第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 超高层建筑桩-筏基础设计关键问题研究 范重，邓仲良，胡纯炀，刘先明，彭翼，赵长军，王义华，刘新颖 （中国建筑设计研究院，北京100044） 提要：超高层建筑的基础形式基本采用桩-筏基础.
针对高层建筑竖向荷载大、差异变形和群桩效应显著、上部结构 影响、后浇带设置等影响因素，结合实际项目对高层建筑桩-筏基础设计中重要技术难点及其解决方案进行了研究并总结.
对水平荷载、差异沉降、群桩效应引起的附加效应和桩土分担比进行了分析：对差异沉降引起的塔楼周边结构的附加受力提 出便于工程解决的三种方案：对超高层建筑裙房和纯地下室部分的抗浮设计进行了总结，并比较抗浮设计中抗拔桩和抗浮锚 杆的经济性：对比了国内外部分超高层项目的筏板厚度：针对沉降分析技术难点，结合某具体超高层项目的桩筏基础设计， 针对各技术要点进行了沉降分析.
此类研究为超高层建筑桩-筏基础设计提供参考.
关键词：桩-筱基确，差异沉降，Mindin方法，抗浮设计 1引言 对于超高层建筑结构基础设计来说，一般选用桩-筏基础形式.
主要是桩-筏基础整体刚度好，适应变 形能力强，筏板厚度能够较好协调沉降变形等原因.
但桩-筏基础是一个复杂的结构系统，工作机理受多 因素的影响，例如：桩刚度、筏板厚度、地质条件等，桩基础施工条件要求较高，施工条件对成桩后桩基 础受力影响较大：另外，成桩工艺、桩身材料类型较多，需对具体项目采用合适、经济的基桩形式.
对单 桩受力的研究直接影响到桩-筏基础受力和变形分析的精确性，如桩竖向刚度”：基桩受力，尤其是长桩， 不仅与桩自身刚度有关，还与桩侧土和桩端土摩阻力有关，如图1所示.
Mindlin根据弹性半空间假定给出其内集中力形式的应力和变形解析式：Geddes利用Mindlin解析 解将桩侧将桩身阻力分为桩端阻力、桩侧均布线荷载和桩侧正三角形分布力，如图2所示.
邱明兵，刘金 砌提出并简化了基于Mindin解附加应力系数，桩基受力和变形提供了更加实用的方法.
单桂理反力F 单性项反力 FA 22 图 1 图2单桩竖向荷载分配 针对高层建筑，差异沉降必须予以重视，尤其是对于高度超过300m的超高层建筑结构的基础设计，
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 同时，上部结构对沉降分析和地基反力有较大影响，可部分抑制差异沉降的产生，随着建筑高度增加， 对地基受力影响的临界高度也越高.
在上部结构-桩-土协同作用分析时，对于超高层建筑而言，需考虑上 部局部高度范围内的结构刚度对基础受力的影响.
对于不良地质条件造成的负摩阻力，筏板板厚的刚度对沉降的影响，核心筒下密布桩基的群桩效 应，对超高层建筑桩-筏基础设计都会有较大影响.
再者，由于超高层建筑自重引起的核心筒区域过 大的变形将造成与周围区域的差异沉降，使得周边地基承载力不足，或产生过大的变形差异，使得规范限 值难以满足.
因此，需要对超高层的桩-筏基础设计中面临的间题系统总结并提出相应的措施.
2超高层建筑桩-筏基础设计要点 超高层建筑桩基基础埋深一般较深，在初步设计概念上，埋深一般取结构高度1/18：如图3所示.
对于高度超过500m以上的建筑，则理深应尽量增大.
基础埋深另一方面也受到建筑与业主对地下室层数 用途要求，因此，结构工程师应在超高层项目的方案前期规划与设计中，结合地勘报告对地下室层数、层 高以及基础底板所在土层情况对基础埋深综合研究后确定.
基础埋深为超高层建筑基础设计中重要指标， 对基础受力、侧向嵌固均有重要影响，应高度重视.
E （a）中国铁物是 （b）阳光保险金融中心 （H=200m，基确埋深 （H=220m，基础埋深 （c）北京绿地中心 （d）银川绿地中心 21. 20m) 28. 35m) （H=260m，基础埋深21.8m） （H=301m，基础埋深16.0m） 图3超高层建筑工程实例 由于超高层桩-筏基础技术要点以及受影响的因素较多，在地质条件符合建设条件的前提下，具体需 要注意的如下.
2.1桩型与桩长 由于超高层建筑自重较大，桩基一般采用大直径桩“，需要注意的是，在选用大直径桩应结合施工单 位钻孔设备等因素综合确定.
定量的预估单桩的承载力特征值R应为： R= GLD (1) u 其中，G、D、L分别为结构自重标准值、楼面恒载标准值、楼面活载标准值.
由预估的单桩承载力特征值和《建筑桩基技术规范》条文说明5.8第4条便可根据桩身承载力则可反 推桩径及配筋.
根据桩基承载力特征值和地质孔点资料，便可确定桩长.
由于超高层建筑桩基长度一般较长，基本为 摩擦端承桩，桩端持力层应尽量选取压缩模量较大的土层，例如：细砂、中砂或卵石层等.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2.2桩的布置 桩的布置应先以标准组合下的柱底反力确定，采用单桩的抗力应采用基桩承载力特征值R.
一般地， 对于超高层建筑桩筏基础桩顶反力，角柱下柱底反力大于边柱，且起控制作用的为风荷载.
角柱下桩数也 多于边柱.
2.3上部结构刚度影响 考虑上部结构对基础受力、变形的影响可以影响荷载传至筏板的内力重分布，对降低差异变形、减 小筏板厚度均有帮助.
2.4刚性假定与弹性假定 《建筑桩基技术规范》5.1.1节一直沿用刚性基础假定，然而对于超高层建筑桩基础而言，群桩与桩 间土实际是一个弹性体，巢斯，赵锡宏等人针对基础刚性和弹性假定，利用实际工程上海中心和金茂中 心进行了对比分析，分析结果表明超高层建筑基础为弹性体，建议采用协同分析的解析解与数值解求解桩 顶反力.
2.4沉降控制与沉降分析 超高层建筑的沉降峰值位于核心筒处，整个筏板变形呈现“锅底”状变形，为降低过大变形，需控制 绝对沉降变形总量和相对变形量，后者也称为差异变形.
过大的差异变形会引起建筑物倾斜和附加受力， 等.
有限元软件通长采用数值选代方法求解，如图4所示.
确定基床系数初始值人 有限元法计算，得到 基底压力P位移 按分层总和法计算沉障S S≤A>否K-Ps 是 最练确定K 图4选代法求解桩刚度和沉降 通过建筑沉降现场实测和理论推戴，文献[16]给出计算高层建筑桩筏基础在结构封顶完成时的沉降量 的估算公式.
式（2）为在进行桩-土协同分析电算时，桩基沉降的合理性提供佐证.
PB.(1-y²）Cm S= E[A C ndB (1-y²）] (2) B =√A (3) A=A-n(K d) (4) 4 2(√n 5) 2.6ln(L/d) C= (S / d)ln L(/ d) (5) 式中，S为结构峻工封顶时沉降量：P为建筑物的荷载，B为基础有效宽度：E=3倍桩侧范围内土的平均
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 压缩模量：y.为桩土共同作用的泊松比，取0.35-0.40：C为等效桩基沉降系数：n为桩数：mc为桩基沉 降修正系数，对中长桩取0.15-0.18. 2.4.1绝对沉降 绝对沉降量的产生因核心筒所承担自重较大，主要由核心筒下桩-土共同承受.
在验算桩顶反力时， 可不考虑土的作用，即上部荷载完全由桩基承担：在计算绝对沉降量时可考虑土的作用.
2.4.2差异（相对）沉降 差异沉降量由于筏板下基础不同的刚度和不同的上部重量来产生的.
降低差异沉降除直接增加基础刚 度外，还可采用变刚度调平，强化沉降值较大处的基础刚度，弱化沉降值较小处的基础刚度，使得整个 筏板整体下沉，并控制沉降总量的一种方法.
2.5附加作用效应 附加作用效应为超高层建筑桩-筏基础设计时所特有的，其一是由于水平荷载（风荷载和地震荷载） 引起的外围桩顶受力增大：其二为由于差异沉降引起的不均匀沉降，周边结构受到的下拉荷载，导致承载 力和相对竖向变形无法满足规范要求 2.5.1水平荷载引起的附加效应 以上海中心为例，可见水平荷载作用下，对基础底板下桩顶反力影响明显，如表1所示，因此对于 超高层建筑而言，基础反力受水平荷载影响较大，尤其结构外围桩顶反力可能存在不利状况.
表1桩顶反力标准值 风荷载 塔楼桩基 项目名称及所在地 恒载活载（kN） 区域筏板 桩数（根)/ (kN) 桩长（n） 标准组合下桩顶反力（kN） 面积（n²） 银川绿地中心 13436<1. 2Ra=15000 （H=301n），银川 35545731079196 178741 2500 240/45 其中风荷载、地震作用引起桩项 反力为2511(18%），3299（25%） 北京绿地中心 10334<1. 2Ra=? （09=H) 2396053590127 87358 2463 242/30 其中风荷、地震作用引起桩项 反力为1711(17%)，2174(21%） 阳光保险金融中心 10232<1. 2Ra=13200 （H=220m），北京 2311319 636243 76081 2489 198/42 其中风荷、地震作用引起桩项 反力为834(8.2%），1355(14%） 中国铁物大厦 10022<Ra=14000 （00=H） 1792059654878 45103 5935 30.4/29.5其中风荷载、地震作用引起桩项 反力为 378 (3.8%)，785(7. 8%) （注：基础埋深仅计算至筏板顶标高. ） 2.5.2差异沉降引起的附加效应 由差异沉降引起的附加效应主要指绝对沉降量较小的竖向构件受到附近绝对沉降量较大的竖向构件 下拉荷载的影响，造成桩顶或地基承载力不满足要求. 此处需采取特殊的构造措施或基础布置方案来解决. 解决措施的精髓是降低地基刚度，变刚度调平，有如下三种措施： （1）变刚度调平 强化核心筒区域桩基刚度（如适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施），相对弱化核心筒外 围桩基刚度. （2）设置后浇带 采用后浇带直接分割竖向荷载的传力途径，待主体结构沉降稳定后才封闭. （3）设置桩项协调变形构造措施 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 在桩顶设置构造措施，允许桩顶与筏板之间存在相对变形. 通过此相对协调变形，释放部分桩顶约束， 进而降低桩底反力，避免桩顶反力超过其承载力特征值. 2.5.3群桩效应 对于摩擦型群桩基础，例如核心筒下的桩顶反力及变形受桩间土影响较大，使得外围的桩顶反力偏大. 因桩长较长，桩身侧阻力大于端阻力，桩径比多为3～4，群桩效应在超高层建筑基础设计中作用明显，对 外围桩顶反力和绝对沉降量均大于按单桩计算值，因此，对于超高层桩筏基础设计，不应按单桩的沉降量 来估计群桩效应的沉降量. 2.6桩土分担比 对于超高层建筑自重很大，塔楼区域筏板底部土参与整体工作，对于超高层建筑的桩-筏基础，地基 土可承担20%左右的建筑物自重，有的甚至达到50%. 在桩-筏基础设计时，如果考虑地基土分担作用， 可从桩基和筏板设计中获得更大的经济效应，根据文献[16]，对于桩土分担比例的经验公式可由下述方法 计算桩土分担比率，对国内重大超高层项目和我院参与的超高层项目进行统计如表2，在计算桩-土分担时 不考虑水浮力的有利作用. 若考虑水浮力，地基土的分担比例还应增加. 由于实际测量较为困难，作者暂 未收集到相关项目的实测试验数据. P =P -(P 5 ~ 10%P)A11 (6) 式中，P为桩基分担建筑物荷载：P为建筑物总荷载：P为基底平均压力：A为塔楼基底面积. 可以看出，不同项目，不同的地质条件下，桩土分担比例不一样. 需要进一步地用试验数据观测来证 实. 表2核心筒区域地基土分担比例 金茂大厦 上海环球金融中心 上海中心银川绿地中心北京绿地中心阳光保险金融中心 理论计算值 10% 22. 4% 31. 9% 8% 13% 15% 2.7抗浮设计 针对超高层建筑裙房和纯地下室的基础设计，一般地，桩筏基础的形式可采取天然地基、天然地基 抗浮锚杆、抗拔桩等形式. 前两者适用于筏板下土地基承载力、弹性模量较高的情况，竖向荷载由天然地 基承担，抗浮锚杆承担水浮力作用：后者适用于筏板下地基承载力不足等情况，竖向荷载由桩-土共同承 担，水浮力由抗拔桩的侧摩阻力承担. 水浮力体现为影响抗浮稳定的整体水浮力和局部水浮力. 在正常建成投入使用后，基坑降水措施消除后，地下水主要在土中是以渗流的形式存在于土的孔隙中， 严格意义上讲，对于地下室底板和地下室挡土墙的设计是地下水压力，而不是地下水浮力. 从保守考虑， 初步设计阶段可以仍然以阿基米德的思想计算水浮力，在施工图阶段可以根据实际测量的地下水压力进行 优化和深化.
