高层建筑结构的基础设计

第八讲 高层建筑结构的基础设计

基础是房屋结构的重要组成部分，房屋所受的各种荷载都要经过基础传至地基。由于高层建筑层数多、上部结构荷载很大，导致使其基础具有埋置深度大，材料用量多，施工周期长，工程造价高等特点。为此，高层建筑基础设计时应满足以下几方面的要求： (1)基础的总沉降量和差异沉降量满足规范规定的允许值； （2）满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求； （3）地下结构满足建筑防水的要求；

（4）预先估计在基础施工过程中对毗邻房屋或市政设施的影响，并尽可能避免或减轻这种影响和干扰； （5）应考虑综合经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。

地震区的高层建筑宜选择对抗震有利的地段，避开不利地段，当条件不允许避开不利地段时，应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于地基失稳而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。

由以上可知，高层建筑基础的设计对房屋的正常使用和安全至关重要，应根据岩土工程勘探资料，综合考虑上部结构类型、材料情况、施工条件和使用功能要求等因素，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

一、基础的选型和埋置深度

高层建筑基础的选型应根据上部结构情况、工程地质、抗震设防要求、施工条件、周围建筑物和环境条件等因素综合考虑确定。

应选用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。天然地基上的筏形基础比较经济，宜优先采用；必要时也可采用箱形基础；当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形的要求时，也可采用交叉梁基础或其它基础形式；当地基承载力和变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。

基础是否发生倾斜是高层建筑是否安全的关键因素。高层建筑由于质心高、荷载大，对基础底面一般难免有偏心，故在沉降过程中，建筑物总重量对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，而此倾覆力矩增量又产生新的倾斜增量，倾斜可能随之增长，直至地基变形稳定为止。因此，为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。《高

层规程》规定，在地基土比较均匀的条件下，箱形基础、筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，偏心距e宜符合下式要求：

对低压缩性地基或端承桩基的基础，可适当放宽偏心距的限制。按上式计算时，裙房与主楼可分开考虑。

为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其基底压应力不致过于集中，为此，可通过限制基础底面压应力较小一端的应力状态来实现。《高层规程》规定，高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4 的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％。当满足上述要求时，高层建筑结构的抗倾覆能力具有足够的安全储备，不需再验算结构的倾覆问题。对裙楼和主楼质量偏心较大的高层建筑，裙楼与主楼可分别进行基底应力计算。

二、基础的埋置深度

高层建筑基础必须有足够的埋置深度，这主要是考虑了以下几方面的因素：

（1）增大基础埋深可保证高层建筑在水平荷载（风和地震作用）作用下的地基稳定性，减少建筑的整体倾斜，防止倾覆和滑移，利用土的侧限形成嵌固条件，保证高层建筑的稳定；

（2）由于基础增大埋深，可使地基的附加压力减小，且地基承载力的深度修正也加大，则可以提高地基的承载力，减少基础的沉降量；

（3）增大基础埋深，可使地下室外墙与土体之间的摩擦力和被动土压力增大，从而限制了基础在水平荷载作用下的摆动，使基础底面上反力分布趋于平缓；

（4）地震作用下结构的动力效应与基础埋置深度关系较大，增大埋深，可使阻尼增大，结构的地震反应减小，而且土质越软，埋置深度越大，地震反应减小得越多。因此增大埋深有利于建筑物抗震。实测表明，有地下室的建筑地震反应可降低（20—30）％。

基础的埋置深度对房屋造价、施工技术措施、工期以及保证房屋正常使用等都有很大的影响。基础埋置太深，还会增加房屋的造价；而埋置太浅，通常又不能保证房屋的稳定性。因此，基础设计时应根据实际情况选择一个合理的埋置深度。当基础直接搁置在基岩上时，可以不考虑埋深的要求，但一定要做好地锚，保证基础不发生滑移。

基础的埋置深度指有效埋深，一般指从自室外地面起算，天然地基算至基础底面的下皮标高，桩基础算至承台的下皮标高；当室外地面不等高时，应按较低的一侧起算，如下图所示；当地下室周围无可靠侧限时，应从具有侧限的地面起算。《高层规程》规定，高层建筑基础的埋置深度，对天然地基或复合地基，可取房屋高度的1/15；对桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及当有可靠依据时，基础埋置深度可适当减小。当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。

当高层建筑的地下室周边需要设置连续的采光井时，土体与采光井的挡土墙接触，不能对基础形成有效的侧限，此时应每隔一段距离，在基础与采光井外壁之间设置连接短墙，以利用周围土体对基础产生侧限，保证水平力的传递。

高层建筑一般带有裙房，当主楼与裙房用沉降缝分开时，主楼的有效埋置深度应从有侧限的地坪起算。

若主楼与裙房基础的埋置深度相同，则主楼的有效埋置深度为零，此时基础埋置深度没有受到侧向限制，宜将主楼基础的埋置深度增大，则主楼与裙房两基础埋置深度的差值为主楼基础的有效埋深。在不得已情况下，亦可在主楼与裙房基础之间的沉降缝内填充松散、坚硬的材料（如粗砂），使两者之间可以传递水平力，同时又不妨碍沉降缝两侧基础发生相对沉降。

三、高层建筑基础与裙房基础的连接

高层建筑常常附有层数不多，用作门厅、商店、餐厅等的裙房，裙房一般柱距较大，比较空旷，高层部分与裙房两者之间上部刚度和荷载相差悬殊，基础附加压力差别极大，导致基础沉降量不同，理应设置沉降缝将二者基础分开，以避免差异沉降量对上部结构的影响。实际上，高层部分与裙房之间基础是否需要断开，应根据地基土质、基础形式、建筑平面体形等情况区别对待。当采用天然地基，而地基承载力较小，预计主楼与裙房基础的绝对沉降量及差异沉降量均较大时，应在主楼与裙房之间设置沉降缝将二者断开，使彼此可以自由沉降。

当地基土质较好，或采用桩基础，高层部分和裙房基础各自的沉降量及二者差异沉降量都比较小，且计算比较可靠时，主楼与裙房之间的基础及上部结构可以连成整体，不需设置沉降缝。从房屋的建筑使用功能及防水要求考虑，亦不希望设置沉降缝。目前，国内高层建筑的主楼与裙房之间多数不设永久缝，实测表明，当主楼地基下沉时，由于土的剪切传递，主楼以外的地基也随之下沉，其影响范围随土质而异，即地基沉降曲线在主楼与裙房的连接处是连续的，不会发生突变的差异沉降，而是在裙房若干跨内产生连续性的差异沉降。

当高层建筑主楼与裙房之间不设置沉降缝时，为了减小差异沉降引起的结构内力，可采用施工后浇带的措施。施工后浇带设置在裙房一侧，宽度不应小于800mm，其位置宜设在距主楼边的第二跨内、从基础到裙房屋顶所有的构件上。后浇带中的钢筋最好是先断开（若以后采用搭接，要求钢筋留出锚固长度；若以后采用焊接，钢筋可以切断），也允许钢筋不切断而直接连通起来。在施工期间，后浇带混凝土先不浇筑，这样主楼与裙房可以自由沉降，到施工后期，沉降基本稳定后再浇筑混凝土连为整体。当采用天然地基时，后浇带混凝土通常待主楼结构施工完毕后浇筑；如果采用以端承桩为主的桩基础，由

于桩基础沉降差较小，可根据施工期间的沉降观测结果，随时浇筑后浇带混凝土。后浇带浇筑用的混凝土，宜采用浇筑水泥或硫酸铝盐等早强、快硬、无收缩的水泥；同时，基础底板及地下室外墙在施工后浇带处要做好防水处理。

北京西苑饭店新楼，主楼地下3层，地上23层，加塔楼总高度93.51m；裙房地下2层，地上2—3层；主楼采用箱形基础，底面标高为-12m，支承在砂卵石层上，裙房采用交叉梁基础，底面标高为-7.55—-9.5m，支承在粉砂层上。由于基底土质较好，绝对沉降量小，该结构采用了主楼与裙房之间不设沉降缝而连为整体的方案，为减小主楼与裙房之间的差异沉降量，在施工期间，从基础到裙房屋顶留有后浇带，如图所示，待主楼施工至23 层时浇筑后浇带连为整体。

下图所示为某高层建筑平面，主楼均为矩形平面框筒结构，Ⅰ、Ⅱ栋分别为14 层和18 层，Ⅲ、Ⅳ栋分别为28 层和23 层，由防震缝分为两段；裙房5 层，与主楼共用一个基础，施工时在主楼与裙房之间留有后浇带。

四、地基、基础和上部结构的共同作用分析

地基、基础和上部结构三者是一个整体，要正确地求得基础的真实受力情况，必须考虑三者的共同作用，就是把地基、基础和上部结构看作一个彼此相互协调工作的整体，在连接点和接触点处满足变形协调条件以求得整个系统的变形和内力。由于这种计算分析方法十分复杂，有待于进一步完善，目前尚不能完全用于实际工程。

实际工程中，一般是将上部结构与基础分离开，并假定它固定于基础顶面（图(a)），然后按结构力学方法求得支座反力(图(b))，并反作用于基础，作为基础承受的荷载(图(c))。

当考虑地基与基础的共同作用时，将基础看作（弹性）地基上的梁或板，按照不同的地基模型根据静力平衡条件和接触点处的变形协调条件计算基底反力及基础的内力。当不需要考虑地基与基础的共同作用时，假定基底反力为直线分布，将柱视为支座，基础看成倒置的连续梁或板，在基底净反力作用下按结构力学方法计算基础内力。

由上可知，目前对上部结构的分析，一般不考虑与地基、基础的共同作用；基础的分析有时虽考虑了与地基的共同作用，但通常也不计入上部结构的影响。尽管如此，掌握地基、基础、上部结构相互作用的基本概念将有助于了解各类基础的性能、正确选择地基基础方案、评价常规分析与实际之间的可能差异、理解影响地基变形允许值的因素等有关问题。因此，高层建筑基础应根据上部结构和地质状况进行设计，宜考虑地基、基础与上部结构相互作用的影响。

1、上部结构刚度对基础内力的影响

从与地基变形相互作用的观点出发，上部结构可分为刚性结构、柔性结构和半刚性结构。当上部结构为绝对刚性时，地基变形只使各柱均匀下沉（图(a)）；若忽略柱端的转动约束作用，则柱端可视为基础梁的不动铰支座，亦即基础犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，在基底反力作用下只产生局部弯曲。当上部结构为绝对柔性时，上部结构对基础的变形毫无制约作用（图(b)），基础梁在产生局部弯曲的同时，还产生很大的整体弯曲。由上可见，两种情况下基础梁的挠曲形式及相应的内力图有很大的差别。

工程中的实际结构常介于上述二者之间，属于半刚性结构。一般根据工程经验定性地判断比较接近哪一种情况，了解可能出现的地基变形特征并判定结构出现破坏的部位，以便采取有效措施。如上部结构为剪力墙结构房屋，则接近于绝对刚性结构；单层排架房屋接近于柔性结构。但是刚度较大的上部结构在抵抗和调整地基变形的同时，结构内部将产生很大的附加应力；反之，上部结构刚度愈小，产生的附加应力也愈小。

2、基础刚度对地基反力的影响

绝对柔性基础且当忽略上部结构刚度时，其抗弯刚度为零，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，基底反力分布与它受到的荷载分布完全一致，因此基础中不产生弯矩和剪力。在均匀分布荷载作用下，基础的沉降是中间大而两边小，呈盆形（图(a)）；为了使基础的沉降趋于均匀，荷载分布应是中间小两边大，呈不均匀状（图(b)）

当基础为绝对刚性时，其抗弯刚度为无限大，不论上部结构的刚度大小和荷载分布，基础受力沉降后仍保持为平面。若上部结构荷载的合力作用点通过基底的形心，则基础产生均匀沉降，基底反力分布为边缘大而中间小的曲线（图(a)中的实线）；当荷载偏心作用时，基础沉降后为一倾斜的平面，基底反力分布也为不对称的曲线（图(b)中的实线）。

由上可知，刚性基础在调整基础沉降使之均匀的同时，还使基底反力分布由中间向两边转移；刚性基础这种能跨越基础中间，将承受的荷载向两边转移的现象称为基础的“架越作用”。显然，基础的刚性越大，这种“架越作用”也越大，因而基础中部受到的弯矩也越大。当基底边缘处的压应力超过了地基土的线弹性阶段时，随着塑性区的发展，基底反力产生重分布，塑性区最先出现在边缘处，使反力减小，并向中部转移，形成马鞍形分布，如图中的虚线所示。

实际上，基础的刚度是有限的，因而其基底反力分布介于上述两种情况之间。理论分析与实验研究表明，基底反力不仅与基础刚度有关，还涉及到土的类别与其变形特性、荷载大小与分布、土的固结与蠕变特性、以及基础的埋置深度与形状等多种因素。如果基础底面积足够大，有一定埋置深度，荷载不大，地基尚处于线性变形阶段，则基底反力分布为马鞍形（图(a)）。砂土地基上的小型基础，埋置深度较浅或荷载较大时，基础边缘塑性区的扩大导致这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体，使中部基底反力增大，呈抛物线形（图(b)）。当荷载非常大，以致地基接近整体破坏时，基底反力更加向中部集中而呈钟形（图(c)）

3、地基条件对基础受力的影响

基础的受力状况还取决于地基土的压缩性及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时，基础不仅不会产生整体弯曲，局部弯曲也很小，同时上部结构因沉降产生的附加应力亦很小。实际工程中，常遇到的地基土均有一定（有时较大）的压缩性，且其分布有时也不均匀。如下图所示的两种情况，基础弯矩图截然不同。

五、筏形基础设计

筏形基础也称为片筏基础或筏式基础，是高层建筑中常用的一种基础形式，它适用于高层建筑地下部分用做商场、停车场、机房等大空间房屋。筏形基础具有整体刚度大，能有效地调整基底压力和不均匀沉降，并有较好的防渗性能；同时，天然地基上的筏形基础以整个房屋下大面积的筏片与地基相接触，可使地基承载力随着基础埋深和宽度的增加而增大，使基础的沉降随着埋深的增加而增大，因而它具有减小基底压力和调整不均匀沉降的能力。

筏形基础可分为平板式筏形基础和梁板式筏形基础，如下图所示。平板式筏形基础[图（a）]是一块厚度相等的钢筋混凝土平板，其厚度通常为1m—2.5m，故混凝土用量大，但施工方便，建造速度快。梁板式筏形基础[图（b）、（c）]的底板厚度较小，在两个方向上沿柱列布置有肋梁，以加强底板的刚度，改善底板的受力。这种基础实质上是一个钢筋混凝土肋梁楼盖，其优点是节省混凝土用量，但模板及施工较复杂。平板式筏形基础适用于柱荷载不大、柱距较小且等柱距的情况，当荷载较大时，可以加大柱下的板厚[图（d）]；当柱荷载较大且不均匀，柱距又较大时，可采用梁板式筏形基础。

1、筏形基础尺寸的确定

筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定。在确定基础平面尺寸时，为避免基础发生过大的倾斜和改善基础受力状况，应使基础平面形心与上部结构竖向荷载重心之间的偏心距满足要求；否则，可通过改变基础底板在四边的外伸长度来调整基底的形心位置，或采取减小柱荷载差的措施，调整上部结构竖向荷载的重心，尽可能使上部结构竖向荷载的重心与基础平面的形心相重合。

当满足地基承载力时，筏形基础的周边不宜向外有较大的伸挑扩大。当需要外挑时，其外挑长度一般不宜大于同一方向边跨柱距的1/4—1/3,同时宜将肋梁伸至筏板边缘；周边有墙的筏形基础，其外挑长度一般为1m 左右，也可不外伸。

平板式筏形基础的板厚可根据受冲切承载力计算确定，板厚不宜小于400mm。冲切计算时，应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。当柱荷载较大，等厚度筏板的受冲切力不能满足要求时，可将筏板上面增设柱墩或在筏板下局部增加板厚或配置抗冲切钢筋来提高受冲切承载力。对墙下筏式基础，宜采用等厚度的平板式筏板，设计时可根据上部结构开间及荷载大小由经验确定，也可根据楼层按每层50mm 估算，并进行受冲切承载力计算。梁板式筏形基础的底板除计算正截面受弯承载力外，其厚度尚应满足受冲切承载力和受剪承载力的要求；对12 层以上建筑的梁板式筏形基础，其底板厚度与最大双向板格的短边净跨之比不应小于1/14，且不得小于400mm。肋梁截面应满足正截面受弯及斜截面受剪承载力，并应验算底层柱下的肋梁顶面局部受压承载力；肋梁高度取值应包括底板厚度在内，梁高不宜小于平均柱距的1/6；肋梁的宽度不宜过大，在设计剪力满足

的

条件下，当梁宽小于柱宽时，可将肋梁在柱边加腋以满足构造要求（下图 (a)、(b)）；因此，肋梁截面应综合考虑荷载大小、柱距、地质条件等因素，经计算满足承载力的要求。当柱荷载较大时，可在柱侧肋梁加腋。

底层柱、墙与梁板式筏形基础的肋梁连接应满足下图所示的构造要求，即柱、墙的边缘至肋梁边缘的距离不应小于50mm。

2、筏形基础的基底反力及内力计算

筏形基础的设计方法，根据采用的假定不同可分为刚性板方法和弹性板方法两大类。弹性板方法又可分为经典解析法、数值分析法（如有限差分法、有限单元法和样条函数法）和等代交叉弹性地基梁法等；弹性板方法虽未考虑上部结构的作用，但考虑了地基与基础的相互作用，与实际情况较为符合。刚性板方法也称为倒楼盖法，常用的有板带法和双向板法，该方法既不考虑上部结构刚度，也不考虑地基、基础的相互作用，即假定基础为绝对刚性，地基反力呈直线分布。由于刚性板方法较为简单，且在多数情况下也能满足工程计算的需要，在工程中得到了广泛应用。本节仅介绍刚性板方法。

当地基土比较均匀，上部结构刚度较好，平板式筏形基础的厚跨比或梁板式筏形基础的肋梁高跨比不小于1/6，柱间距及柱荷载的变化不超过20％时，高层建筑的筏形基础可仅考虑局部弯曲作用，按倒楼盖法（即刚性板方法）进行计算。按刚性板方法计算时，假定基础底板相对于地基而言是绝对刚性的，则筏形基础的内力可按基底反力直线分布进行计算。当不符合上述条件，如地基比较复杂、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏形基础的基底反力宜按弹性板方法进行计算。

将坐标原点置于筏形基础的形心处，则基底反力可按下式计算

由上式求得基底反力后，可进行地基承载力验算。基础内力计算时采用基底净反力，计算时应扣除底板自重及其上填土自重，将基底净反力视为荷载，按倒楼盖法进行筏形基础内力的计算。

（1）平板式筏形基础内力计算对平板式筏形基础，当相邻柱荷载和柱距变化不大时，可将筏板在x方向划分为相互垂直的板带，板带的分界线为相邻柱列间的中线，如下图示，取出每一条板带按独立的条形基础进行内力计算。

由于独立的板带没有考虑板带相互间的剪力影响，致使每一条板带柱荷载总和与基底净反力总和不平衡，因此，在计算板带内力之前应进行必要的调整。图中的ABCH 板带，柱荷载总和为

基底净反力的平均值为

柱荷载和基底净反力均按其平均值进行修正，则柱荷载的修正系数为

修正的基底平均净反力可按下式计算

计算简图如上图所示，可采用静力平衡法或弯矩分配法等进行基础板带的内力计算。

对平板式筏形基础，当一个计算单元荷载相差不超过20%时，可将地基反力视为均匀分布，按柱网划分为纵、横两个方向的柱下板带和跨中板带，采用无梁楼盖中的计算方法，如等代框架法、经验系数法等，可进行柱下板带和跨中板带的内力分析。对柱下板带中，柱宽及其两侧各0.5 倍板厚且不大于1/4 板跨的有效宽度范围内，其钢筋配置量不应小于柱下板带钢筋数量的一半，且能承受部分不平衡弯矩。

（2）梁板式筏形基础内力计算当框架的柱网在纵横两个方向上尺寸的比值小于2，且在柱网单元内不再布置次肋梁时，可将筏形基础近似地视为一倒置的楼盖，地基净反力作为荷载，筏板按双向多跨连续板计算，肋梁按多跨连续梁计算，如下图所示。由于基础与上部结构的共同作用，致使基础端部处的基底反力增加，

因此，边跨跨中弯矩以及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数。作用于筏形基础底板上的地基净反力可按450线所划分的范围，分别传到纵向肋梁和横向肋梁上去，在进行肋梁内力计算时，可将肋梁上的三角形和梯形分布荷载近似地化为等量均布荷载。为了减小基础底板的厚度，可在柱网间增设次肋梁，当底板区格边长之比大于2 时，基础底板按连续单向板计算，肋梁仍按连续梁计算。按上述方法计算的连续梁支座反力一般不等于柱荷载，如果二者差值较大，应作必要的修正，修正方法同条形基础计算的倒梁法。

3、配筋计算及构造

筏形基础的混凝土强度等级不宜低于C30，垫层厚度通常取100mm。当有防水要求时，混凝土的抗渗等级按规范要求。当采用刚性防水方案时，同一建筑的基础应避免设置变形缝。可沿基础长度每隔30～40m 留一道贯通顶板、底板及墙板的施工后浇带，带宽不宜小于800mm,且宜设置在柱距三等分的中间范围内。后浇带处底板及外墙宜采用附加防水层；后浇带混凝土宜在其两侧混凝土浇灌完毕两个月后再进

行浇灌，其强度等级应提高一级，且宜采用早强、补偿收缩的混凝土。

筏形基础的底板一般仅进行正截面承载力计算，肋梁应进行正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力计算。对平板式筏基，按柱下板带的正弯矩配置板内底部钢筋，按跨中板带的负弯矩配置板内上部钢筋。钢筋间距不应小于150mm，宜为200～300mm，受力钢筋直径不宜小于12mm。采用双向钢筋网片配置在板的顶面和底面。筏形基础的配筋除满足计算要求外，平板式筏形基础的底部和梁板式筏形基础的底板和肋梁，其纵横方向的底部钢筋尚应有1/2—1/3 贯通全跨，且其配筋率不应小于0.15%，顶部钢筋按计算配筋全部贯通。

采用筏形基础的地下室，其混凝土外墙厚度不应小于250mm，内墙厚度不应小于200mm。墙的截面除满足承载力要求外，尚应考虑变形、抗裂及防渗等要求。墙体内应设置双面钢筋，竖向和水平钢筋直径不应小于12mm，间距不应大于300mm。

六、箱形基础设计

箱形基础是由钢筋混凝土顶板、底板、外墙和内墙组成的空间整体结构，是高层建筑中广泛采用的一种基础形式。它具有很大的刚度和整体性，能有效地调节基础的不均匀沉降，常用于上部结构荷载大，地基软弱且分布不均匀的情况；由于箱形基础的埋置深度较大，周围土体对其具有嵌固作用，因而可以增加建筑物的整体稳定性，并对结构抗震有较好的效果；同时，因挖除了相当厚度的土层，减少了基础底板的附加压力，使高层建筑可以建造在比较软弱的天然地基上，形成所谓补偿性基础，从而取得较好的经济效果。但另一方面，由于形成箱形基础的纵横墙较多，而且墙上开洞面积也受到限制，当地下室要求有较大空间或建筑功能上要求较灵活布置时（如地下室作为商场、停车场等），就难以采用箱形基础。

1、箱形基础的补偿性及其利用

箱形基础的埋置深度一般较大，基础底面处的土自重应力

和水压力

在很大程度上补偿了由

于建筑物自重和荷载产生的基底压力。如果箱形基础有足够的埋置深度，使得基底土自重应力和水压力之和恰好等于基底压力，即

这说明施加于箱形基础底面上的压力等于开挖基坑时挖去土的重量，建筑物的重量全部由挖除土的重量所补偿。从理论上讲，基底附加压力等于零，在地基土中就不会产生附加应力，因而也就不会产生

地基沉降，亦不存在地基承载力问题，按照这种概念进行地基基础设计称为补偿性设计。但是，由于在施工过程中，基坑开挖解除了土自重，使基坑发生回弹，当建造上部结构和基础时，土体会再度受荷而发生沉降，在这一过程中，地基中的应力发生了一系列的变化，因此实际上不存在那种完全不引起沉降和承载力问题的理想情况，但如果能精心设计、合理施工，就能有效地发挥箱形基础的补偿作用。

当

时，基坑挖除的土和水的重量超过了应补偿的建筑物的全部重量，这类基础称

时，称为欠补偿性基础。根据经验，采用完全补偿性基础

2

为超补偿性基础；反之，当

要求的地下室深度见表12.4.1，表中上部结构层的平均重量按每层6.5 kN/ m 估算，地下室平均层高为4m。显然，埋置深度增大，箱形基础的补偿作用越大，但同时也带来土方量大，施工困难等问题，需要综合考虑。

2、箱形基础的一般规定

箱形基础的平面尺寸应根据地基土承载力和上部结构布置以及荷载大小等因素确定。外墙宜沿建筑物周边布置，内墙沿上部结构的柱网或剪力墙位置纵横均匀布置，墙体水平截面总面积不宜小于箱形基础外墙外包尺寸的水平投影面积的1/10。对基础平面长宽比大于4 的箱形基础，其纵墙水平截面面积不应小于箱基外墙外包尺寸水平投影面积的1/8。箱基的偏心距应符合要求。对与高层主楼相连的裙房基础，若采用外挑箱基墙或外挑基础梁的方法，则外挑部分的基底应采取有效措施，使其具有适应差异沉降变形的能力。

箱形基础的高度应满足结构的承载力和刚度要求，并根据建筑使用要求确定。为了使箱形基础具有一定的刚度，能适应地基的不均匀沉降，满足使用功能上的要求，减少不均匀沉降引起的上部结构附加应力，一般不宜小于箱基长度（不计墙外悬挑板部分）的1/20，且不宜小于3m。当建筑物有多层地下室时，可以仅将最下面一层或两层地下室设计为箱形基础，也可将全部多层地下室设计成箱形基础。

墙体是保证箱形基础整体刚度和纵、横向受剪承载力的重要构件。外墙沿建筑物四周布置，内墙一般沿上部结构柱网和剪力墙纵、横向均匀布置。要求墙体数量应满足，每平方米基础面积上墙体长度不少于400mm，墙体水平截面面积不小于基础总面积的10%，在长矩形平面箱形基础中，纵墙数量不少于墙体总量的60%。上述规定中，墙体均为毛长度和毛截面面积（不扣除洞口），基础面积也不包含底板外挑部分。

顶板、底板及墙体的厚度，应根据受力情况、整体刚度和防水要求确定。无人防设计要求的箱基，

基础底板不应小于300mm，外墙厚度不应小于250mm，内墙的厚度不应小于200mm，顶板厚度不应小于200mm。

箱形基础的墙体应尽量不开洞、少开洞或开小洞，洞口宜设在柱间居中部位，应避免开偏洞和边洞。洞口边缘至柱中心距离不宜小于1.2m，开口系数应符合下式要求

式中的墙面总面积指柱距与基础高度的乘积。

3、箱形基础基底反力计算

确定基底反力是箱形基础设计的关键问题，由于影响基底反力的因素较多，如土质、上部结构的刚度、荷载分布和大小、基础埋深、尺寸和形状等，精确地确定箱形基础基底反力是一非常复杂和困难的问题，可以按照弹性地基上的梁板理论计算，不仅工作量大，且计算结果与实测值比较差别较大，因此，至今尚没有一种可靠而实用的计算方法。

实测结果表明，在软土地区，纵向基底反力一般呈马鞍形，反力最大值离基础端部的距离约为基础长边的1/9—1/8，最大值为平均值的1.06—1.34 倍（图(a)）；在第四纪粘性土地区，纵向基底反力分布曲线一般呈抛物线形，最大反力值约为平均值的1.25—1.37 倍（图(b)）

我国《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》在大量实测资料的基础上，提出了箱形基础基底反力实用计算方法，可称为“实测反力系数法”。该法将基础底面划分为若干个区格（如纵向8格，横向5 格或8 格），第i区格的基底反力可按下式确定

比例主要由桩侧和桩端地基土的性质、桩的几何尺寸、桩与土的刚度比以及施工工艺等决定。根据摩阻力和端阻力占外荷载的比例大小把桩基划分为摩擦型桩和端承型桩（下图所示）

摩擦型桩(图 (a))是指作用在桩顶的竖向极限荷载全部或主要由桩侧阻力承受。在实际工程中这类桩占有较大比例。根据桩侧摩阻力分担总荷载的比例，摩擦型桩又分为纯摩擦桩和端承摩擦桩两种。它适用于软弱土层较厚，下部有中等压缩性的土层，而坚硬土层距地表很深的情况。

端承型桩(图 (b))是指作用在桩顶的竖向极限荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计。根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例，又分为摩擦端承桩和端承桩两种。它适用于表层软弱土层不太厚，而下部为坚硬土层的情况。

（2）按桩身材料分类

按桩身材料可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩。

混凝土桩按施工方法又可分为灌注桩和预制桩两类。在现场采用人工或机械成孔，就地灌注混凝土成桩，称为灌注桩，按成孔方法可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、冲孔灌注桩等。灌注桩可在桩内设置钢筋，也可不配钢筋。预制桩是在工厂或现场预制成型的混凝土桩，然后借助外力将其沉入土中，有实心方桩、管桩；为提高其抗裂性和节约钢材可作成顶应力桩；为减小沉桩挤土效应可做成敞口预应力管桩。

钢桩主要有H 型截面、管状和板状等几种。其中钢管桩直径一般为250—1200mm。钢桩的分段长度不宜超过12～15m，焊接接头应采用等强连接；钢桩具有承载力高，质量易保证，长度可随意调整，适应性广等优点，但钢桩价格高，需做防锈处理等。

组合材料桩是指采用两种材料而成的桩，如钢管内填充混凝土型式的组合桩，上部为钢管桩下部为混凝土等型式的组合桩。

桩的类型选择应根据上部结构、荷载大小、桩穿越的土层、桩端持力层、地下水位、施工条件和经验、制桩材料供应条件等因素综合考虑，做到技术先进、经济合理，确保工程质量。

2、桩的布置和承台构造 桩的布置应符合下列要求：

（1）等直径桩的中心距不应小于3 倍桩横截面的边长或直径；扩底桩中心距不应小于扩底直径的1.5 倍，且两个扩大头间的净距不宜小于1m；

（2）布桩时，宜使各桩承台承载力合力点与相应竖向永久荷载合力作用点重合，并使桩基在水平力产生的力矩较大方向有较大的抵抗矩；

（3）平板式桩筏基础，桩宜布置在柱下或墙下，必要时可满堂布置，核心筒下可适当加密布桩；

梁板式桩筏基础，桩宜布置在基础梁下或柱下；桩箱基础，宜将桩布置在墙下。直径不小于800mm的大直径桩可采用一柱一桩，并宜设置双向连系梁连接各桩；

（4）应选择较硬土层作为桩端持力层。桩径为d 的桩端全截面进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d；砂土不宜小于1.5d；碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于4d。抗震设计时，桩进入碎石土、砾砂、粗砂、中砂、密实粉土、坚硬粘性土的深度尚不应小于0.5m，对其他非岩石类土尚不应小于1.5m。

（5）桩顶嵌入承台的长度，对大直径桩不宜小于100mm，对中小直径的桩不宜小于50mm；混凝土桩的桩顶纵筋应伸入承台内，其锚固长度应符合现行国家标准。

桩基承台是上部结构与桩之间相联系的结构部分，可选用柱下单独承台、双向交叉梁、筏形承台、箱形承台。其平面形状有三角形、矩形、多边形和圆形等。桩基承台的构造，除满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构的要求外，承台的宽度不应小于500mm。边桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm；对于条形承台梁，桩的外边缘至承台梁边缘的距离不小于75mm。承台的最小厚度不应小于300mm。承台的配筋，对于矩形承台其钢筋应按双向均匀通长布置(图(a))，钢筋直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm；对于三桩承台，钢筋应按三向板带均匀布置，且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内(图(b))；承台梁的主筋除满足计算要求外，尚应符合混凝土结构设计规范关

于最小配筋率的规定，主筋直径不宜小于12mm，架立筋不宜小于10mm，箍筋直径不宜小于6mm(图(c))。承台混凝土强度等级不应低于C20，纵向钢筋的混凝土保护层厚度不应小于70mm，当有混凝土垫层时不应小于40mm。

可根据不同的土质查表定,由于底板区格内的基底反力系数均为对称（下图），表中仅给出了1/4 底板区格内的反力系数。

表适用于上部结构与荷载比较匀称的框架结构，且地基土比较均匀，底板悬挑部分不超过0.8m，不考虑相邻建筑的影响以及符合规范构造要求的单栋建筑物的箱形基础。当纵横方向荷载不匀称时，应分别求出由荷载偏心产生的纵横向力矩引起的不均匀基底反力（按直线变化计算），然后将该不均匀反力与反力系数表计算的反力进行叠加。对不符上述条件的情况，如刚度不对称或变刚度结构、地基土层分布不均匀等，应采用其它有效的基底反力计算方法。

4、箱形基础内力分析

箱形基础顶板和底板在地基反力和水压力及上部结构传下来的荷载作用下，整个箱形基础将发生弯曲，称为整体弯曲，其承担的弯矩按基础刚度占整体结构总刚度的比例分配；同时，顶板和底板在楼面荷载和基底反力作用下，也将产生弯曲，称为局部弯曲。因此，顶板和底板的弯曲应力应按整体弯曲和局部弯曲的组合进行分析。实测和计算分析表明，上部结构刚度对基础内力有较大影响，由于上部结构参与共同作用，分担了整个体系的整体弯曲应力，基础内力将随上部结构刚度的增加而减小，但这种考虑共同作用的分析方法计算上比较复杂，距实际应用还有一定的距离。目前在实际工程中是根据具体的上部结构体系分别采用下述两种计算方法。

（1）按局部弯曲计算

当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平方向皆较均匀，且上部结构为平立面布置较规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构时，箱形基础的顶、底板可仅考虑局部弯曲计算。计算时底板反力应扣除板的自重，顶板荷载按实际考虑。

考虑到整体弯曲的影响。纵横方向支座钢筋尚应有1/3 至1/2 的钢筋连通，且连通钢筋的配筋率分别不小于0.15％（纵向）、0.10％（横向），跨中钢筋按实际需要的配筋全部连通。

（2）同时考虑局部弯曲和整体弯曲计算

对不符合上述要求的箱形基础，应同时考虑局部弯曲和整体弯曲作用。计算整体弯曲时应考虑上部结构与箱形基础的共同作用。首先根据上部结构荷载和地基反力系数求出箱形基础的基底反力，再根据上部结构的折算刚度和箱形基础的刚度按刚度分配法求出箱形基础应承担的整体弯矩，然后计算在使用荷载作用下顶板的局部弯矩、底板在基底反力作用下的局部弯矩。底板局部弯曲产生的弯矩应乘以0.8 折减系数，最后，顶板、底板按整体弯矩计算的钢筋与按局部弯矩计算的钢筋叠加。对框架结构，箱形基础的自重应按均布荷载处理。

箱形基础承受的整体弯矩

可按其刚度的大小按下式计算

上式适用于等柱距和柱距相差不超过20％的框架结构。在箱形基础顶、底板配筋时，应综合考虑承受整体弯曲的钢筋与局部弯曲的钢筋配置部位，以充分发挥各截面钢筋的作用。

在计算箱基内力时，荷载中可不计风荷载及设防烈度小于或等于8 度时的地震作用，亦即在一般情况下，只考虑垂直荷载，不考虑水平荷载。

5、箱形基础配筋和构造

箱形基础的混凝土强度不宜低于C30，宜采用密实混凝土防水；垫层厚度通常取100mm。当有防水要求时，混凝土的抗渗等级须按规范的要求。

箱形基础的顶板、底板、墙体及洞口过梁均应根据内力分析结果进行配筋。顶板、底板及墙体均应采用双层双向配筋。墙体的竖向和水平钢筋直径均不应小于10mm，间距均不应大于200mm。除上部为剪力墙外，内、外墙的墙顶处宜配置两根直径不小于20mm 的通长构造钢筋。钢筋接头宜采用机械连接；采用搭接接头时，搭接长度应按受拉钢筋考虑。上部结构底层柱纵向钢筋伸人箱形基础墙体的长度，对柱下三面或四面有箱形基础墙的内柱，除柱四角纵向钢筋直通到基底外，其余钢筋可伸入顶板底面以下40 倍纵向钢筋直径处，对外柱、与剪力墙相连的柱及其他内柱的纵向钢筋应直通到基底。

七、桩基础设计

桩基础是高层建筑中广泛采用的一种基础形式，适用于上部结构荷载较大，地基在较深范围内为软弱土且采用人工地基无条件或不经济的情况下。桩基础由承台和桩身两部分组成（下图所示），承台承受上部结构传来的荷载，并把它分布到各根桩，在通过桩传到深层土上；因此，在承受竖向荷载时，桩基础的作用是将上部结构的荷载通过桩尖传到深层较坚硬的地基中，或通过桩身传给桩身周围的地基中；对于水平荷载，主要是依靠承台侧面以及桩上段周围土体的挤压力来抵抗。

1、桩的类型

（1）按桩的传力方式分类

作用在桩顶的竖向外荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受，摩阻力和端阻力的大小及占外荷载的

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