第三节 基础埋置深度选择及计算

选择基础的埋置深度是基础设计工作中的重要一环，因为它关系到地基是否可靠、施工的难易及造价的高低。影响基础埋深选择的因素很多，有地基的地质地形条件、河流的冲刷程度、当地的冻结深度、上部结构形式以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。但就每项工程来说，往往只是其中一两种因素起决定作用。而水工建筑物基础埋深，其使用功能是控制要素。设计时要善于从实际情况出发，首先应抓住主要因素进行考虑。

一、与功能、结构相关的条件

1.使用功能决定基础埋深

水工建筑物需要具备一定的使用功能，如挡水、泄水和取水等要求，这些要求常成为基础埋深选择的先决条件，即由控制高程确定基础埋深。

例如，泵房基础埋深应根据底板高程确定；而底板高程是根据水泵安装高程和进水流道（含吸水室）的布置或管道安装要求等因素确定。

闸室基础埋深一般是根据闸槛高程确定；而闸槛高程是根据河（渠）底高程、水流、泥沙、闸址地形、地质、闸的施工、运行等条件，结合选用的堰型、门型及闸孔总净宽等，经技术经济比较确定。如将闸槛高程定得低一些，可加大过闸水深和过闸单宽流量，减少闸室总宽度，减少工程投资，而且有利于水闸引水或排水；但是，如果将闸槛高程定得太低，则会增大闸身和两岸结构的高度，可能反而增大工程投资，同时增加闸下消能防冲布置上的困难，甚至还会带来严重的泥沙淤积。当地基上部土层土质很差，且厚度较薄，清除以后即可将闸底板置于较坚实的地基上，从而避免做人工处理时，适当降低闸槛高程，则是完全必要和合理的。

一般来说，地基土质较好时，基础埋深可以浅些；地基土质较差，基础则需要加大埋深；也可以采用其他辅助措施，如基础两侧增设齿墙等。

2.总体布置需要决定基础埋深

水工建筑基础的埋深，同时还应考虑工程整体布置需要。在多个相邻的建筑中，通常是由主体建筑物的设计高程确定。例如，在泵站、水闸工程中，主体建筑物是泵房、闸室，其基底高程，是由工程布置（是否直接挡水）和设计水位确定，而泵房、闸室上下游连接段中的挡土墙，其基础埋深则应与泵房、闸室的基础相协调，而不能单独确定基础底高程。

二、工程地质条件

地质条件是确定基础埋置深度的重要因素之一，因此，基础设计时，设计人员首先要重点阅读勘察报告。

工程勘察报告是工程设计的基础技术资料之一，是设计的重要依据。设计人员应当正确理解和使用勘察报告，对岩土参数不能照搬照抄，有的需要先判断再采用，有的需要分析计算后才能用于工程设计。对工程场地的土层结构、工程性质和由此而产生的工程问题，应有全面的了解和把握，并依据勘察报告所提供的地质剖面图，合理确定基础埋深。

1.合理选择持力层

直接支承基础的土层称为持力层，其下的各土层称为下卧层。为了保证建筑物的安全，必须根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层。上层土的承载力大于下层土时，如有可能，宜取上层土作持力层，以减少基础的埋深。

按地基承载力确定基础底面积及埋深时，当上层土的承载力低于下层土时，如果取下层土为持力层，所需的基础底面积较小，但埋深较大，若取上层土为持力层，情况则相反。哪一种方案较好，有时要从施工难易、材料用量等几方面作方案综合比较后才能确定。

特别指出，当基础存在软弱下卧层时，基础宜尽量浅埋，以便加大基底至软弱层的距离。这样不仅使“硬壳层”充分发挥应力扩散作用，同时也减小了基础沉降。

勘察报告里一般有建议的基础高程，即基础埋深，也是从持力层的要求提出的。但这只能是一个大致高程，设计不能直接采用，应结合工程实际情况，依据工程具体位置的地质剖面图确定。下面以实例予以说明。

某泵站管理楼，框架结构，条形基础，确定其基础埋深。根据地质剖面图确定基础埋深，首先按照勘察报告所建议的持力层（第④层灰色砂质粉土），在地质剖面图上画出可供选择的基础埋深，即图中虚线，如图1.3-1所示，从图中可以看出，有3种基础埋深位置可供选择：

（1）方案一，最上面一条虚线，其基础埋深最浅，符合浅埋的经济原则，但基础底大部分坐落在土质较差的土层内，不符合持力层要求。

（2）方案二，中间虚线，其基础埋深适中，该底面线下ZB9号钻孔处，有部分是落在持力层标号层之上一邻层，土质较差，但其土层截面面积小于5%，本着基础宜浅埋的经济原则，仍然可以判定基础埋深合适。现场验槽时，对局部的不良土层应采用有效的处理措施，如采取局部换填或加高基础等方法处理。

（3）方案三，最下面一条虚线，其基础完全落在持力层范围内，符合地基持力层要求，但基础埋深最深，不符合浅埋的经济原则。

从以上3个方案的分析比较可以看出，方案二埋深既符合浅埋的经济原则，也符合持力层的要求，但对局部不良土需要进行处理；另外方案二基础大部分均落在好土层（④层灰色砂质粉土），符合基础浅埋的经济原则，因此，可选择方案二作为基础埋深方案。

2.基础最小埋深的要求

在满足地基稳定性和变形要求的前提下，基础宜浅埋，当上层地基的承载力大于下层土时，宜利用上层土作持力层。除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。

为了保护基础不受人类和生物活动的影响，基础的最小埋深应为0.5m，基础顶面至少低于设计地面0.1m，还要便于建筑物周围排水沟的布置。

3.按土层分布选择不同埋深

在按地基条件选择埋深时，还经常要求从减少不均匀沉降的角度来考虑。例如，当土层的分布明显不均匀或各部位荷载轻重差别很大时，同一建筑物的基础可采用不同的埋深来调整不均匀沉降量。

对墙基础，如地基持力层顶面倾斜，必要时可沿墙长将基础底面分段做成高低不同的台阶状，以保证基础各段都具有足够的埋深。分段长度不宜小于相邻两段底面高差的1～2倍，且不宜小于1m。

三、水文地质条件

（一）选择基础埋深应考虑地下水的因素

1.几个相关术语

如图1.3-2所示，首先简要回顾一下工程地质中各种类型的地下水。

（1）地下水。存在于地面以下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水，叫做地下水。

（2）上层滞水。上层滞水是指埋藏在地表浅处，局部隔水层的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限，其来源主要是由大气降水补给。上层滞水地带只有在融雪或大量降水后才能聚集较多的水，因而只能被作为季节性的或临时性的水源。

（3）潜水。埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的、具有自由水面的地下水称为潜水。潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄，它的分布区与补给区是一致的。因此，潜水水位变化，直接受气候条件变化的影响。

（4）承压水。在两个连续的稳定隔水层之间的含水层中，充满的地下水为承压水。它具有一定的静水压力。

承压水头，是指承压含水层顶面至承压水静止水位间的垂直距离。承压水有上、下两个稳定的隔水层，上面称为隔水顶板，下面称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为含水层的厚度。由此可以看出，承压水头是稳定水位高出含水层顶板底面的距离。

2.地下水影响因素分析

工程设计中，选择基础埋深时，应注意地下水的埋藏条件和动态。对基础底面低于潜水面的基础，除应考虑基坑排水、坑壁围护以及保护基土不受扰动等措施外，还应考虑可能出现的其他施工与设计问题。例如，出现涌土、流砂现象的可能性，地下水对基础材料的化学腐蚀作用，地下工程防渗；轻型结构物由于地下水顶托而上浮的可能性；地下水浮托力引起基础底板的内力变化等。

例如，流砂是一种不良的工程地质现象，当地基土为粉土或粉砂时最易发生。在地下水位以下开挖基坑时，若从基坑中排水，使坑外总水头大于坑内，则坑底下的地下水将向上渗流，在地基土中产生自下而上的渗流力。当水头差增大而使水力梯度较大时，就会出现流砂现象，如图1.3-3所示，使坑底泥砂翻涌，给施工带来很大困难，甚至影响邻近建筑物的安全。在勘察中应对可能出现流砂现象的条件及其危害性作出评估，基础设计时应考虑其不利影响，并提出解决措施，如采用坑内降水和合适的围护结构。

当基坑底以上黏性土中夹有砂或粉土，且地下水位较高，基坑开挖揭露出这些夹层时；或者当基坑底部为砂土或粉土，随着基坑开挖加深，水力坡度加大，当动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时，砂或粉土与水一起涌于基坑中，便产生流砂现象。

是否产生流砂现象可按式（1.3-1）验算，即

式中 i_cr——临界水力坡度；

ρ_s——土的颗粒密度；

n——土的孔隙度，以小数计。

当实际水力坡度i＞i_cr时，将发生流砂现象，实际中还要考虑一个大于1.0的安全系数。影响流砂现象的因素较多，主要是土的颗粒级配、结构及埋藏条件等。当深挖时水力坡度超过临界水力坡度，又具有以下条件时，就更容易产生流砂现象。

（1）土的颗粒组成中，黏粒含量小于10%，粉、砂粒含量大于75%。

（2）土的不均匀系数小于5。

（3）土的含水量大于30%。

（4）土的孔隙比大于0.75（或土的孔隙度大于43%）。

（5）在黏性土有砂夹层的土层中，砂土或粉土层的厚度大于25cm。

流砂现象的产生，一方面将严重影响施工（如挖了又涨，无法达到设计高程）；另一方面因流砂使地下掏空，可能导致土体丧失稳定性或地面产生塌陷，危及相邻建筑物的安全。防止流砂的措施有人工降低地下水位、打板桩或加固坑壁以增长渗流途径减小实际水力坡度等。

（二）关注有承压含水层的地基

工程勘察报告中，对有水头差的粉细砂、粉土地层，应评价其产生潜蚀、流砂、涌土、管涌的可能性；在地下水位下开挖基坑或地下工程时，应根据岩土的渗透性、地下水补给条件，分析评价降水或隔水措施的可行性、基坑稳定性以及对邻近工程的影响。设计人员应根据勘察所揭示的水文地质条件，对承压含水层的地基应予以关注。

1.对施工的影响

a.承压水影响分析

对埋藏有承压含水层的地基，选择基础埋深时，为防止基底因挖土减压而隆起开裂，必须控制基坑开挖深度，或设法降低承压水头。如地基为黏性土，基坑开挖深度为d，黏土层下为承压含水层，如图1.3-4所示。

根据有关土力学知识，以下提出两种方法分析防止基底渗流破坏槽底所需最小厚度h₀。

（1）有效应力法。当发生流土破坏时，图1.3-4中B点的有效应力σ′为0，通过分析B点的有效应力σ′，可以求得槽底黏土层的最小厚度h₀。

B点的竖向总应力为

σ=γ_seth₀

孔隙水压力u即为该点承压水的应力，即

u=γ_wh

B点有效应力σ′为

σ′=σ-u=γ_mh₀-γ_wh

令σ′=0，即

γ_mh₀-γ_wh=0

由σ′=0可得

由此可得当时，基槽底部发生流土破坏。

（2）渗透力法。在承压水的作用下，B点的渗透力j为

j=i_crγ_w

B点的临界坡降i_cr为

当B点j=i_crγ_w≥γ′，该点将发生破坏，即

由此可得，当时，基槽底部发生流土破坏，与（1）有效应力法相同。

式中 γ_m——透水层以上土的饱和重度，kN/m³；

γ_w——水的重度，kN/m³；

其余符号见图1.3-4。

b.抗渗流稳定性验算

根据以上分析，在工程设计中，当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水层时，如图1.3-5所示，基坑底抗渗流稳定性可按式（1.3-3）验算，即

式中 γ_m——透水层以上土的饱和重度，kN/m³；

t+Δt——透水层顶面距基坑底面的深度，m；

p_w——含水层水压力，kPa。

【例1.3-1】某泵房基坑坑底下有承压含水层，如图1.3-6所示，已知不透水层土的天然重度γ_m=20kN/m³，水的重度γ_w=10kN/m³，如果要求基坑抵抗突涌稳定系数K不小于1.1，试求基坑开挖的安全深度h。

【解】当上部为不透水层，坑底某深度处有承压水时，根据式（1.3-3）得

γ_m（t+Δt）/p_w≥1.1

式中 γ_m=20kN/m³；t+Δt=（16-h）m；p_w=（16-2）×10=140（kPa）

由20×（16-h）/140≥1.1 得 h=8.3m。

由以上计算可知，当泵房基坑开挖深度大于8.3m时，就有发生突涌的可能，应在基坑外围先设置抽水井，采用人工方法局部降低承压水位。

2.承压含水层的处理措施

当水工地基下卧层为承压水层，且埋深较浅，对水工建筑物稳定有影响时，设计应提出消除承压水对水工建筑物稳定性不利影响的措施。例如，对于水闸工程，必要时可在下游设置深入该承压透水层的排水井，如图1.3-7所示。但须注意，消力池的排水孔不宜设在前部。但是绝对不能布置在基底和两岸防渗段范围内，以避免与基底防渗和两岸侧向防渗的要求相抵触。

（三）关注地下水的浮力作用

在地基计算中都要计算基底的附加压力p₀，地下水对建筑产生浮力时，基底附加压力的计算中，要计算浮力的作用；为了便于理解基本概念，有些内容稍有重复，以作回顾，以下对地下水的浮力作用予以简要阐述。

建筑物荷载在地基中增加的压力称为附加压力，只有附加压力才能引起地基的附加变形。当有地下水时，地下水对地基土产生浮力，也对建筑物产生浮力，如图1.3-8所示。根据基底压力的不同情况，基底平均附加压力p₀分两种情况计算。

（1）基底压力p为已扣除地下水的浮力时，有

（2）基底压力为总压力q，即未扣除地下水的浮力时，有

式中 p——已扣除地下水浮力的基底压力，kPa；

q——基底总压力，kPa；

γ₀——基础底面以上土层的加权平均重度（其中地下水位以下的重度取有效重度），kN/m³；

d——基础埋深，m；

其余符号见图1.3-8。

从以上分析可以看出：①当计算的基底压力已扣除地下水对建筑产生的浮力［式（1.3-2）］，计算附加压力时，地基土要考虑地下水的影响，地下水位以下土的重度采用有效重度；②当计算的基底压力未扣除地下水对建筑产生的浮力［式（1.3-3）］，计算附加压力时，地基土也不直接考虑地下水的影响，地下水位以下土的重度直接采用天然重度。

以上基底附加压力两种不同的计算情况，其计算结果是一致的，只是计算中土的重度不同。以下例题予以说明。

【例1.3-2】某建筑物下设一整体地下室，平面尺寸为20m×20m，基础埋深为3m，基底总压力q=200kPa。地基为密实中砂，天然容重为19.0kN/m³；地下水位在室外地面以下1.0m，求基底附加压力p₀。

【解】（1）考虑地下水的浮力，按式（1.3-4）得

p₀=p-γ₀d=（200-10×2）-［19×1+（19-10）×2］=143（kPa）

（2）不直接考虑地下水的浮力，按式（1.3-5）得

p₀=q-（γ₁d₁+γ₂d₂）=200-19×3=143（kPa）

四、地基冻融条件

北方地区的水工建筑，所处河道长期无水或少水，如分洪河道中的泄洪闸，对于黏性土地基，冬季的冻胀问题较为突出。设计中应将基础设在冻结线以下，并在铺盖的表层采用较厚的保护层，或采用其他切实有效的防护措施。

水利工程设计，指导抗冻胀设计的规范有《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GB/T 50662—2011），该规范规定标准冻深大于50cm的水闸、涵洞等渠系建筑物，均应进行防冻胀设计。

1.季节性冻土的冻害

位于季节性冻土地区，土基上的水工建筑物，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，其基础埋置深度应大于该地区最大冻土深度。

季节性冻土是冬季冻结，天暖解冻的土层，在我国分布很广。细粒土（粉砂、粉土和黏性土）冻结前的含水量如果较高，而且冰结期间的地下水位低于冻结深度不足1.5～2.0m，则有可能发生冻胀。位于冻胀区内的基础受到的冻胀力如大于基底以上的荷重，基础就有被抬起的可能，土层解冻融陷，建筑物就随之下沉。地基土的冻胀与融陷一般是不均匀的，容易导致建筑物开裂损坏。

2.冻胀土中基础最小埋置深度计算

a.冻胀土和非冻胀土

土中粒径小于0.05mm的土粒含量大于总土重的6%称为冻胀土；反之，当土中粒径小于0.05mm的土粒含量小于总土重的6%称为非冻胀土。也就是说，粉砂、壤土、黏土为冻胀土，细砂中小于0.05mm的土粒重量不小于6%为冻胀土，粗砂、中砂、砾砂为非冻胀土。

b.设计冻深计算

建筑物结构各计算点冻结深度的设计取用值。设计冻深值与土壤水分多少、地下水位高低、日光照晒遮阴程度等有关，设计冻深Z_d应按式（1.3-6）计算，即

式中 Z_d——设计冻深，m；

Z_k——标准冻深，m；工程附近气象站观测系列不短于20年的历年最大冻深的平均值；如果资料系列短，可查上述规范中等值线图求得；

φ_f——冻深年际变化的频率模比系数，可从上述规范的曲线图查得。一般小型工程查10a一遇曲线，大、中型工程查20年一遇曲线。该系数大于1，标准冻深越小，系数就大，冻深大于1.5m以上，系数趋向常数。例如，冻深在0.5m以上，20a一遇和10年一遇系数分别为1.3和1.23；冻深1.0m时，系数为1.2和1.15；冻深为1.5～2.5m时，为常数1.2和1.13；

ψ_d——日照及遮阴程度影响系数，按上述规范公式计算；

ψ_ω——地下水影响系数，按上述规范公式计算。

c.基础设计冻深

基础设计冻深是指计算点基础外露表面算起的冻深。计算式为

式中 Z_f——基础设计冻深，m；

Z_d——计算点设计冻深，m；

ψ_a——基础材料修正系数（浆砌石、混凝土取0.35，干砌石取0.30）；

d_s——基础板厚度，m；

δ_i——基础上面的冰层厚度，m。

d.基础下冻深（Z_b）的计算

冻胀土中基础最小埋置深度，基础下的冻深可按式（1.3-8）计算，即

式中 Z_f——基础设计冻深，m；

Z_d——计算点设计冻深，m。

五、场地环境条件

1.相邻建筑的影响

a.由附加应力的扩散范围控制

一项水利工程，往往由多个单项工程组成。例如，泵站是由泵房、副厂房、安装间、上下游翼墙等组成，这些建筑基础互相有影响，所以在确定单项建筑的基础埋深时，首先要确定好主体建筑的基础埋深，再根据主体建筑基础埋深确定相邻建筑的埋深。

确定相邻建筑埋深时，主要考虑建筑的使用需要和构造要求，如上下游翼墙基础埋深，一般由上下游连接段的底高程确定，以便于沉降缝止水的设置，因此，相邻建筑难以保留一定净距的要求，只能通过施工措施解决。如先建重建筑物，后建轻建筑物；或先施工主体部分，再施工附属部分，这样可调整一部分沉降差。

由于地基中附加应力的向外扩散，使得相邻建筑物的沉降互相影响。在软弱地基上，两建筑物的距离太近时，相邻影响产生的附加不均匀沉降，可能造成建筑物的开裂或互倾。这种相邻影响主要表现在以下几方面。

（1）同期建造的两相邻建筑物之间的彼此影响，特别是当两建筑物轻（低）重（高）差别太大时，轻者受重者的影响。

（2）原有建筑物受邻近新建重型或高层建筑物的影响。

为了避免相邻建筑受影响的损害，软弱地基上的建筑物基础之间要有一定的净距。对靠近原有建筑物基础修建的新基础，其埋深不宜超过原有基础的底面，否则新、旧基础间应保留一定的净距，其值依原有基础荷载和地基土质而定，且不宜小于该相邻基础底面高差的1～2倍，如图1.3-9所示，不能满足上述要求时，应采取适宜措施以保证邻近原有建筑物的安全。

b.由土体破裂角控制

在已建挡土墙的墙后再建建筑物，这是经常碰到的实际问题。两者的距离如何确定，有关规范中未见明确规定。从土力学有关理论可知，墙后破裂体范围内的荷载对挡土墙产生推力，荷载越大则推力越大，所以不宜把建筑物的基础置于破裂体范围内，以免相互影响。破裂体的破裂角及距离的确定，详见例1.3-3。当不得已建筑物的基础在破裂体范围内时，应按《水工挡土墙设计规范》（SL 379）的规定，计算破裂体范围内的附加荷载，并复核挡土墙的稳定。以下以例题的形式说明如何应用。

【例1.3-3】挡土墙墙后拟建建筑物如图1.3-10所示，场地土的内摩擦角为30°，若不允许新建建筑物对挡土墙产生影响，试确定外墙轴线距挡土墙内侧的最小水平距离。

【解】按土力学有关知识，墙后土体破裂角θ=45°+φ/2=45°+30°/2=60°；

由图1.3-10可知：

L=a+b/2=（h-d）/tan60°+b/2

=（4.5-1.0）/tan60°+2.0/2

=3.02（m）

即新建建筑物的墙轴线距挡土墙内侧的最小水平距离应为3.02m。

2.流水或波浪冲刷的影响

濒临河、湖等水体修建的水工建筑，如受到流水或波浪冲刷的影响，为防止水流冲刷淘空基底，使基础产生不均匀沉降和倾斜，土基上水工建筑物的基础埋置深度，其底面应位于最大冲刷线之下0.5m，当采用防护措施后可适当降低。

最大冲刷深度，可通过调查或利用各年河床断面、河段地形图资料进行估算；在没有调查和实测资料时，也可由《铁路工程水文勘测设计规范》（TB 10017—1999）给定的计算式计算确定。

【例1.3-4】某跨河渡槽，河流的水文资料和土层分布及其地基允许承载力如图1.3-11所示，试确定基础埋置深度。

【解】根据题意，要求如何较合理地确定基础埋置深度和选择持力层。

根据上述水文地质资料，如施工技术条件有充分保证，由于基础修建在常年有水的河中，而渡槽上部为静定结构，因而对上述因素中，只要考虑河流的冲刷深度和地基的地质条件。

从土质条件来看，土层（Ⅰ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）均可作为持力层。每个工程的基础方案不是唯一的，应做多方案比较。

第一方案：浅基础，其埋置深度，只需根据最大冲刷线确定其最小埋置深度，即在最大冲刷线以下h₁=2m，然后验算土层（Ⅰ）和（Ⅱ）的承载力是否满足要求。

第二方案：如第一方案不能通过，就应按土质条件将基底设置在土层（Ⅲ）上，但埋深h₂达8m以上，若仍采用浅基础大开挖的施工方案，则要考虑技术上的可能性和经济上的合理性，这时也可考虑沉井基础或桩基础。

第三方案：桩基础，如荷载大，要求基础埋得更深时，则可考虑将桩底设置在土层（Ⅳ）中。采用这一方案时，可以避免水下施工，施工方便。