7.4 地基计算及处理

条文说明

7.4.1 建筑物的地基计算应包括地基的承载能力计算，地基的整体稳定计算和地基的沉降变形计算等，其计算结果是判断地基要不要处理和如何处理的重要依据。如果计算结果不能满足要求而地基又不做处理，就会影响建筑物的安全或正常使用。因此，本标准规定泵房选用的地基应满足承载能力、稳定和变形的要求。
7.4.2 标准贯入击数小于4击的黏性土地基和标准贯入击数小于或等于8击的砂性土地基均为松软地基，其抗剪强度均较低，地基允许承载力均在80kPa以下，而泵房结构作用于地基上的平均压应力一般均在150kPa～200kPa，少则80kPa～100kPa，多则200kPa以上，特别是标准贯入击数小于4击的黏性土地基，含水量大，压缩性高，透水性差，往往会产生相当大的地基沉降和沉降差，对安装精度要求严格的水泵机组来说，更是不能允许的。因此，本标准规定，标准贯入击数小于4击的黏性土地基（如软弱黏性土地基、淤泥质土地基、淤泥地基等）和标准贯入击数小于或等于8击的砂性土地基（如疏松的粉砂、细砂地基或疏松的砂壤土地基等），均不得作为天然地基，应进行妥善处理。
7.4.3 水工建筑物不宜建造在半岩半土或半硬半软的地基上，这是一条基本准则。在具体执行过程中，对于半岩半土地基，设计人员都能很好地应对；但是对于半硬半软的情况，处理上还是有一定的偏差。例如，对于原状地基中发现持力层有软硬不均的现象时进行适当处理，一般都能做到。但是，诸如上下游翼墙处由于基坑开挖造成回填的现象，往往没有引起重视，其结果是局部建筑物倾斜或沉降不均，甚至发生事故。为此，本标准强调：当无法避开时，应采取可靠的工程措施。
7.4.4 现行行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG3363规定，土基上一般桥梁基础底面埋置在局部冲刷线以下的安全值，一般为1.5m～3.5m；特大桥为2.0m～4.0m；如河床上有铺砌层时，基础底面宜设置在铺砌层顶面以下不小于1m。土基上泵房和取水建筑物由于受水流作用的影响，也可能在基础底部产生局部冲刷，从而影响建筑物的安全，但比公路桥涵基础底部可能产生的局部冲刷深度毕竟要小得多，因此本标准规定土基上泵房和取水建筑物的基础埋置深度，宜在最大冲刷深度以下0.5m，采取防护措施后可适当提高。
    位于季节性冻土地区土基上的泵房和取水建筑物，由于土的冻胀力作用，可能引起基础上抬，甚至产生开裂破坏。因此，本标准规定，位于季节性冻土地区土基上的泵房和取水建筑物，其基础埋置深度应大于该地区最大冻土深度，即应将基础底面埋置在该地区最大冻土深度以下的不冻胀土层中。现行行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG3363规定，当上部为超静定结构的桥涵基础，其地基为冻胀土层时，应将基础底面埋入冻结线以下不小于0.25m。这一规定可供泵房和取水建筑物设计时参考使用。
7.4.6 由于软弱夹层抗剪强度低，往往对地基的整体稳定起控制作用，因此当泵房地基持力层内存在软弱夹层时，应对软弱夹层的允许承载力进行核算。计算软弱夹层顶面处的附加应力时，可将泵房基础底面应力简化为竖向均布、竖向三角形分布和水平向均布等情况，按条形或矩形基础计算确定。条形或矩形基础底面应力为竖向均布、竖向三角形分布和水平向均布等情况的附加应力计算公式可查有关土力学、地基与基础方面的设计手册。
7.4.7 作用于泵房基础的振动荷载，必将降低泵房地基允许承载力，这种影响可用振动折减系数反映。根据现行国家标准《动力机器基础设计标准》GB50040的规定，对于汽轮机组和电机基础，振动折减系数可采用0.8；对于其他机器基础，振动折减系数可采用1.0。有关动力机器基础的设计手册推荐，对于高转速动力机器基础，振动折减系数可采用0.8；对于低转速动力机器基础，振动折减系数可采用1.0。考虑水泵机组基础在动力荷载作用下的振动特性，本标准规定振动折减系数可按0.8～1.0选用。高扬程机组的基础可采用小值，低扬程机组的块基型整体式基础可采用大值。
7.4.8 泵站地基沉降计算，可根据土质条件和工程设计需要，选择有代表性的计算点。例如，在中联段和边联段的底板上，选择有代表性的断面2个～3个，每个断面选3个～5个计算点（至少选3个计算点，包括两端点和中心点）。根据各计算点的沉降计算成果，可绘制每个断面的沉降曲线，例如，图1中的曲线abc，然后考虑结构刚性的影响进行适当调整。调整的方法是：连接ac，做平行于ac的直线de与曲线abc相交，并使面积adec等于面积abc，则de即为该断面经调整后的沉降线，从而可求得各计算点的沉降量。每块底板上的各计算点沉降量的平均值，即为每块底板的沉降量。
    岸墙、翼墙底板的沉降计算选点和计算成果调整方法同上所述。     我国水利工程界地基沉降计算，多采用分层总和法，即公式（7.4.8）。严格地说，该式只有在地基土层无侧向膨胀的条件下才是合理的，而这只有在承受无限连续均布荷载的作用下才有可能。实际上地基土层受到某种分布形式的荷载作用后，总是要产生或多或少的侧向变形，但因采用分层总和法计算方法比较简单，工作量相对比较小，计算成果一般与实际沉降量比较接近，因此实际工程中可使用这种计算方法。应该说，无论采用何种计算方法计算地基沉降都是近似的，因为目前各种计算方法在理论上都有一定的局限性，加之地基勘探试验资料的取得，无论是在现场，还是在室内，都难以准确地反映地基的实际情况，因此要想非常准确地计算地基沉降量是很困难的。
    对于公式（7.4.8），根据工程实际情况，往往是软土地基上计算沉降量偏小，对此，参照国家现行有关标准的规定，推荐采用地基沉降量修正系数m。m的取值范围为1.0～1.6，坚实地基取小值，软土地基取大值。
    对于地基压缩层的计算深度，可按计算层面处土的附加应力与自重应力之比等于0.1～0.2（软土地基取小值，坚实地基取大值）的条件确定。这种控制应力分布比例的方法，对于底面积较大的泵房基础，应力往下传递比较深广的实际情况是适宜的，经过水利工程实际使用证明，这种方法能够满足工程要求。
    对于一般土质地基，当基底压力小于或接近于站基未开挖前作用于该基底面上土的自重压力时，土的压缩曲线宜采用e-p回弹再压缩曲线，这是因为站基通常开挖较深，其基底压力往往小于或接近于站基未开挖前作用于该基底面上土的自重压力，该基底面土体略有回弹现象，采用e-p回弹再压缩曲线，可使计算结果比较符合实际情况。但对于软土地基上的泵站工程，则不宜采用e-p回弹再压缩曲线作为地基沉降量计算的依据，因为软土在其自重压力作用下一般并未得到相应的固结，因此宜采用e-p压缩曲线。
    相邻荷载对基础的沉降影响明显，尤其是基础前后两侧的边载为不对称时，更可造成基础的不均匀沉降。
7.4.9 本条规定是指在一般条件下可不进行地基沉降计算的情况。
7.4.10 泵房地基允许沉降量和沉降差的确定，是一个比较复杂的问题。现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007规定建筑物的地基变形允许值可根据地基土类别，上部结构的变形特征以及上部结构对地基变形的适应能力和使用要求等确定。如单层排架结构（柱距为6m）柱基的允许沉降量，当地基土为中低压缩性土时为120mm，当地基土为高压缩性土时为200mm；建筑物高度为100m以下的高耸结构基础允许沉降量为400mm。框架结构相邻柱基础的允许沉降差，当地基土为中低压缩性土时为L的0.2%（L为相邻柱基础的中心距，mm），当地基土为高压缩性土时为L的0.3%；当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构，其相邻柱基础的沉降差，不论地基土的压缩性如何，均为L的0.5%。现行行业标准《水闸设计规范》SL265对地基允许沉降量和沉降差做了具体规定，由于水闸基础尺寸和刚度比较大，对地基沉降的适应性比较强，因此在不危及水闸结构安全和不影响水闸正常使用的条件下，一般水闸基础的最大沉降量达到100mm～150mm和最大沉降差达到30mm～50mm是允许的。对有防水要求的泵房，过大的沉降差将导致防水失效，危及建筑物安全。现行国家标准《地下工程防水技术规范》GB50108规定用于沉降的变形缝其最大允许沉降差不应大于30mm。
    原标准未对泵站允许沉降量和沉降差做出规定，事实上，在实际泵站设计中，泵站允许沉降量和沉降差基本都按照现行行业标准《水闸设计规范》SL265中规定的数值执行，表6、表7为近年来在江苏、上海、浙江已竣工完成的泵站实测沉降量和沉降差。     以上实测资料说明，在不危及泵房的结构安全、不影响正常使用的条件下，一般认为最大沉降量达100mm～150mm是允许的，泵房各角点最大沉降差、泵房与相邻建筑物之间最大沉降差达30mm～50mm是允许的。沉降量过大，往往会引起较大的沉降差，特别是边跨，在边荷载的作用下，沉降量和沉降差会更大，因此，应做好永久缝（包括沉降缝和伸缩缝）的止水措施。应控制好泵房的最大沉降量和沉降差。对于泵房各角点之间的沉降差参考了现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的规定。因此，本标准规定天然地基上的泵站地基最大沉降量不宜超过150mm；泵房与相邻建筑物之间最大沉降差不宜超过50mm；泵段各角点之间最大沉降差不超过50mm，同时不超过泵段底板短边长度的0.2%～0.3%（地基土为中低压缩性土时取0.2%，高压缩性土取0.3%）。特别要注意的是，在永久缝中所采用的止水结构，要能满足在发生相应沉降差时仍能保证止水完好的要求。
7.4.12 水工建筑物的地基处理方法很多，随着科学技术的不断发展，新的地基处理方法不断出现。任何一种地基处理方法都有其适用范围和局限性，因此对每一个具体工程要进行具体分析，综合考虑地基土质、泵房结构特点、施工条件和运行要求等因素，初步选出几种可供采用的地基处理方案或多种地基处理综合措施，经技术经济比较确定合适的地基处理方案。必要时应在施工前通过现场试验确定其适用性和处理效果。
7.4.13 在岩石地基上修建泵房，均不难满足地基的承载能力、稳定和变形要求，因此只需对岩石地基进行常规性处理，如清除表层松动、破碎岩块，对夹泥裂隙和断层破碎带进行适当处理等。本条所列岩基处理设计规定均属常规性的，具体设计时还应结合泵站结构的运用特点、工程的重要性、地质条件、施工条件等，做出必要的补充，并经技术经济比较后合理确定。
    喀斯特地基即可溶性岩石地基，主要是指石灰岩地基或白云岩地基，这种地基在我国分布较广，在云南、贵州、广西、四川及广东北部、湖南北部、浙江西部、江苏南部等地均有分布，其中以云贵高原最为集中。由于水对可溶性岩石的长期溶蚀作用，岩石表面溶沟、溶槽遍布，石芽、石林耸立，岩体中常有奇特洞穴和暗沟，以及连接地表和地下的通道，这种现象称为“喀斯特”现象。鉴于其复杂性，自然界中很难找到各种条件都完全相同的喀斯特形态，加之修建在喀斯特地基的建筑物也是各不相同的，因此应根据喀斯特地基对建筑物的危害程度，进行专门处理。
7.4.15 在我国黄河流域及北方地区，广泛分布着黄土和黄土状土，特别是黄河中游的黄土高原区，是我国黄土分布的中心地带。黄土（典型黄土）湿陷性大且厚度较大；黄土状土（次生黄土）由典型黄土再次搬运而成，其湿陷性一般不大且厚度较小。黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土的结构迅速破坏而产生显著附加下沉，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。前者在其自重压力下受水浸湿后发生湿陷，后者在其自重压力下受水浸湿后不发生湿陷。对湿陷性黄土地基的处理，应减小土的孔隙比，增大土的重力密度，消除土的湿陷性，本标准列举了如下几种常用的处理方法：①强力夯实法一般可消除1.2m～1.8m深度内黄土的湿陷性，但当表层土的饱和度大于60%时，则不宜采用。②换土垫层法（包括换灰土垫层法）是消除黄土地基部分湿陷性最常用的处理方法，一般可消除1m～3m深度内黄土的湿陷性，同时可将垫层视为地基的防水层，以减少垫层下天然黄土层的浸水概率。垫层的厚度和宽度可参照现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑标准》GB50025确定。③土桩挤密法（包括灰土桩挤密法）适用于地下水位以上，处理深度为5m～15m的湿陷性黄土地基，对地下水位以下或含水量超过25%的黄土层，则不宜采用。④桩基础是将一定长度的桩穿透湿陷性黄土层，使上部结构荷载通过桩尖传到下面坚实的非湿陷性黄土层上，这样即使上面黄土层受水浸湿产生湿陷性下沉，也可使上部结构免遭危害。在湿陷性黄土地基上采用的桩基础一般有钢筋混凝土打入式预制桩和就地灌注桩两类，而后者又有钻孔桩、人工挖孔桩和爆扩桩之分。钻孔桩即一般软土地基上的钻孔灌注桩，对上部为湿陷性黄土层，下部为非湿陷性黄土层的地基尤为适合。人工挖孔桩适用于地下水含水层埋藏较深的自重湿陷性黄土地基，一般以卵石层或含钙质结核较多的土层作为持力层，挖孔桩孔径一般为0.8m～1.0m，深度可达15m～25m。爆扩桩施工简便，工效较高，不需打桩设备，但孔深一般不宜超过10m，且不适宜打入地下水位以下的土层。对于打入式预制桩，采用时一定要选择可靠的持力层，而且要考虑打桩时黄土在天然含水量情况下对桩的摩阻力作用。当黄土含有一定数量钙质结核时，桩的打入会遇到一定的困难，甚至不能打到预定的设计桩底高程。湿陷性黄土地基上的桩基础应按支承桩设计，即要求桩尖下的受力土层在桩尖实际压力的作用下不致受到湿陷的影响，特别是自重湿陷性黄土地基受水浸湿后，不仅正摩擦力完全消失，甚至还出现负摩擦力，连同上部结构荷载一起，全部要由桩尖下的土层承担。因此，在湿陷性黄土地基上，对于上部结构荷载大或地基受水浸湿可能性大的重要建筑物，采用桩基础尤为合理。⑤预浸水法是利用黄土预先浸水后产生自重湿陷性的处理方法，适用于处理厚度大、自重湿陷性强的湿陷性黄土地基。需用的浸水场地面积应根据建筑物的平面尺寸和湿陷性黄土层的厚度确定。由于预浸水法用水量大，工期长，因此在没有充足水源保证的地点，不宜采用这种处理方法。经预浸水法处理后的湿陷性黄土地基，还应重新评定地基的湿陷等级，并采取相应的处理措施。
7.4.16 在我国黄河流域以南地区，不同程度地分布着膨胀土。膨胀土的黏粒成分主要由强亲水性矿物质组成，其矿物成分可归纳为以蒙脱石为主和以伊利石为主两大类，均具有吸水膨胀、失水收缩、反复胀缩变形的特点。这种特点对修建在膨胀土地基上的建筑物危害较大，因此应在满足建筑物布置和稳定安全要求的前提下采取可靠的措施。根据多年来对膨胀土的研究和工程实践经验，对修建在膨胀土地基上的泵站工程而言，目前主要采取减小泵房基础底面积、增大泵房基础埋置深度，以及换填无膨胀性土料垫层和设置桩基础等地基处理方法。减小泵房基础底面积是在不影响泵房结构的使用功能和充分利用膨胀土地基允许承载力的条件下，增大基础底面的压应力，以减少地基膨胀变形。增大泵房基础埋置深度是将泵房基础尽量往下埋入非膨胀性或膨胀性相对较小的土层中，以减少由于天气干湿变化对地基胀缩变形的影响。上述两种工程措施主要适用于大气影响急剧层深度一般不大于1.5m的平坦地区。换填无膨胀性土料垫层的方法主要适用于强膨胀性或较强膨胀性土层露出较浅，或建筑物在使用中对地基不均匀沉降有严格要求的情况。换填的无膨胀性土料主要有非膨胀性的黏性土、砂、碎石、灰土等，这对含水量及孔隙比较高的膨胀性土地基是很有效的工程措施。换填无膨胀性土料垫层厚度可依据当地大气影响急剧层的深度，或通过胀缩变形计算确定。当大气影响急剧层深度较深，采用减小基础底面积、增大基础埋置深度，或换填无膨胀性土料垫层的方法对泵房结构的使用功能或运行安全有影响，或施工有困难，或工程造价不经济时，可采用桩基础。膨胀土地基中单桩的允许承载力应通过现场浸水静载试验，或根据当地工程实践经验确定。在桩顶以下3m范围内，桩周允许摩擦力的取值应考虑膨胀土的胀缩变形影响，乘以折减系数0.5。在膨胀土地基上设置的桩基础，桩径宜采用250mm～350mm，桩长应通过计算确定，并应大于大气影响急剧层深度的1.6倍，且应大于4m，同时桩尖应支承在非膨胀性或膨胀性相对较小的土层上。