高层建筑基础工程设计原理第1章绪论

1.1高层建筑中基础工程的地位1.2高层建筑基础的类型及特点1.3高层建筑地基-基础间的共同作用1.4高层建筑基础设计计算理论的发展第1章

绪

论

1.1高层建筑中基础工程的地位

1.1.1高层建筑的表观特征与定义

高层建筑的表观特征是高、大、重、深，即高度高、层数多、体量大、基础埋置深，常有地下空间。(关于高层建筑的定义，世界各国并不一致)美国——最初将22~25m以上或7层以上的建筑称为高层建筑；后来规定，凡层数在40层及高度在152m以下者为低高层建筑，高度介于152~365者为高层建筑，超过100层及高度在365m以上者称为超高层建筑。德国——经常将有人停留的最高一层的楼面距地面22m以上者为高层建筑。法国——居住建筑50m以上，其他建筑28m以上者为高层建筑。1972国际高层建筑会议（美国宾夕法尼亚州伯利克市），将高层建筑划分为以下四类：第一类高层建筑：9~16层（最高到50m）；第二类高层建筑：17~25层（最高到75m）；第三类高层建筑：26~40层（最高到100m）；第四类超高层建筑：40层以上（或高度100m以上）。

在中国，原城乡建设部标准《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》（JZ102-79）以及原国家建筑工程总局标准《高层建筑箱形基础设计与施工规程》（JGJ6-80）将高层建筑的起始点定为8层。后来，《高层民用建筑设计防火规范》（GBJ45-82）规定10层或10层以上的住宅（包括底层设置商业服务网点的住宅），以及高度超过24m的其他民用建筑为高层建筑。《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91）规定8层和8层以上的民用建筑都称为高层建筑。我国现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）规定10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他民用建筑为高层建筑。

我国《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）将住宅建筑依层数划分为：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅；住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑（不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑）；建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。

《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）（2005年版）把10层及10层以上的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）和建筑高度超过24m的公共建筑称为高层建筑。《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）规定建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非单层厂房、仓库和其他民用建筑称为高层建筑。1.1.2高层建筑的起源与发展

著名的古代高层建筑有巴比伦空中花园（91.5m）、亚历山大港灯塔（152.5m）、河北定县料敌塔（82m）、应县木塔（66.7m）、大雁塔（37.68m）等，我国的塔台或佛塔是古代高层建筑的典型代表，其建筑形式和结构特点在古代高层建筑中具有相当高的水平。

据高层建筑与城市住宅委员会CTBUH（CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat）网站（/）2017年1月发布的数据，全球已经建成的建筑高度大于250m的高层建筑有325座，建成年代如图1-1所示，各大洲分布状态如图1-2所示，全球著名高层建筑如表1-1所示。图1-1全球高度大于250m的建筑建造年份图1-2全球高度大于250m的建筑分布区域

2008年以来，全球经济一定程度上受到了金融危机的影响，但似乎并没有影响高层建筑的迅猛发展。据高层建筑与城市住宅委员会CTBUH于2017年1月发布的数据，目前全球有541座高度超过200m的在建高层建筑将于2020年之前建成，其分布区域如图1-3所示。图1-3将于2020年之前建成的在建高层建筑分布据高层建筑与城市住宅委员会CTBUH于2017年1月发布的数据，目前中国大陆有262座高度超过200m的在建高层建筑将于2023年之前建成，主要分布城市如图1-4所示图1-4我国将于2023年之前建成的在建高层建筑分布城市1.1.3基础工程在高层建筑中的地位

1、基础工程造价占高层建筑工程总造价的20%~30%，甚至更多。

据统计，高层建筑中基础工程（包括地下室和基坑工程）的造价占到总造价的20%~30%。在软土地区或对周围环境影响大的场地，因大力加强基坑支护结构和采取特殊施工措施来减小对周边环境的影响，致使基础工程造价更高。2、基础工程施工工期占高层建筑工程总工期的30%~40%，甚至更长。

据统计，高层建筑基础工程施工工期占项目总工期的30%~40%，甚至更长。高层建筑基础施工要引起足够重视，特别是深基坑开挖至基坑回填阶段，既要重视周围环境、建筑物、地下管线的变形，还要高度重视支护结构本身的受力和变形。深基坑开挖引起场地应力场的改变非常复杂，且这种应力场的改变随时间和空间的变化具有较高的模糊性，开挖前可能难以准确判断，致使所采取的工程措施常常具有一定的风险。

高层建筑基础工程对整个建筑物的安全和寿命有举足轻重的影响，国内外已不乏高层建筑因其基础处理不当，而造成整个建筑物突然倾覆的实例，或因建筑物存在基础隐患，建成后濒临倾覆，不得不断然予以整体爆毁或拆除的实例，其他因各种基础工程事故而造成不同程度的损失和严重教训者，亦时有所闻。因此，对高层建筑基础工程的设计施工尤须慎重对待，不能掉以轻心。

综上所述，高层建筑中基础工程的地位可概括成两句话：基础工程的设计与施工是高层建筑正常使用与稳定安全的根本，其造价与工期对高层建筑总造价与总工期有举足轻重的影响。1.2高层建筑基础的类型及特点

1.2.1高层建筑基础结构的类型高层建筑基础结构的基本类型按其地基的支承条件分，主要有以下几种：1）直接由天然地基支承的十字叉条形基础、筏形基础、箱形基础；2）由地基较深土层支承的摩擦桩或端承桩基础；3）由桩基和筏基组成的桩筏基础；4）由桩基和箱基组成的桩箱基础。1.2.2高层建筑基础结构的特点1、承受的竖向和水平荷载大2、为了满足高层建筑的稳定性和利用地下空间的要求，基础埋置深度常常很大，由此带来了十分复杂的基坑工程问题。3、环境影响大4、基础结构的大体积混凝土施工难度大1.3高层建筑地基-基础间的共同作用

1.3.1地基-基础共同作用的含义

从高层建筑结构荷载的传递路径来看，上部结构将荷载传递到基础，基础再将荷载传递到地基土中，在这个传递过程中，上部结构、基础、地基之间是共同作用的。比如，上部结构的底端和基础顶部接触处、基础底面和地基土接触处的变形是相等的，处于静力平衡状态，即上部结构底部支座变形等于基础顶部的挠曲变形，也等于该处地基土的沉降量；上部结构底端支座反力等于基础所受的荷载，基础在上部结构荷载和地基反力共同作用下处于静力平衡状态，地基土在基底附加应力作用下产生沉降变形，直至三者变形稳定。1.3.2高层建筑地基-基础共同作用的新内涵

因地基承载力和稳定性需要，高层建筑的基础埋置深度通常比较大，另外，常常因为地下空间的开发利用需求，使得高层建筑基础和地下室施工产生深大基坑。基坑或深基坑工程，除在较少情况下可采用放坡开挖外，一般应考虑以下各项内容：

基坑围护结构的设计与施工；围护结构的撑锚体系的设计与施工；控制或降低基坑内外地下水位的设计与施工；基坑内外土体加固的设计与施工；土方开挖设计与施工；施工监测与控制，环境保护及险情处理。

通常，高层建筑存在复杂的基坑工程问题，因此，基坑工程既是高层建筑基础工程的重要组成部分，又是岩土工程学科的一门独立的重要分支，并逐步形成一门学科“基坑工程学”。这都是高层建筑地基-基础共同作用的新内涵。1.4高层建筑基础设计计算理论的发展

纵观高层建筑基础结构设计计算方法的演进，大体经历了三个阶段：1、采用结构力学的方法，将高层建筑整个静力平衡体系分割为上部结构、基础结构、地基三个部分，各自独立求解，不考虑三者之间共同作用的阶段。即传统设计方法：上部结构、基础结构独立计算法。2、仅考虑基础结构与地基位移连续与协调，并进行两者的共同作用分析的阶段；3、开始统一考虑上部结构、基础结构和地基共同作用的阶段。2011年批准颁发的行业标准《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》（JGJ6-2011），无疑是高层建筑基础结构设计施工技术发展中的又一重大成果，它为现阶段推动地基-基础共同作用理论的应用以及具体设计计算工作提供了可操作的方法和依据。最近，国内外进一步提出了人为调整地基基础（包括地基土和桩基或两者联合的）刚度，以达到基础结构设计更为经济合理的概念。桩基高层建筑物，当采用大间距的摩擦桩或端承作用较小的端承摩擦桩时，如取用单桩极限承载力进行设计，则桩与土的荷载分担明确，这就有可能合理地布置桩基，人为地调整桩顶反力和基底土反力联合出现的反力分布，从而更有利于基础的合理工作，使设计更为经济合理。《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008总则中指出：1、房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电等各类工程结构设计的基本原则、基本要求和基本方法都要满足该标准的要求，使结构符合可持续发展的要求，并符合安全可靠、经济合理、技术先进、确保质量的要求。2、该标准适用于整个结构、组成结构的构件以及地基基础的设计，适用于结构施工阶段和使用阶段的设计，适用于既有结构的可靠性评定。3、工程结构设计宜采用以概率论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法；当缺乏统计资料时，工程结构设计可根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行；也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法进