第一节 地基设计基本要求

一、地基设计级别和设计原则

（一）地基设计的级别

水工建筑物地基与基础是工程的主要组成部分，其强度和稳定性同等重要，因此，地基基础设计等级应与水工建筑物的设计级别相同。地基设计原则为正常使用极限状态，即在满足承载力计算的前提下控制地基变形；设计方法为按满足地基承载力计算的前提下控制地基变形来进行设计。

现行国家标准《水利水电工程可靠度设计统一标准》（GB 50199）指出，地基的结构安全级别应与水工建筑物的结构安全级别相同。水工建筑物的结构安全级别，应根据水工建筑物的重要性及其破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失及产生社会影响等）的严重性，对应水工建筑物级别，水工建筑物的结构安全级别，一般划分为3级。在确定地基的结构安全级别时，首先根据工程等别按表2.1-1确定水工建筑物级别，再根据水工建筑物级别，按表2.1-2确定地基的结构安全级别。

级别为二至五级的工程及临时工程，当水工建筑物的工程地质条件特别复杂或采用实践经验较少的新型结构时，可提高一级。

有必要指出，地基的结构安全级别不同于地基等级，地基等级是表示地基的复杂程度，是确定岩土勘察等级的条件。以下作一简介，以免混淆。

在岩土勘察中，根据地基复杂程度，地基分为3个地基等级。对于岩土种类多，很不均匀，性质变化大，需特殊处理；严重湿陷、膨胀、盐渍、污染的特殊性岩土，以及其他情况复杂，需作专门处理的岩土，此为复杂地基，复杂地基为一级地基；中等复杂地基为二级地基；对于岩土种类单一，均匀，性质变化不大，无特殊性岩土，此为简单地基，简单地基为三级地基。

（二）地基设计原则和计算内容

1.地基设计原则

水工建筑（建筑物和构筑物）的地基计算，应包括地基承载力计算、地基整体稳定计算和地基沉降变形计算，其计算结果是判别地基是否需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地基又未做处理，就会影响建筑的安全或正常使用。这3个方面内容与其他建筑物地基计算是相同的，此外，水工建筑地基还应满足抗渗、抗冲刷。水工建筑地基渗流稳定性验算，在地基计算中至关重要。因为许多水闸等挡水工程失事，往往都是由于渗流破坏引起的。因此，水工建筑地基计算有承载力计算、整体稳定计算、沉降变形计算和渗流稳定性验算等4项内容。

（1）地基承载力计算是每项工程都必须进行的基本设计内容。

（2）沉降计算并不是所有水工建筑都要计算，工程地质条件较好的地基可不进行沉降计算；凡属下列情况之一者，可不进行地基沉降计算：①岩石地基；②砾石、卵石地基；③中砂、粗砂地基；④大型水工建筑，地基土标准贯入击数大于15击的粉砂、细砂、砂壤土、壤土及黏土地基；⑤中、小型水工建筑，地基土标准贯入击数大于10击的壤土及黏土地基。

（3）地基稳定计算，只是对长期承受水平荷载的建筑需要验算，如水闸、挡土墙等；水工建筑有检修要求时应进行抗浮验算。

（4）挡水建筑需要进行渗流稳定计算；该项也可包括在地基稳定计算中。

为了得到一个完整的概念，将上述讨论的内容用表2.1-3加以概括，归纳为地基设计原则。

2.地基计算内容及分析

a.地基计算内容

根据上述地基设计原则，这里将地基设计主要内容列于表2.1-4中。地基计算内容是难以用一张表来概括的，采用列表方式所表达的只是主要内容，设计时尚应注意表中未列内容。例如，承载力计算中软弱下卧层的验算、稳定计算中的深层滑动问题等；总而言之，具体工程设计时要作针对性分析，确定计算内容。

b.计算内容解读

地基计算中的基本组合，相当于设计荷载；特殊组合，相当于校核荷载。

地基的承载力计算、稳定验算是属于承载能力极限状态范畴，设计要求各种状况都应满足；沉降计算则是属于正常使用极限状态范畴，因此，只需要满足持久状况；而对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；地基与基础计算，当进行正常使用极限状态验算时，荷载组合应为标准组合，且不计风荷载和地震作用。

地基承载力和稳定计算时，其基本组合和特殊组合中的荷载均为设计值，但分项系数均为1.0，因此，地基允许承载力为设计值；与极限承载力除以安全系数等于地基承载力设计值，两者也是对应一致。

二、地基计算荷载取值

（一）地基计算中的两类荷载

水工建筑物结构荷载，从地基基础设计所用到的荷载代表值，可分为两类荷载值，即荷载标准值和荷载设计值。

1.荷载标准值

荷载标准值是地基稳定计算和地基变形计算时采用的荷载计算值；也是基础结构正常使用极限状态验算时所采用的荷载计算值；荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如均值、众值、中值或某个分位值）。永久作用和可变作用的代表值采用作用的标准值。荷载标准值可根据《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077）和《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5073）的规定计算。

2.荷载设计值

荷载设计值是基础设计时所采用的荷载计算值，也就是结构构件承载能力极限状态计算时，所采用的荷载计算值。荷载设计值是荷载代表值（标准值、组合值、频遇值和准永久值）与荷载分项系数的乘积。

（二）荷载取值的规定

1.地基计算荷载的规定

以上这两种荷载的计算值，在地基设计时都要用到，以下稍作回顾。基础结构设计的内容将在后续的章节中论述，为便于直观比较，将基础计算的内容也一并列出，并采用表2.1-5的方式加以概括。

2.地基计算荷载解读

从表2.1-5中可以看出，地基计算的荷载规定，应包括荷载组合与荷载取值两个方面，在地基基础设计五个不同项目中，关于荷载组合与荷载取值的规定是完全不同的，为了表达不同荷载组合与取值的原因，下面对地基计算内容分别加以简述。

a.地基承载力计算

地基承载力计算按承载能力极限状态设计，荷载取基本组合和特殊组合，但分项系数均取为1.0，其值相当于标准值。当地下水位在基底面以上时，验算地基承载力时所用的平均压力设计值应扣除扬压力。

b.地基变形计算

地基变形计算的荷载组合应考虑长期效应组合，荷载取值采用标准组合，地基变形主要是由土层的固结引起的，而土的固结常常延续很长时间。作用设计很短的荷载不可能引起土层固结沉降，因此，计算地基沉降时不计风荷载和地震作用。

c.地基稳定计算

地基稳定计算应当属于按承载力极限状态设计的范畴，因此荷载组合取基本组合和特殊组合，取值采用设计值，但荷载分项系数取1.0，即实际采用的荷载还是标准值。

d.工程应用

荷载是上部结构对于基础的一种力学作用，是上部结构设计与地基基础设计之间的数值联系。地基基础设计的荷载应是上部结构的设计结果，地基基础设计的荷载必须和上部结构设计的荷载组合与取值一致。

水工建筑在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下的荷载效应的基本组合和偶然组合。

从表2.1-5中可以看出，各种计算内容中的荷载取值规定，应包括荷载组合和荷载取值两个方面，地基计算的3个项目中，关于荷载组合和荷载取值的规定是完全不同的。

有必要指出，基础结构设计不同于地基计算，基础是按结构构件的一般设计原则，应按结构规范规定采用相应的荷载取值。

三、地基计算单元和荷载组合

1.计算单元

地基计算是从整个建筑中选取独立的结构体进行分析计算，这种独立的结构体称为计算单元。一般水工建筑，如果基础未设沉降缝，则取整个建筑为计算单元；基础设置了沉降缝，取两相邻顺水流向永久缝之间的结构段作为计算单元。例如，闸室稳定计算宜取两相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元，有边单元和中间单元，如图2.1-1所示；泵房稳定分析可采取一个典型机组段或一个联段作为计算单元。

必须指出，地基计算所述的计算单元不同于结构计算中的计算单元，后者是从独立的结构体中选取有代表性的一部分作为计算对象，通常是取单宽作为计算单元进行计算；而前者是以整个独立的结构体作为计算对象。

对于有机电设备的水工建筑，如泵房、水闸等，结构形状复杂，故必须以两个永久缝之间或一个机组段长度为计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。而对于基础的长宽比不小于10的条形基础（l/b≥10），如挡土墙等，当建筑无特殊要求时，地基计算单元可以取单位宽度。

2.荷载及荷载组合

a.计算荷载

水工建筑主要荷载有自重、水重、水推力、扬压力、浪压力、泥沙压力、土压力和地震作用及其他荷载等；按荷载出现的频率，可分为基本荷载和特殊荷载；基本荷载一般用于设计情况，特殊荷载多用于校核情况。

（1）基本荷载。厂房结构及永久设备自重；回填土重；正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；淤沙压力；土压力；冰压力；其他出现机会较多的荷载。

（2）特殊荷载。校核洪水位或检修水位情况下的静水压力；相应于校核洪水位或检修水位情况下的扬压力；相应于校核洪水位或检修水位情况下的浪压力；地震力；其他出现机会较少的荷载。

b.荷载组合

水工建筑地基计算时，所用的荷载组合分为基本组合和特殊组合。

（1）基本组合。基本组合是由同时出现的基本荷载组成，在基本组合中又分完建工况、设计运用工况和冰冻工况。

（2）特殊组合。特殊组合为基本荷载+特殊荷载，在特殊组合中又分施工工况、检修工况、校核运用工况和地震工况。

c.计算要求

荷载组合是根据各种荷载出现的几率，将实际上可能同时出现的各种荷载进行最不利的组合，一般将水位作为组合条件。

地基计算时，所采用的荷载最不利组合与相应的抗力限值应符合下列规定：

（1）地基承载力验算时，传至基础底面上的荷载应按承载力极限状态下的基本组合和特殊组合。相应的抗力应采用地基允许承载力；两种不同组合下的地基承载力验算，其压力比的要求有所不同。

（2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载应按正常使用极限状态下基本组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。

（3）地基稳定计算时，荷载应按承载能力极限状态下的基本组合和特殊组合，但其分项系数均为1.0。

（4）计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载应按承载能力极限状态下的基本组合，但其分项系数均为1.0。

除以上所述内容外，还应注意，水工建筑物计算时，荷载计算与组合应按不同的结构单元分别计算。例如，泵房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、边机组段和安装间段分别作为一个独立的整体，按荷载组合分别进行计算。边机组段和安装间段，除上、下游水压力作用外，还可能受侧向水压力和土压力的作用，所以还应验算双向压力作用下的整体稳定性和地基应力。