高层建筑基础相关设计内在潜力汇总

高层建筑基础相关设计内在潜力汇总第8章高层建筑基础设计

的内在潜力8.1概述-高层建筑基础的合理选型8.2桩筏（箱）基础设计中的桩-土共同工作8.3-地下室-地基基础的相互作用

高层建筑基础的合理选型与设计是整体结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。它不但涉及整栋建筑的使用功能和安全可靠，还直接关系到投资额度、施工进度和对周边现有建筑物的影响。基础的经济技术指标对高层建筑的总造价有很大的影响，基础的工程造价在整个工程造价中所占的比例较高，尤其是在地质状况比较复杂的情况下，更是如此。8.1概述-高层建筑基础的合理选型上部结构竖向分体系的荷载传递特征及地下室使用功能的要求；地基承载力和（或）桩承载力应满足基底附加压力的要求；地基土持力层及其下卧层的整体稳定性（尤其是在地震作用下）；在进行高层建筑基础的方案选择及其

初步设计时，项目工程师一般都需要

考虑以下几个方面的要求：基础总沉降量和差异沉降量的控制；地下水位及其防水要求；基础施工中可能对周边现有建筑物所带来的不利影响；基础的工程造价、施工难度与工期等因素对综合经济效益的影响；【工程实例一】法兰克福商业银行总部大楼工程简况地上61层；地下3层。P247荷载平面分布建筑平面为三角形，三个角筒处竖向荷载大；中心区域荷载较小。地质条件场地下有30~40m厚的粘土、其下是很厚的多孔岩层（含有空隙的石灰岩、粉砂等）。【工程实例一】法兰克福商业银行总部大楼方案一平板式桩筏基础：上部结构荷载不均；板厚需要6m；方案二桩箱基础：底板厚2.5m；“卸载”与补偿效应大；但地下室使用不便；方案三桩土共同作用的桩筏基础：角筒下群桩承台+筏基；桩端嵌固于基岩；基础方案比较该工程最后选用方案三箱型基础特点箱形基础整体性好、刚度大而且有利于分散基底土压力。另外，箱形基础所需的施工工期要比桩基短2~3个月；高层建筑的地下室往往被用来作为地下车库和设备机房的使用空间，基于使用和传力的原因，设计人员越来越倾向于采用筏形基础，而不愿意选择纵横内隔墙较多的箱形基础；筏形基础又可分为梁板式筏基和平板式筏基。

在这两种筏形基础的方案选择时，应注意它们

各自的适用范围及其自身优势：梁板式筏基由于其自身平面内的梁、板抗弯刚度相差悬殊，所以基础的主要抗力构件是反梁。因此梁的截面高度与配筋都很大，而板主要起扩散地基反力和基底防水隔板的作用。优势：基础的混凝土用量要比平板式筏基少，而基础梁板之间的空间可得以利用；弱势：所需的基础截面高度比相应的平板式筏基大，梁的钢筋用量多；梁板式筏形基础特点梁板式筏基一般适用于柱网布置比较规则、柱下荷载比较均匀的框架结构，以及对防水需要做架空地面或排水集坑布置比较多的工程；梁板式筏形基础适用范围

平板式筏基的厚度主要取决于建筑物竖向结构（柱、剪力墙或井筒）之间的距离、荷载分布的情况，以及筏板向建筑物周边外挑的长度等因素，并根据抗冲切和抗剪强度验算来确定。优势：基础的截面高度小，具有较大的整体刚度，其内力与弯曲变形的整体挠曲率都比较小；节省挖方和降水的工作量、施工进度快；弱势：混凝土的用量比梁板式筏基大；平板式筏形基础特点当柱网间距较大，或个别柱传递的荷载较大时，可在柱间设置加强板带或加设抗冲切钢筋来减小板厚。根据工程经验，平板式筏基的初步设计厚度，在无较大的周边外挑长度的情况下，对框-剪和框筒结构（巨型框架和角筒结构除外）来讲，可按地面以上的楼层数量来进行估算：板厚h=建筑楼层数（n）×（50~70mm）

设计人员应因地制宜，进行多种可行方案的分析比较，才能选择出相对最适宜的基础形式。而安全可靠、经济合理才是基础选型的根本标准。习惯上不论是摩擦型桩还是端承型桩，一概都不考虑筏底桩间土分担上部荷载；为了尽可能减少基础的总沉降量和差异沉降量，往往都用规范规定的最小桩距限值来满堂布桩，认为桩距越小，桩身越长，设计就越合理，越安全；目前基础设计中存在的误区8.2桩筏（箱）基础设计中的

桩-土共同工作共同工作主要表现为

上部结构-基础共同工作桩-桩共同工作桩-土共同工作桩-筏（箱）共同工作土-筏共同工作桩的荷载传递方式与组成根据近年来国内外高层建筑桩筏基础的现场跟踪测试显示：在地基土的物理力学性能比较均匀，上部结构为匀称布置的框-架、框-筒结构（巨型框架和角筒结构除外）的情况下，在施工初期，即施工基础上面1~5层楼房的时候，由于上部结构的整体刚度尚未形成，此时的上部荷载主要由筏底桩间土来承担，土反力增长也较快，而桩所承担的上部荷载相对较小；8.2.1摩擦型桩筏基础

随着上部楼层施工的进展，上部结构的整体刚度逐渐形成，并越来越大，此时所增加的上部荷载也渐次从基底土转为由桩来承担，而基底土的反力则趋于稳定或稍有波动；由于上部结构刚度贡献所形成整体架越作用，一般情况下都呈现出角桩的桩顶反力增长最快，边桩其次，而内桩的桩顶反力增长最慢，结构封顶时，最大桩顶反力经常出现在筏基的角部和边部；基于结构的稳定与抗倾覆问题，角部与边部的布桩应慎重；【工程实例二】陕西省邮政电信网管中心大楼施工初期（从地下室至地面以上第4层），上部荷载主要由筏底的桩间土来承担；随着上部楼层施工数量的增加，所增加的荷载转为由桩来承担，而土所分担的比例渐次变小。此时的桩顶反力明显增大，其中角桩增加最快，边桩次之，而内桩的桩顶反力增加较慢；实测结果实测结果（续）结构封顶时：实测的角桩与内桩的桩顶反力比为1.73，与结构施工到第8层时的测试结果接近；结构封顶时：测得筏底内部的平均土反力为89.1kPa，边缘部位的平均土反力为75.4kPa，而角部的平均土反力只有53.2kPa，与沉降分布特征吻合，整个筏底桩间土约承担了14%的上部总荷载；整个筏底桩间土约承担了14%的上部总荷载；桩和土的分担比值在结构封顶时的累积数不足100%，这说明实测的桩和土的总反力小于上部结构总重。原因是地下水浮力和地下室外墙与回填土之间的侧摩擦阻力参与了共同抗力；根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002重新复算抗冲切和抗剪，筏板真正所需厚度仅为1250mm，比现有筏板厚度减少了一半；若将本工程的布桩根据桩筏基础的实际受力特征进行优化调整，充分发挥筏底桩间土的作用和桩的极限承载能力，则还可以节省更多的投资；工程结论【工程实例三】法兰克福展览会大楼

30层，256m，桩-土共同工作的设计代表运用补偿平衡原理，按筏底地基土承担2/3的上部荷载，而剩余的1/3由桩基承担理念的进行设计，共用了64根长度不等的φ1300的钻孔桩，其中角桩28根，桩长27.0m，边桩20根，桩长31.0m，内桩呈环形布置了16根，桩长35.0m，桩距3.5~6.0D，设计思想是以此来加大内桩的支承反力，以此来达到加大内桩的支撑反力，同时减小角桩和边桩的支承反力，从而达到减小筏板弯矩的目的；工程结论实测数据显示，筏基沉降呈盆形分布。在大楼建到一半时，中心区域的沉降为40mm，差异沉降为15mm，挠曲率为2.55×10-4。当时设计预估的沉降值为150mm，为无桩筏板基础的50%，即试图用64根桩将沉降减少50%。该建筑物总荷载为1880MN，地下水浮力180MN，则有效的上部荷载为1700MN。按原设计拟用64根桩承担1/3总荷载，则平均每根桩承担的上部荷载为1700/3/64=8.85MN=Pu/2.5

相应地：Pu=2.5×8.85=22.125MN30实测结果表明：筏底土的分担比为45%，比设计预估的结果小；按实测的桩分担55%的总荷载推算，平均每根桩所承担的实际荷载为：1700×0.55/64=14.61MN=0.66Pu，比原设计要高,已接近三分之二的极限承载力标准值，充分发挥了桩的承载能力。我国常规的单桩极限承载力设计值是按Pu/1.8取值，设计中满堂布桩的平均每根单桩所分担的荷载往往按Pu/(2.5~3.5)来控制。此工程的基础设计揭示了一些桩-土共同作用的自然法则，值得结构设计同仁借鉴318.2.2嵌岩型桩筏基础误区：认为此为端承桩，上部荷载100%由桩承担根据试验和实际工程现场实测和资料显示：除了基底土为液化土、湿陷土、欠固结土、超软土外，长径比较大的嵌岩型桩一般为L/D≥35~40；对泥浆护壁的钻（冲）孔桩由于桩端无法克服沉渣形成的软垫，一般为L/D≥25。其桩的受力理论分析都与摩擦端承桩相类似，而其在正常工作状况下的荷载传递与破坏形式则更多地表现为摩擦型桩的特性；土层分布从上至下为杂填土、粘土、淤泥夹细粉砂、中细砂夹淤泥、淤积软土（厚约40m）粘性土、粉质粘土混碎石、风化基岩（埋深约80m，qa=4800kPa）。工程试桩采用慢维持荷载法试验，加载采用液压千斤顶及锚桩反力架位置，实测与理论计算结果见下表：如温州市的某一工程温州某工程试桩静载荷试验结果其中S1和S2的理论计算桩端反力分别占极限承载力的32.7%和35%，而实测的端阻力却整整小了一倍多，仅占了13.5%和15%，而摩擦侧阻力却分别占了86.5%和85%。这说明嵌岩桩已充分地表现为摩擦型桩的性状；另外：在同一场地，同一桩端土性，而不同长径比灌注桩的对比试验研究也表明：在同一桩径D=800mm的条件下，长径比L/D=29的极限端阻力仅是L/D=6的极限端阻力的1/2左右；嵌岩桩不能一概而论地定性为端承桩，关键取决于长径比及其上覆土层提供的桩侧摩阻力承担，而传到嵌岩部分的力已很小，这时即呈现摩擦型桩的性状。工程结论【工程实例四】南京某大厦由于裙房的存在，整体刚度加大，而且裙房基础分担了一部分上部结构的荷载，使整个建筑物的沉降趋于均匀；筏板边缘处的平均土反力值最大，核心筒下筏底的土反力值要比筏板边缘的土反力值小10~15kPa，而筏板角部的土反力值最小；南京某大厦工程结论该工程按传统的常规方法设计是过于保守的；四桩对角线交点处的土反力值要大于两桩间中点处的土反力值。这说明土反力值的大小在一定程度上受桩间距大小的影响；桩顶反力：结论同前；南京某大厦工程结论（续）南京某大厦工程实测桩、土应力规律总结从上述的工程实例不难看出：对于长径比较大的嵌岩桩，在其覆盖土层为非液化土、湿陷土、欠固结或超软土的情况下，都同样具有摩擦型桩的特性，筏底桩间土实际上都分担着一定比例的上部荷载。若在设计时能合理布桩，并适当地调整和加大桩距，就能充分发挥筏底桩间土的分担作用和桩的极限承载能力；这样不但可以减少桩的数量，还可减少筏板厚度，减少施工工作量、缩短工期、节省造价。在进行桩筏基础设计是应注意以下几点：8.2.3根据桩-土受力特征

调整桩距与合理布桩减小桩间距不但会降低土的分担比（某工程桩间距为3D，实测的桩间土分担比不到8%）、增加桩的用量，而且也不利于施工，对于长径比很大的桩，甚至会削弱群桩的侧阻力；在筏底满堂均匀布桩的情况下都表现为桩基的受力分布不均匀。高层建筑的桩筏基础不宜采用满堂均匀布桩，而应根据具体工程桩基的实际受力分布情况进行针对性的桩距调整与合理布桩；适当增大桩距，不但可以加大土的分担比，而且还能更好地发挥桩自身固有的极限承载能力。群桩效率随桩距的增大而提高，到6D的桩距时，群桩效率与单桩接近，而且土的分担比也明显加大；群桩基础中桩距对荷载分担比的影响群桩基础中桩长对荷载分担比的影响对于基底桩间土为饱和粘土的桩筏基础，打桩时易引起超孔隙水压力：而随着上部结构的施工进度及其与基础的整体刚度的逐渐形成，超孔隙水压力才得以渐次消散，则桩间土随之固结变形、浓缩。再加上桩端持力层较硬，桩基变形小，会导致筏底与土的接触压力渐次减小，最后形成筏底与桩间土脱空，甚至会出现负摩擦阻力。在这种情况下，基底土是无法分担上部荷载的，而全部都由桩基来承担；特别注意【工程实例五】上海某24层住宅楼现场测试箱基底板所受的平均反力

随上部楼层施工进展的变化情况见下图：工程结论该工程中基坑桩间土没有起到任何分担荷载的作用原因：开始浇筑箱基底板混凝土时，基坑周围采用了井点降水，这时不存在地下水对基础的浮托作用。随着基础与上部结构的整体刚度逐渐形成，打桩时引起的超孔隙水压力渐次消散，桩间土固结变形下沉，再加上桩尖持力层较硬，桩基沉降量很小，最后导致基底和桩间土的接触脱空，而在地下室建成后，井点降水终止，地下水即回升至常水位；8.3上部结构-地下室-地基基础的相互作用无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，它们都会有机地共同作用，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论仍不够完善，但如果再把基础从上部结构和下部基础的客观边界条件中完全隔离出来进行计算，是根本无法达到真正设计要求的目的；不考虑上、下共同相互作用的阶段；仅考虑基础和地基共同作用的阶段；到现今开始全面考虑上部结构和地基基础相互作用的新阶段；高层建筑基础的分析与设计经历了下述三个阶段：底板的整体弯曲（比率）都很小，往往都不到万分之五；筏（或底）板钢筋应力一般都在20~30N/mm2之间，只有钢筋强度设计值的十分之一；诸多工程的实测都显示了如下结论：8.3.1基础底板的内在潜力基础底板施工时，只有底板的自重；无上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在底板的收缩应变的过程中，使混凝土中的纵向钢筋产生预压应力；基础底面与地基土之间巨大的摩擦力起着一定程度的反弯曲作用。导致上述现象的因素比较多：最主要的是上部结构和地下室整体刚度的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了拱的作用。从而减小了底板的挠曲和内力；摩擦力是整栋建筑的客观边界条件，不能视而不见。特别是对于天然地基的箱形和筏形基础来讲，地基土都比较坚实，变形模量，基床系数都比较大，则基础底板的内力和相应的挠曲率势必会相应减少；工程设计建议从诸多工程实例中可以看出，高层建筑基础底板实际所承受的弯曲内力都远小于常规计算值，有很大的内在潜力。所以结构工程师在具体工程项目的设计中，必须细心把握，否则基础截面和配筋量都会比实际所需大很多，会造成很大的浪费；高层建筑基础应具有一定的埋置深度，而影响基础埋置深度的主要因素是建筑物的高度、体系、对地下室的使用功能要求、地基土层的物理力学性质、抗震设防烈度和台风等级等；8.3.2地下室的潜在功能与作用带地下室的高层建筑在正常工作状态下，其对地基基础及整体结构的受力性能都会有很大的贡献。设计人员务必在设计中充分挖掘它的潜在功能，利用它的有利作用；地下室深基坑的开挖，对天然地基或复合地基的基础能起到很大的卸载和补偿作用，从而减少了地基的附加压力；地下室的潜在功能由于地下室具有一定的埋置深度，周边都有按要求夯实的回填土，所以地下室前、后钢筋混凝土外墙的被动土压力和侧墙的摩擦阻力都