高层建筑概念设计高层建筑概念设计8高层建筑基础设计的潜在内力高层建筑基础设计的潜在内力10延性结构与延性构件的设计概念延性结构与延性构件的设计概念9竖向分体系的初步设计竖向分体系的初步设计1第第8章章 高层建筑基础设计高层建筑基础设计的内在潜力的内在潜力8.1 概述概述-高层建筑基础的合理选型高层建筑基础的合理选型8.2桩筏（箱）基础设计中的桩桩筏（箱）基础设计中的桩-土共同工作土共同工作8.3 上部结构上部结构-地下室地下室-地基基础的相互作用地基基础的相互作用2 高层建筑基础的合理选型与设计是整体结构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。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，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。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。况下，更是如此。8.1 概述概述-高层建筑基础的合理选型高层建筑基础的合理选型3上部结构竖向分体系的荷载传递特征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；及地下室使用功能的要求；地基承载力和（或）桩承载力应满足地基承载力和（或）桩承载力应满足基底附加压力的要求；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）；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：考虑以下几个方面的要求：4基础总沉降量和差异沉降量的控制；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；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基础施工中可能对周边现有建筑物所带来的不利影响；带来的不利影响；基础的工程造价、施工难度与工期等基础的工程造价、施工难度与工期等因素对综合经济效益的影响；因素对综合经济效益的影响；5【工程实例一工程实例一】法兰克福商业银行总部大楼法兰克福商业银行总部大楼工程简况工程简况 地上地上61层；地下层；地下3层。层。P247荷载平面分布荷载平面分布 建筑平面为三角形，三个建筑平面为三角形，三个角筒角筒处竖向荷载处竖向荷载大；中心区域荷载较小。大；中心区域荷载较小。地质条件地质条件 场地下有场地下有3040m厚的粘土、其下是很厚厚的粘土、其下是很厚的多孔岩层（含有空隙的石灰岩、粉砂等）。的多孔岩层（含有空隙的石灰岩、粉砂等）。67【工程实例一工程实例一】法兰克福商业银行总部大楼法兰克福商业银行总部大楼方案一方案一 平板式桩筏基础：平板式桩筏基础： 上部结构荷载不均；板厚需要上部结构荷载不均；板厚需要6m；方案二方案二 桩箱基础：底板厚桩箱基础：底板厚2.5m； “卸载卸载”与补偿效应大；但地下室使用不便；与补偿效应大；但地下室使用不便；方案三方案三 桩土共同作用的桩筏基础：桩土共同作用的桩筏基础：角筒下群桩承台角筒下群桩承台+筏基；桩端嵌固于基岩；筏基；桩端嵌固于基岩；基础方案比较基础方案比较该工程最后选用方案三该工程最后选用方案三8箱型基础特点箱型基础特点箱形基础整体性好、刚度大而且有利于箱形基础整体性好、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的施工工期要比桩基短23个月；个月；高层建筑的地下室往往被用来作为地下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，设计人员越来和传力的原因，设计人员越来越倾向越倾向于于采用采用筏形基础筏形基础，而，而不愿意不愿意选择纵横内隔选择纵横内隔墙较多的墙较多的箱形基础箱形基础；9筏形基础筏形基础又可分为又可分为梁板式筏基梁板式筏基和和平板式筏基平板式筏基。在这两种筏形基础的方案选择时，应注意它们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：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，所以抗弯刚度相差悬殊，所以基础的主要抗基础的主要抗力构件是反梁。力构件是反梁。因此梁的截面高度与配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。基底防水隔板的作用。10优势：优势：基础的混凝土用量要比平板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式筏基少，而基础梁板之间的空间可得以利用；得以利用；弱势：弱势：所需的基础截面高度比相应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；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形基础特点11梁板式筏基一般适用于梁板式筏基一般适用于柱网布置比柱网布置比较规则、柱下荷载比较均匀较规则、柱下荷载比较均匀的的框架框架结构，结构，以及对防水需要做架空地面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；或排水集坑布置比较多的工程；梁板式筏形基础适用范围梁板式筏形基础适用范围12 平板式筏基的平板式筏基的厚度厚度主要取决于建筑物竖向结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。素，并根据抗冲切和抗剪强度验算来确定。优势：优势：基础的截面高度小，具有较大的整体刚基础的截面高度小，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；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；节省挖方和降水的工作量、施工进度快；弱势：弱势： 混凝土的用量比梁板式筏基大；混凝土的用量比梁板式筏基大；平板式筏形基础特点平板式筏形基础特点13当柱网间距较大，或个别柱传递的荷载较当柱网间距较大，或个别柱传递的荷载较大时，可在柱间设置大时，可在柱间设置加强板带或加设抗冲加强板带或加设抗冲切钢筋切钢筋来来减小板厚减小板厚。根据工程经验，平板式筏基的初步设计厚根据工程经验，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，度，在无较大的周边外挑长度的情况下，对框对框-剪和框筒结构（巨型框架和角筒结构剪和框筒结构（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除外）来讲，可按地面以上的楼层数量来进行估算：进行估算：板厚板厚h=建筑楼层数（建筑楼层数（n）（5070mm）14 设计人员应因地制宜，进行设计人员应因地制宜，进行多种多种可行方案可行方案的分析比较，才能选择出的分析比较，才能选择出相对相对最适宜最适宜的基础形式。的基础形式。 而安全可靠、经济合理才是基础而安全可靠、经济合理才是基础选型的根本标准。选型的根本标准。15习惯上不论是习惯上不论是摩擦型桩摩擦型桩还是还是端承型桩端承型桩，一，一概都概都不考虑不考虑筏底桩间土分担上部荷载；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降量，往往都用规范规定的最小桩距限值来满堂布桩，来满堂布桩，认为认为桩距越小，桩身越长桩距越小，桩身越长，设计就设计就越合理，越安全越合理，越安全；目前基础设计中存在的目前基础设计中存在的误区误区8.2 桩筏（箱）基础设计中的桩筏（箱）基础设计中的桩桩-土共同工作土共同工作16共同工作主要表现为共同工作主要表现为 上部结构上部结构-基础共同工作基础共同工作 桩桩-桩共同工作桩共同工作 桩桩-土共同工作土共同工作 桩桩-筏（箱）共同工作筏（箱）共同工作 土土-筏共同工作筏共同工作 1718桩的荷载传递方式与组成桩的荷载传递方式与组成192021根据近年来国内外高层建筑桩筏基础的根据近年来国内外高层建筑桩筏基础的现场现场跟踪测试跟踪测试显示：显示： 在在地基土的物理力学性能比较均匀，上部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结构为匀称布置的框-架、框架、框-筒结构（巨型筒结构（巨型框架和角筒结构除外）的框架和角筒结构除外）的情况下情况下，在施工初在施工初期期，即施工基础上面，即施工基础上面15层楼房的时候，由于层楼房的时候，由于上部结构的整体刚度尚未形成，此时的上部上部结构的整体刚度尚未形成，此时的上部荷载荷载主要由主要由筏底桩间土来承担，土反力增长筏底桩间土来承担，土反力增长也较快，而桩所承担的上部荷载相对较小；也较快，而桩所承担的上部荷载相对较小；8.2.1 摩擦型桩筏基础摩擦型桩筏基础22 随着上部楼层施工的进展，上部结构的随着上部楼层施工的进展，上部结构的整整体刚度逐渐形成，体刚度逐渐形成，并越来越大，此时所增加的并越来越大，此时所增加的上部荷载也上部荷载也渐次从基底土转为渐次从基底土转为由桩来承担，而由桩来承担，而基底土的反力则趋于稳定或稍有波动；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由于上部结构刚度贡献所形成整体架越整体架越作作用，一般情况下都呈现出用，一般情况下都呈现出角桩角桩的桩顶反力增长的桩顶反力增长最快，最快，边桩边桩其次，而其次，而内桩内桩的桩顶反力增长最慢，的桩顶反力增长最慢，结构封顶时，结构封顶时，最大桩顶反力最大桩顶反力经常出现在筏基的经常出现在筏基的角部和边部角部和边部； 基于结构的基于结构的稳定与抗倾覆稳定与抗倾覆问题，问题，角部与边角部与边部部的布桩应慎重；的布桩应慎重；23【工工程程实实例例二二】陕陕西西省省邮邮政政电电信信网网管管中中心心大大楼楼24施工初期施工初期（从地下室至地面以上第（从地下室至地面以上第4层），层），上部荷载主要由筏底的桩间土来承担；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随着上部楼层施工数量的增加，所增加的荷，所增加的荷载转为由桩来承担，而土所分担的比例渐次载转为由桩来承担，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增加最快，边桩次之，而内桩的桩顶反力增加较慢；加较慢；实测结果实测结果25实测结果（续）实测结果（续）结构封顶时结构封顶时：实测的实测的角桩与内桩的桩顶反力比角桩与内桩的桩顶反力比为为1.73，与结构，与结构施工到第施工到第8层时的测试结果接近；层时的测试结果接近；结构封顶时结构封顶时：测得筏底测得筏底内部内部的的平均土反力平均土反力为为89.1kPa，边缘部边缘部位位的的平均土反力平均土反力为为75.4kPa，而，而角部角部的的平均土反平均土反力力只有只有53.2kPa，与沉降分布特征吻合，与沉降分布特征吻合，整个筏整个筏底桩间土约承担了底桩间土约承担了14%的上部总荷载；的上部总荷载；26整个筏底整个筏底桩间土桩间土约承担了约承担了14%的上部总荷载；的上部总荷载；桩和土的分担比值在结构封顶时的桩和土的分担比值在结构封顶时的累积数累积数不足不足100%，这说，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；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；根据根据混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-2002重新复算抗重新复算抗冲切和抗剪，筏板真正所需厚度仅为冲切和抗剪，筏板真正所需厚度仅为1250mm，比现有，比现有筏板厚筏板厚度度减少了一半减少了一半；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，调整，充分发挥充分发挥筏底桩间土的作用筏底桩间土的作用和和桩的极限承载能力，桩的极限承载能力，则还则还可以可以节省节省更多的投资；更多的投资；工程结论工程结论27【工程实例三工程实例三】 法兰克福展览会大楼法兰克福展览会大楼 30层，层，256m，桩，桩-土共同工作的设计代表土共同工作的设计代表28运用运用补偿平衡原理补偿平衡原理，按筏底地基土承担，按筏底地基土承担2/3的上部的上部荷载，而剩余的荷载，而剩余的1/3由桩基承担理念的进行设计，由桩基承担理念的进行设计，共用了共用了64根长度不等的根长度不等的1300的的钻钻孔孔桩桩，其中角，其中角桩桩28根，根，桩长桩长27.0m，边桩边桩20根，根，桩长桩长31.0m，内内桩桩呈呈环环形布置了形布置了16根，根，桩长桩长35.0m，桩桩距距3.56.0D，设计设计思想是以此来加大内思想是以此来加大内桩桩的支承反的支承反力，力，以此来达到加大内桩的支撑反力，同时减小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，从而达到角桩和边桩的支承反力，从而达到减小筏板弯矩减小筏板弯矩的目的；的目的；工程结论工程结论29实测数据显示，筏基沉降呈盆形分布。在大楼建实测数据显示，筏基沉降呈盆形分布。在大楼建到一半时，中心区域的沉降为到一半时，中心区域的沉降为40mm，差异沉降，差异沉降为为15mm，挠曲率为，挠曲率为2.5510-4。当时设计预估的。当时设计预估的沉降值为沉降值为150mm，为无桩筏板基础的，为无桩筏板基础的50%，即试，即试图用图用64根桩将沉降减少根桩将沉降减少50%。该建筑物总荷载为该建筑物总荷载为1880MN，地下水浮力，地下水浮力180MN，则有效的上部荷载为，则有效的上部荷载为1700MN。按原设计拟用按原设计拟用64根桩承担根桩承担1/3总荷载，则平均每根总荷载，则平均每根桩承担的上部荷载为桩承担的上部荷载为1700/3/64=8.85MN=Pu/2.5 相应地：相应地：Pu=2.58.85=22.125MN30实测结果表明实测结果表明：筏底土的分担比为：筏底土的分担比为45%，比设计预估的结果，比设计预估的结果小；按实测的桩分担小；按实测的桩分担55%的总荷载推算，平均每根桩所承担的总荷载推算，平均每根桩所承担的实际荷载为：的实际荷载为：17000.55/64=14.61MN=0.66Pu，比原设，比原设计要高计要高,已接近三分之二的极限承载力标准值，充分发挥了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。桩的承载能力。我国常规的单桩极限承载力设计值是按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满堂布桩的平均每根单桩所分担的荷载往往按Pu/(2.53.5)来控制。来控制。此工程的基础设计揭示了一些桩此工程的基础设计揭示了一些桩-土共同作用的自然法则，土共同作用的自然法则，值得结构设计同仁借鉴值得结构设计同仁借鉴318.2.2 嵌岩型桩筏基础嵌岩型桩筏基础误区：误区：认为此为端承桩，上部荷载认为此为端承桩，上部荷载100%由桩承担由桩承担 根据试验和实际工程现场实测和资料显示：根据试验和实际工程现场实测和资料显示：除了除了基底土为液化土、湿陷土、欠固结土、超软土外，长径基底土为液化土、湿陷土、欠固结土、超软土外，长径比较大的嵌岩型桩比较大的嵌岩型桩一般为一般为L/D3540； 对泥浆护壁的对泥浆护壁的钻（冲）孔桩由于桩端无法克服沉渣形成的软垫，一般钻（冲）孔桩由于桩端无法克服沉渣形成的软垫，一般为为L/D 25。其桩的受力理论分析都与摩擦端承桩相类其桩的受力理论分析都与摩擦端承桩相类似，似，而而其在正常工作状况下的荷载传递与破坏形式则其在正常工作状况下的荷载传递与破坏形式则更更多地表现为摩擦型桩的特性；多地表现为摩擦型桩的特性；32土层分布土层分布从上至下为杂填土、粘土、淤泥从上至下为杂填土、粘土、淤泥夹细粉砂、中细砂夹淤泥、淤积软土（厚夹细粉砂、中细砂夹淤泥、淤积软土（厚约约40m）粘性土、粉质粘土混碎石、风化）粘性土、粉质粘土混碎石、风化基岩（基岩（埋深约埋深约80m，qa=4800kPa）。）。工程试桩采用慢维持荷载法试验，加载采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：理论计算结果见下表：如温州市的某一工程如温州市的某一工程33温州某工程试桩静载荷试验结果温州某工程试桩静载荷试验结果34其中其中S1和和S2的的理论计算桩端反力理论计算桩端反力分别占极分别占极限承载力的限承载力的32.7%和和35%，而，而实测的端阻实测的端阻力力却整整小了一倍多却整整小了一倍多，仅占了，仅占了13.5%和和15%，而，而摩擦侧阻力摩擦侧阻力却分别占了却分别占了86.5%和和85%。这说明这说明嵌岩桩嵌岩桩已充分地表现为摩擦型桩的已充分地表现为摩擦型桩的性状；性状；35另外：另外：在同一场地在同一场地，同一桩端土性同一桩端土性，而不同长径比而不同长径比灌注桩的对比试验研灌注桩的对比试验研究也表明：在同一桩径究也表明：在同一桩径D=800 mm的条件下，长径比的条件下，长径比L/D=29的极限端的极限端阻力仅是阻力仅是L/D=6的极限端阻力的的极限端阻力的1/2左右；左右；36嵌岩桩嵌岩桩不能一概而论不能一概而论地定性为地定性为端端承桩承桩，关键取决于长径比及其上，关键取决于长径比及其上覆土层提供的桩侧摩阻力承担，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，这而传到嵌岩部分的力已很小，这时即呈现摩擦型桩的性状。时即呈现摩擦型桩的性状。工程结论工程结论37【工程实例四工程实例四】南京某大厦南京某大厦38由于由于裙房的存在，裙房的存在，整体刚度加大，而且裙整体刚度加大，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；整个建筑物的沉降趋于均匀；筏板筏板边缘处边缘处的的平均土反力值平均土反力值最大最大，核心筒核心筒下筏底的土反力值要比筏板边缘的土反力下筏底的土反力值要比筏板边缘的土反力值值小小1015kPa，而，而筏板角部筏板角部的土反力值的土反力值最小最小；南京某大厦工程结论南京某大厦工程结论39该工程按传统的常规方法设计该工程按传统的常规方法设计 是过于保守的是过于保守的；四桩对角线交点处的土反力值要大于两桩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。这说明间中点处的土反力值。这说明土反力值的土反力值的大小大小在一定程度上在一定程度上受桩间距大小受桩间距大小的的影响影响；桩顶反力：结论同前；桩顶反力：结论同前；南京某大厦工程结论（续）南京某大厦工程结论（续）40南京某大厦工程实测桩、土应力南京某大厦工程实测桩、土应力41规律总结规律总结从上述的工程实例不难看出：对于从上述的工程实例不难看出：对于长径比较大长径比较大的的嵌岩嵌岩桩桩，在其覆盖土层为非液化土、湿陷土、欠固结或超，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，都同样软土的情况下，都同样具有摩擦型桩的特性具有摩擦型桩的特性，筏底桩，筏底桩间土实际上都间土实际上都分担着一定比例分担着一定比例的上部荷载。的上部荷载。 若在设计时能合理布桩，并适当地若在设计时能合理布桩，并适当地调整和加大调整和加大桩距，桩距， 就能就能充分发挥充分发挥筏底桩间土的分担作用和桩的极限承载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。度，减少施工工作量、缩短工期、节省造价。42在进行桩筏基础设计是应注意以下几点：在进行桩筏基础设计是应注意以下几点：8.2.3 根据桩根据桩-土受力特征土受力特征调整桩距与合理布桩调整桩距与合理布桩减小桩间距减小桩间距不但不但会降低土的分担比（某工程桩间距会降低土的分担比（某工程桩间距为为3D，实测的桩间土分担比不到，实测的桩间土分担比不到8%）、增加桩的）、增加桩的用量，用量，而且而且也不利于施工，对于长径比很大的桩，也不利于施工，对于长径比很大的桩，甚至甚至会削弱群桩的侧阻力；会削弱群桩的侧阻力；43在在筏底满堂均匀布桩筏底满堂均匀布桩的情况下都表现为的情况下都表现为桩桩基的受力分布不均匀基的受力分布不均匀。高层建筑的桩筏基。高层建筑的桩筏基础础不宜采用不宜采用满堂均匀布桩，满堂均匀布桩，而应而应根据具体根据具体工程桩基的实际受力分布情况进行针对性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；的桩距调整与合理布桩；适当增大桩距，适当增大桩距，不但可以加大土的分担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比，而且还能更好地发挥桩自身固有的极限承载能力。限承载能力。群桩效率随桩距的增大而提群桩效率随桩距的增大而提高，高， 到到6D的桩距时，的桩距时， 群桩效率与单桩接群桩效率与单桩接近近，而且土的分担比也明显加大；而且土的分担比也明显加大；44群桩基础中桩距对荷载分担比的影响群桩基础中桩距对荷载分担比的影响45群桩基础中桩长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46对于基底对于基底桩间土为饱和粘土桩间土为饱和粘土的桩筏基础，打桩的桩筏基础，打桩时易引起超孔隙水压力：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，持力层较硬，桩基变形小，会导致会导致筏底与土的接筏底与土的接触压力渐次减小，最后形成筏底与桩间土触压力渐次减小，最后形成筏底与桩间土脱空脱空，甚至会出现甚至会出现负摩擦阻力负摩擦阻力。 在这种情况下，基底土是无法分担上部荷载在这种情况下，基底土是无法分担上部荷载的，而的，而全部全部都由桩基来承担；都由桩基来承担；特别注意特别注意47【工程实例五工程实例五】上海某上海某24层住宅楼层住宅楼48现场测试箱基底板所受的平均反力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：随上部楼层施工进展的变化情况见下图：4950工程结论工程结论该工程中该工程中基坑桩间土没有起到任何分担荷载的作用基坑桩间土没有起到任何分担荷载的作用原因：原因： 开始浇筑箱基底板混凝土时开始浇筑箱基底板混凝土时，基坑周围采用了，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。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随着基础与上部结构的整体刚度逐渐形成，打，打桩时引起的超孔隙水压力渐次消散，桩间土固结变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，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，最后导致基底和桩间土的接触脱空， 而在地下室建成后而在地下室建成后，井点降水终止，地下水即，井点降水终止，地下水即回升至常水位；回升至常水位；518.3 上部结构上部结构-地下室地下室-地基基础的相互作用地基基础的相互作用无论无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，在竖向荷载还是水平荷载的作用下，它们它们都会有机地都会有机地共同作用共同作用，相互协调变形。，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论仍不够完善，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，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；是根本无法达到真正设计要求的目的；52不考虑上、下共同相互作用的阶段；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；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；相互作用的新阶段；高层建筑基础的分析与设计经历了高层建筑基础的分析与设计经历了下述下述三个阶段：三个阶段：53底板底板的的整体弯曲整体弯曲（比率）都很小，（比率）都很小， 往往都不到万分之五；往往都不到万分之五；筏（或底）板筏（或底）板钢筋应力钢筋应力一般都在一般都在2030N/mm2之间，之间，只有钢筋强度设只有钢筋强度设计值的计值的十分之一十分之一；诸多工程的诸多工程的实测实测都显示了都显示了如下结论如下结论：8.3.1 基础底板的内在潜力基础底板的内在潜力54基础底板施工时，基础底板施工时，只有只有底板的自重；底板的自重；无上部结构的边界约束，而混凝土的硬化无上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在收缩力大，在底板底板的收缩应变的过程中，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；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基础底面与地基土之间巨大的摩擦力摩擦力起着起着一定程度的反弯曲作用。一定程度的反弯曲作用。导致上述现象的因素比较多：导致上述现象的因素比较多：55最主要的是上部结构和地下室整体刚度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，起的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了到了拱拱的作用。从而的作用。从而减小了减小了底板的挠曲底板的挠曲和内力；和内力；摩擦力是整栋建筑的客观摩擦力是整栋建筑的客观边界条件边界条件，不不能视而不见能视而不见。特别是对于天然地基的箱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，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，则基础变形模量，基床系数都比较大，则基础底板的内力和相应的底板的内力和相应的挠曲率挠曲率势必会势必会相应相应减少减少；56工程设计建议工程设计建议从诸多工程实例中可以看出，高层建筑基础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底板实际所承受的弯曲内力都都远小于远小于常规计常规计算值，算值，有很大的内在潜力有很大的内在潜力。所以结构工程师在具体工程项目的设计中，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；比实际所需大很多，会造成很大的浪费；57高层建筑基础应具有一定的高层建筑基础应具有一定的埋置深度埋置深度，而影响基，而影响基础埋置深度的主要因素是建筑物的高度、体系、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；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。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设计人员务必在设计中充分挖掘它的潜在功能潜在功能，利用它的有利作用；利用它的有利作用；58地下室深基坑的开挖，对天然地基或复合地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基的基础能起到很大的卸载和补偿卸载和补偿作用，从作用，从而减少了地基的附加压力；而减少了地基的附加压力；地下室的潜在功能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筋混凝土外墙的被动土压力和侧墙的摩擦阻力都力都限制了限制了基础的摆动基础的摆动，加强了基础的，加强了基础的稳定稳定，并使基础底板的压力分布并使基础底板的压力分布趋于平缓趋于平缓；59地下室的潜在功能地下室的潜在功能 对于高层建筑的基础设计，结构工程师必须对于高层建筑的基础设计，结构工程师必须加强加强对对地下室周边回填土地下室周边回填土的质量要求和控制，以的质量要求和控制，以避免不认真夯实回填土的情况产生。避免不认真夯实回填土的情况产生。 内摩擦角越大，土回填就越密实，抗剪强度内摩擦角越大，土回填就越密实，抗剪强度越高，提供的被动土压力也就越大，对基础的越高，提供的被动土压力也就越大，对基础的稳稳定定越有保证越有保证。 同时，地下室外墙与回填土同时，地下室外墙与回填土之间之间巨大接触面巨大接触面积上的积上的摩擦力摩擦力同样也对地基基础起着很大的同样也对地基基础起着很大的卸载卸载与补偿与补偿作用；作用；60地下室的地下室的潜在功能潜在功能 地下室结构的地下室结构的层间刚度层间刚度要比上部结构要比上部结构大得大得多多，地上建筑的井筒、剪力墙和（或）柱都直接，地上建筑的井筒、剪力墙和（或）柱都直接贯通到地下室，特别是地下室的外墙都是很厚且贯通到地下室，特别是地下室的外墙都是很厚且开洞极少的钢筋混凝土墙挡土墙，在大面积的被开洞极少的钢筋混凝土墙挡土墙，在大面积的被动土压力与摩擦阻力的侧限下，与地基土形成整动土压力与摩擦阻力的侧限下，与地基土形成整体，地震时与地层移动同步；体，地震时与地层移动同步； 而且，地下室与地基及周边土的共同作用又而且，地下室与地基及周边土的共同作用又反过来对上部结构的整体刚度提供了一定的反过来对上部结构的整体刚度提供了一定的补偿补偿性贡献；性贡献；61在上部结构和工程地质条件在上部结构和工程地质条件完全相同完全相同的情况下的情况下有关地下室的潜在功能的结论有关地下室的潜在功能的结论有地下室的高层建筑的有地下室的高层建筑的自振周期自振周期要比无地下室的要比无地下室的小小；有桩基的高层建筑的有桩基的高层建筑的自振周期自振周期要要小于小于天然地基的；天然地基的；大直径桩的高层建筑的大直径桩的高层建筑的自振周期自振周期要要小于小于小直径桩的；小直径桩的；有两层地下室的高层建筑有两层地下室的高层建筑整体刚度整体刚度要要大于大于只有一层地只有一层地下室的；下室的；6263本例中，有两层地下室本例中，有两层地下室+桩基的结构整体刚桩基的结构整体刚度是相应的无地下室桩基整体刚度的度是相应的无地下室桩基整体刚度的2.8倍倍左右，但其自振周期还是要比完全嵌固于左右，但其自振周期还是要比完全嵌固于刚性地基计算模型的自振周期（刚性地基计算模型的自振周期（T=0.8s）大大50%，即坐落于刚性地基的计算模型的，即坐落于刚性地基的计算模型的刚度要比两层地下室刚度要比两层地下室+桩基的结构整体刚度桩基的结构整体刚度大了大了2.2倍左右。倍左右。设计人员必须有这样的概念，即按照刚性设计人员必须有这样的概念，即按照刚性地基计算模型算出的顶部位移或层间位移地基计算模型算出的顶部位移或层间位移要小于实际位移值，而地震剪力和倾覆力要小于实际位移值，而地震剪力和倾覆力矩却大于计算值。矩却大于计算值。6465 总之，高层建筑总之，高层建筑基础设计基础设计的的潜力很大，潜力很大，如果在所依据的计算理论不够完善的如果在所依据的计算理论不够完善的情况下，再无端保守地加大箱（筏）情况下，再无端保守地加大箱（筏）形基础底板的厚度、配筋量和布桩的形基础底板的厚度、配筋量和布桩的数量，会造成很大的数量，会造成很大的浪费浪费和极其不良和极其不良的综合经济效益。的综合经济效益。66