫入試驗（Standard Penetration Test，簡稱為SPT）設備，由穿心錘（標準重量63.5kg）、觸探桿、貫入器組成（例圖3.2.1）。試驗時，先用鉆具鉆至試驗土層標高以上15cm處，再將貫入器打到試驗土層標高位置。然后用穿心錘，在錘的落距為76cm條件下，連續擊打深入土層30cm，記錄所得的錘擊數為N63.5，稱為標準貫入錘擊數。用N63.5與規范規定的臨界值Ncr比較來確定土層是否會液化。

1）試驗1點：深度2.15～2.45m，位于地下水位dw＝2.80m以上，因此不會液化。

2）試驗2點：深度3.15～3.45m，位于地下水位以下，需要判別。按附錄式（D.7）計算標準貫入錘擊數臨界值Ncr。據地震動峰值加速度0.20g，按近震考慮，查附錄表D.1，得N0＝10。根據附錄式（D.7），有

而試驗2點的標準貫入錘擊數實測值N＝2，小于Ncr2＝9.5，可判為液化土。

3）同理，可得其余各試驗點的數據。

試驗3點：Ncr3＝10.5＞N＝2，為液化土。

試驗4點：Ncr4＝12.0＞N＝4，為液化土。

試驗5點：Ncr5＝13.0＞N＝8，為液化土。

試驗6點：Ncr6＝14.0＞N＝13，為液化土。

試驗7點：Ncr7＝15.0＜N＝18，為不液化土。

3.2.3　地基中軟弱土層評價及處理措施

（1）軟土層的評價。水工建筑物地基震害實例表明，淤泥、淤泥質土和軟黏土等在地震時容易發生滑動和變形。重要工程地基中的軟弱黏土層，應進行專門的抗震試驗研究和分析。一般情況下，地基中的土層只要滿足以下任一指標，即可判定為軟弱黏土層。

1）液性指數IL≥0.75。液性指數與土的類別及含水量有關，同一種土，含水量越大則液性指數越大，土質越軟。

2）無側限抗壓強度qu≤50kPa。土的無側限抗壓強度簡稱無側限強度（qu），是指土在無側限條件下，抵抗軸向壓力的極限強度，其值等于土破壞時的垂直極限壓力，一般用無側限壓力儀來測定。

3）標準貫入錘擊數N≤4。

4）靈敏度St≥4。土的靈敏度是指原狀土的強度與同一土經重塑（含水量不變，土的結構被徹底破壞）后的強度之比。

滿足以上條件之一的土，可認為屬于軟弱黏土層。

（2）軟土層的處理措施。地基中的軟弱黏土層，可根據建筑物的類型和具體情況，選擇采用以下抗震措施：

1）挖除或置換地基中的軟弱黏土。

2）預壓加固。

3）壓重和砂井排水。

4）樁基或復合地基。

若軟弱黏土層的深度淺、工程量小，可采用挖除或置換的方法。對土壩地基中的軟弱黏土層可采用砂井排水，放緩壩坡，加上、下游壓重。對閘基中的軟弱黏土，可采用預壓、固結、樁基或復合地基。在軟弱黏土地基上不宜修建混凝土壩、砌石壩和堆石壩。