超高层建筑天然地基方案研究

1、超高层建筑天然地基方案研究周玉凤（北京城建勘测设计研究院有限责任公司）摘要：本文通过对北京两栋超高层建筑地基方案的对比研究，阐明了上部平面、空间结构和荷载分布情况对超高层建筑地基方案的重大影响，同时介绍了超高层建筑采用天然地基方案的分析计算方法。关键词：超高层建筑；天然地基0 引言中环世贸中心及国际财源中心均位于北京市商业中心 CBD 地区，仅相距 40m。两工程除平面布局差异较大外，其它设计条件基本相同：均由位于同一底板上的 4 座塔楼及裙房组成，最大高度均为 150m、 核心筒荷载均为 780kPa，基础埋深均为 25m。两工程基底直接持力土层为厚约 7m 的砂卵石层，其地基承载力标准值（

2、fka）为 350kPa，其下为厚约 5m 的粘性土层，再以下为 6m 厚的砂卵石。图 1建筑平面图1 工程特点对比中环世贸中心四座塔楼平面分布较为紧凑且对称，纯地下室在塔楼外围面积相对较小，如此分布形式可以通过采取相应的结构措施增加建筑物整体刚度，利于协调各建筑物之间的变形；国际财源中心四座塔 楼分布比较松散，东西塔楼距离较大，东部两座塔楼之间及西部两座塔楼之间都各自设有连接的裙房，西 部两座塔楼荷载呈偏心分布，纯地下室面积大，整个建筑物不设沉降缝，上述设计条件对国际财源中心整 个建筑物的变形控制较为不利。2 地基方案分析 地基承载力计算两工程基底直接持力层承载力按北京地区建筑地基基础设计规

3、范修正，修正结果参见表 12010 年增刊第 1 期工程勘察Geotechnical Investigation&Survrying23140m地基承载力深宽修正表表 1(kPa)从表 1 几种情况可以看出，在考虑高层塔楼侧限被纯地下室永久削弱的影响后，两工程塔楼部分的地基承载力标准值经深宽修正后仍均大于上部结构的最大荷载 780kPa，故从地基承载力方面考虑，两工 程均能满足采用天然地基的要求。 软弱下卧层验算验算土层为基底直接持力层下的粘性土第 8 层，验算时基础埋深均考虑侧限削弱，即均按等效埋深 考虑，即 ddeq12.2m，水位均按 12.0m 考虑。按 北京地区建筑地基基础设计规范中

4、的公式 p0+pzfa、建筑地基基础设计规范中的公式fa=Mbb+ Mdmd+Mcck 及按北京地区建筑地基基础设计规范对第 8 大层的极限承载力分别进行验算。 验算结果见表 2表 4从以上计算得出，中环世贸中心软弱下卧层的地基承载力可以满足要求；国际财源中心软弱下卧层的地基承载力基本满足要求。 地基基础变形分析2.3.1 中环世贸中心沉降及差异沉降分析 采用规范规定的地基变形计算方法对中环世贸中心塔楼的自由沉降进行计算（dw=12m）。计算结果表明各塔楼的平均沉降量均在北京规范允许范围 10.0cm 之内，故采用天然地基方案具有可能(各楼经修 正后的最终沉降量参见表 5 和图 2。为进一步确

5、定采用天然地基方案的可能性，通过专项地基与基础协同作用分析对各部位结构荷载分布和基础刚度进行了多次调整，调整后建筑物各部位平均、最大沉降量情况参见表 6。计算结果表明： 主楼与纯地下车库的平均沉降均在规范允许范围内，而且相邻节点间的差异沉降均小于 3。在对结构 荷载分布进行调整的同时，上部结构相互之间的连接也得以加强。故从地基承载力、软弱下卧层及地基 基础变形三方面考虑，中环世贸中心均可采用天然地基方案。2.3.2 国际财源中心沉降及差异沉降分析西塔楼各建筑物各部位沉降参见图 7 和图 3（计算地层、水位条件与中环世贸中心相同）。 根据计算结果，核心筒部位的平均沉降量已超出北京规范的允许范围，

6、另核心筒与其外围高层部分的差异沉降也较大，本工程还不设沉降缝，这对协调差异沉降更为不利。鉴于此，国际财源中心西塔楼 无采用天然地基的可能。工程勘察2010 年增刊第 1 期232Geotechnical Investigation&Survryingdw(kN/m3)m(kN/m3)d=deq(m)bdfa软弱下卧层验算结果表 2软弱下卧层验算结果表 3软弱下卧层验算结果表 41.365.326.616.456.77 6.103.183.542.051.01L3.001.55K10.0JA楼10.362.18IH3.24G4.25F5.86E5.93D5.74C5.32B4.79A123456

7、7891011 12 1314图 2 中环世贸中心沉降图国际财源中心西塔沉降表表 72010 年增刊第 1 期工程勘察Geotechnical Investigation&Survrying233建筑物部位平均沉降 量(cm)最大沉降量(cm)西塔 A西塔 B纯地下车库4.05.116.587.728.519.179.309.4668.87.07.195.354.658.5610.1711.1011.8712.1511.8610.913.965.693.846.503.996.648.9510.6011.9713.0912.7911.87B楼6.443.716.458.8910.5911.94

8、12.7612.839.354.663.135.707.759.4510.7511.4111.5811.7311.4610.669.217.155.673.634.915.816.336.606.827.137.387.587.707.556.926.076.266.819.4710.3610.649.988.134.866.587.557.556.217.498.2125.645.776.399.1610.1210.319.998.277.31C楼8.048.318.277.635.385.395.888.59D楼9.499.709.477.937.758.228.318.217.565.1

9、34.925.157.648.548.808.547.767.987.837.6604.734.274.236.477.117.397.116.15工程名称3(kPa)e(kPa)fu(kPa)p0+pz(kPa)fu/p0+pz世贸中心2072571643837财源中心1882431522830工程名称c (kPa)p0+pz(kPa)fa(kPa)结论世贸中心65258371590p0+pzfa 均不满足 要求财源中心380450830675图 3 国际财源中心西塔沉降图中环世贸中心沉降表 5中环世贸中心沉降表 63 地基方案中环世贸中心采用了天然地基基础方案，结构施工完成一年后的变形监测

10、数据表明：该楼最大沉降量为 左右（核心筒部位），最小沉降量为 左右（塔楼边缘），比较理想；国际财源中心西塔 楼采用了复合地基方案。4 结论(1)超高层建筑荷载大、结构复杂，必须对地基方案的安全性、经济性、施工可行性和工期等多方面因素进行综合考虑和多方案的综合比较，优化地基方案，为超高层建筑的地基基础设计积累经验，并节 省工程费用。工程勘察2010 年增刊第 1 期234Geotechnical Investigation&Survrying建筑物部位平均沉降量(cm)最大沉降量(cm)A、B 楼C 楼D 楼纯地下车 库建筑物部位平均沉降量(cm)最大沉降量(cm)A、B 楼C 楼D 楼纯地下车

11、 库(2)对于超高层建筑，即使高度、荷载、埋深和持力层相同，由于总平面及内部平面布局的差异，使得在荷载水平和分布特征上仍有较大差异，故即使地质条件完全相同，上部结构条件往往决定地基方案 的选择。(3)地基承载力（包括地基直接持力层及软弱下卧层）满足要求是重要的一方面，另一方面，地基基础的变形尤 其是差异变形问题是确定地基方案的又一关键点。参 考 文 献1 段晨辉，某超高层大楼地基基础方案的选型J，建筑设计管理，2009 年，26(150)：61-63.2 张振涛，王升博，超高层天然地基基础设计及大体积混凝土冬季施工措施J，建筑设计管理，2009 年，26 (151)：43-44. 3 金云平，

12、顾小鲁， 高层建筑天然地基基础的运用J，岩土力学，2001 年，22(2)：189-191.4 DBJ 11-501-92,北京地区建筑地基基础设计规范S. 5 GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范S.6 JGJ 72-2004 (J 366-2004),高层建筑岩土工程勘察规程S.Abstract：In this paper, based on the studying of two super high-rise buildings foundation program in Beijing ,It illustrates thatthe plane, structure and load of supper high-rise buildings will impact the foundation progra