1引言
北京LG大厦、国际财源中心、中环世贸中心及北京银泰中心彼此相邻，是地质条件、高度条件、荷载均比较相似的超高层建筑，而又由于功能需要其都包含有高度及荷载均相差悬殊的裙房和地下室，因此具有典型的二元结构。荷载不均的二元结构给地基变形的协调、差异沉降的控制、地基方案的确定带来了不利影响。
2工程概况
自西向东依次排列的北京LG大厦、国际财源中心、中环世贸中心及北京银泰中心均为集商业、办公为一体的综合性超高层建筑群，拟建建筑物均位于北京市商业中心（CBD）地区，具有相似的地质条件。上述项目均由主体超高层建筑及外围的裙房和地下室组成。
超高层建筑设计条件一览表
项目编号 工程名称 建筑部分 地上
总高度(m) 地上层数/
地下层数 基础埋深(m) 结构形式 基底
平均压力（kN/m2）
A 北京LG大厦 东、西高层塔式办公楼 140 31/4 23.6 框筒 530（核心筒550）
裙房 / 5～6/4 23.6 框架 约170
纯地下室 / 0/4 23.6 框架 约100
B 国际财源中心 西塔楼 150 36～37/5 25.0 框筒 610(核心筒780)
东塔楼 90 19～20/5 25.0 钢混 490
裙房 / 3～6/5 25.0 框架 180～240
纯地下室 / 0/5 25.0 框架 150
C 中环世贸中心 A、B楼 150 36～37/5 24.7框筒 655(核心筒780)
C、D楼 14235/5 24.7框筒 625(核心筒740)
纯地下室 / 0/5 24.7 框架 约140
D 北京银泰中心 酒店及公寓楼（A） 248 63/4 22.0 框筒 约820
办公楼（B、C） 186 42/4 22.0 筒中筒 约790
裙房（D、E） 24 4～5/4 22.0 框架 约140
外围纯地下建筑 / 0/4 22.0 框架 约80
3工程地质及水文地质概况
3.1.地层岩性及分布特征
ABCD四个项目的岩土工程勘察成果显示，拟建场区深度100m范围的地层分布以粘性土、粉土与砂卵石土交互层为主，地层土质在垂向分布上具有典型的粗、细颗粒土多旋回沉积的特征。
A、B、C、D项目基底以下主要地层岩性及土的物理力学代表性数据一览表
层号 岩性 压缩模量
(Es100)MPa 地基承载力
标准值(fka)kPa 极限侧阻力标准值(qsik)kPa 极限端阻力标准值(qpk)kPa
⑦ 卵石、圆砾 110.0 450 140 /
⑦1 细砂、中砂 55.0 300～350 70 /
⑧ 粘土、重粉质粘土 15.0 240 65 /
⑧1 粉质粘土、粘质粉土 27.0 260 70 /
⑨ 卵石、圆砾 150.0 550 150 2500
⑨1 细砂 70.0 400 75 /
⑩ 粘土、重粉质粘土 12.0 180 65 /
⑾ 粉质粘土、粘质粉土 11.5 200 65 /
⑿ 粘质粉土、粉质粘土 19.5 220 70 /
⒀ 细砂、中砂 75.0 420 75 1600
⒀1 卵石 170.0 560 150 2800
⒀2 重粉质粘土 17.0 220 65 /
⒁ 粉质粘土、粘质粉土 21.5 240 65 /
⒂ 卵石、圆砾 180.0 600 160 3000
3.2地下水分布特征及评价
根据区域水文资料及勘察实测水位情况，拟建场区地表下40m左右的深度范围内一般分布有4层地下水，参见下表。
场区地下水概况表
序号 埋深（m） 地下水类型 含水层
1 约8.0～9.0 上层滞水 /
2 约13.0～14.0 层间潜水 11.0m～19.0m之间的砂、卵石层
3 约20.0 承压水 22.0m～31.0m之间的砂、卵石层
4 约35.0 承压水 38.0m～44.0m之间的砂、卵石层
场区历年最高水位包括：1959年接近自然地面，1971～1973年在地面下8.0m左右，近3～5年在地面下12.0m左右。
4地基方案强度分析
4.1地基承载力计算
地基直接持力层承载力按《北京地区建筑地基基础设计规范》（DBJ11-501-2009）深宽修正，修正结果参见下表，水位按历年较高水位考虑（以下同）。
北京LG大厦地基承载力深宽修正表
层号 岩性 fka(kPa) dw γ(kN/m3) γ0(kN/m3) d或deq（m） ηb ηd fa(kPa)
⑦1 粉、细砂 300 9.00 10 13.80 23.60(不考虑侧限) 2.0 2.5 1123
⑦1 粉、细砂 300 9.00 10 13.80 12.30（考虑裙房侧限） 2.0 2.5 733
⑦1 粉、细砂 300 9.00 10 13.80 7.20（考虑纯地下室侧限） 2.0 2.5 557
注：基底为砂土、卵石，综合考虑ηd取2.5
国际财源中心地基承载力深宽修正表
层号 岩性 fka(kPa) dw γ(kN/m3) γ0(kN/m3) d或deq（m） ηb ηd fa(kPa)
⑦1 粉、细砂 350 8.00 10 13.20 25.00(不考虑侧限) 2.0 2.5 1186
⑦1 粉、细砂 350 8.00 10 13.20 11.70（考虑纯地下室侧限） 2.0 2.5 746
注：基底为砂土、卵石，综合考虑ηd取2.5
中环世贸中心地基承载力深宽修正表
层号 岩性 fka(kPa) dw γ(kN/m3) γ0(kN/m3) d或deq（m） ηb ηd fa(kPa)
⑦1 粉、细砂 350 14.00 10 15.96 23.50(不考虑侧限) 2.0 2.5 1288
⑦1 粉、细砂 350 14.00 10 15.96 8.80（考虑纯地下室侧限） 2.0 2.5 701
注：基底为砂土、卵石，综合考虑ηd取2.5
北京银泰中心地基承载力深宽修正表
层号 岩性 fka(kPa) dw γ(kN/m3) γ0(kN/m3) d或deq（m） ηb ηd fa(kPa)
⑦1 粉、细砂 300 13.00 10 15.90 22.00(不考虑侧限) 2.0 2.5 1175
⑦1 粉、细砂 300 13.00 10 15.90 8.80（考虑裙房侧限） 2.0 2.5 650
注：基底为砂土、卵石，综合考虑ηd取2.5
根据以上计算结果，在考虑高层塔楼侧限被裙房或纯地下室永久削弱的情况下，A、B、C项目的地基承载力标准值经深宽修正后仍大于主楼的最大平均荷载（假设主楼筏板抗核心筒冲切），而D项目不满足上述结果。因此初步结论是A、B、C项目塔楼在地基承载力上均能满足采用天然地基的要求，而D项目塔楼目前情况下不宜采用天然地基。
4.2软弱下卧层验算
4.2.1按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中公式pz+pcz≤faz进行验算，验算结果见下表。
软弱下卧层验算结果 表1
工程名称 侧限条件
说明 pz(kPa) pcz(kPa) pz+pcz(kPa) faz(kPa) 结论
pz+pcz≤faz 结论
北京LG大厦 侧限按裙房 200 395 594.6 589.4 稍不满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
天然侧限 200 395 594.6 823.4 满足要求
国际财源中心
（侧限按纯地下室） 西塔 275.4 390 665.4 532.69 不满足要求 受侧限影响，不宜采用天然地基
东塔 157.4 390 547.4 532.69 稍不满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
中环世贸中心 侧限削弱 264 455 719 547.5 不满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
天然侧限 264 455 719 900 满足要求
北京银泰中心
（侧限按裙房） B、C塔 407.4 460 867.4 583.6 不满足要求 受侧限影响，不宜采用天然地基
A塔 435.22 460 895.2 583.6 不满足要求
4.2.2按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中公式fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck根据土的抗剪强度指标进行软弱下卧层验算。验算结果见下表。
软弱下卧层验算结果 表2
工程名称 侧限条件说明 c'(kPa) φ' faz(kPa) pz+pcz
(kPa) 结论
pz+pcz≤faz 结论
北京LG大厦 侧限按裙房 10 30 546.53 594.6 稍不满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
天然侧限 816.57 594.6 满足要求
国际财源中心
（侧限按纯地下室） 西塔 495.57 665.4 不满足要求 受侧限影响，不宜采用天然地基
东塔 547.4 较不满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
中环世贸中心 天然侧限 920.63 719 满足要求 保证整体刚度可采取天然地基
侧限削弱 517.05 719 不满足要求
北京银泰中心
（侧限按纯地下室） B、C塔 464.55 867.4 不满足要求 受侧限影响，不宜采用天然地基
A塔 895.2 不满足要求
注：Mb=0.18，Md=1.73，Mc=4.17；土的抗剪强度指标取标准值。
4.2.3按《北京地区建筑地基基础设计规范》（DBJ11-501-2009）对第8大层的极限承载力进行验算。验算结果参见下表。
软弱下卧层验算结果 表3
工程名称 侧限条件
说明 σ3
(kPa) ccu
(kPa) φcu
(度) τe(kPa) fu(kPa) p0z+pcz(kPa) k=
fu/(p0z+pcz) 结论
北京LG大厦 侧限按裙房 334.5 69.8 9.6 149.6 1079.6 595 1.82 保证整体刚度可采取天然地基
天然侧限 353.3 69.8 9.6 153.3 1258.5 595 2.12
国际财源中心 西塔 229.4 45.5 12.3 118.6 834.8 665 1.25 受侧限影响，不宜采用天然地基
东塔 229.4 45.5 12.3 118.6 882.2 547 1.61 保证整体刚度可采取天然地基
中环世贸中心 天然侧限 299.2 53.0 13.6 159.3 1344.9 719 1.87 保证整体刚度可采取天然地基
侧限削弱 274.6 53.0 13.6 151.8 1063.9 719 1.48
北京银泰中心 B、C塔 339.7 51.5 11.5 147.6 1046.4 867 1.21 受侧限影响，不宜采用天然地基
A塔 339.7 51.5 11.5 147.6 1046.4 895 1.17
注：dw、d1=deq见“地基承载力深宽修正表”，d2=1.5m，υ0=0.5，υ1=0.4；
验算公式：fu=c×Nc×ξc+γ0×d×Nq×ξq+1/2×γ×b×Nr×ξr
τe=c·tg(45。+φ/2)+σ3·((tg2(45.0。+φ/2)－1)/2
σ3＝γ(d2+z)(1+υ0/(1-υ0))/2+γd1((υ0/(1-υ0))－υ1/(1-υ1))/2
说明：在以上各种计算方法中，等效埋深的取值对结果有重要影响，也就是塔楼地基的侧限（塔楼基础周围的上覆土层重量）对地基强度有至关重要的作用。当我们把塔楼地基两侧的上覆土重量全视同裙房或地下室时（等效埋深小于天然埋深），这时计算出来的地基强度是偏保守的。因为在塔楼基础周围影响塔楼地基侧限的一定范围内（0.5~0.7倍基础宽度—据“北京规范”）上覆土重总是介于天然土重和裙房或地下室荷重之间。所以我们适当时候可以视外围“超载宽度”与基础宽度的比值大小有限提高等效埋深值来挖掘地基的强度，具体提高多少视具体情况须做进一步研究。
通过本章以上计算结果，可把上述项目塔楼分成三种类型，一种是按最不利情况可以直接采用天然地基（表3中安全系数k约在2以上的塔楼）、二是有潜力（有能力消除不利情况，在表3中安全系数k约在1.5以上的塔楼）可以采用天然地基、三是不大可能（在客观上消除不利因素非常困难，在表3中安全系数k约小于1.2的塔楼）采用天然地基。综合分析，初步认定其中A、B、C（东塔）项目属于第二种类型，C（西塔）、D项目属于第三种类型。
5地基方案变形分析
5.1北京LG大厦、中环世贸中心沉降及差异沉降分析
按勘察阶段设计提供的设计条件，采用规范规定的地基变形计算方法（半空间线弹性变形体计算模型，经沉降经验系数ψs修正）对A、C项目的自由沉降进行计算。
北京LG大厦自由沉降表 中环世贸中心自由沉降表
建筑物部位 基底反力（kPa） 平均沉降量（cm） 最大沉降量（cm） 建筑物部位 基底反力（kPa） 平均沉降量（cm） 最大沉降量（cm）
西部塔楼 530 6.29 10.76 A、B楼 655 8.65 16.54
东部塔楼 530 6.00 10.50 C楼 625 7.83 14.10
裙房 170 / / D楼 625 7.81 14.22
地下室 100 / / 纯地下车库 140 / /
初步分析：各塔楼的平均沉降量均在《北京地区建筑地基基础设计规范》（DBJ11-501-2009）允许范围100mm之内，故勘察单位提出了采用天然地基方案的建议（但各楼自身内部及高低层荷载差异显著部位之间的差异沉降还需仔细核算）。
为进一步确定采用天然地基方案的可能性，勘察单位建议建设单位委托有关单位按照有关规范对北京LG大厦和中环世贸中心进行了“地基与基础协同作用分析”。
北京LG大厦地基与基础协同作用沉降表 中环世贸中心地基与基础协同作用沉降表
建筑物部位 基底反力（kPa） 平均沉降量(cm) 最大沉降量(cm)
建筑物部位 基底反力（kPa） 平均沉降量(cm) 最大沉降量(cm)
西部塔楼 497.4 6.21 7.85 A、B楼 652.70 9.71 13.09
东部塔楼 508.3 6.13 7.96 C楼 671.30 7.60 8.31
东、西部裙房及纯地下室 215.6～225.3 2.59～2.85 5.33～5.48 D楼 704.30 8.6810.64
中部裙房及纯地下室 183.9 2.53 4.09 纯地下车库 548.42 4.95 8.13
计算结果表明：主楼与纯地下车库的平均沉降均在规范允许范围内，而且相邻节点间的差异沉降均小于2‰。
由于变形在对结构荷载分布进行调整的同时，基础及上部结构由于内部应力作用以致相互之间的连接也得以加强，由两表比较可以看出在考虑了基础及结构的整体刚度后裙房或纯地下车库的基底反力增长非常大（北京LG大厦增量约20～50kPa，中环世贸中心增量约408.43kPa）。经计算，这时软弱下卧层的强度问题可以完全满足要求（因为侧限的增大以致等效埋深的增加）。故从地基承载力、软弱下卧层及地基基础变形三方面考虑，北京LG大厦和中环世贸中心均可采用天然地基方案。
5.2国际财源中心、北京银泰中心沉降及差异沉降分析
国际财源中心东塔楼因荷载相对较小，基底直接持力土层工程性质较好，结合以上经验经分析采用天然地基方案完全可行，故东塔楼采用了天然地基方案。
经勘察单位初步估算，北京银泰中心与国际财源中心西塔楼各建筑物各部位沉降量较大（>10cm），参见下表。
国际财源中心西塔沉降表 北京银泰中心沉降表
建筑物部位 平均沉降量(cm) 最大沉降量(cm) 建筑物部位 平均沉降量(cm) 最大沉降量(cm)
西塔A 13.2 19.31 酒店及公寓A 17.13 24.55
西塔B 12.5 19.98 办公楼B、C 17.10 24.81
纯地下车库 / / 纯地下车库 / /
综上所述，通过地基强度核算和软弱下卧层验算后得出的地基方案与经过变形验算的建议能够基本保持一致，也就是说地基强度的计算和验算与地基的变形控制具有一定的对应关系。
6地基方案的综合确定
经过以上分析，北京LG大厦、中环世贸中心、国际财源中心东塔建议采用天然地基方案。
国际财源中心西塔及北京银泰中心的沉降、差异沉降均难以满足设计及相关规范要求，故勘察单位转而考虑建议采用桩基方案。（复合地基的基桩受自身特点及施工工艺影响，不适合解决荷载及变形较大的问题）
7结论
本文对北京CBD地区四个高度100m以上的超高层建筑采用不同地基方案进行了探讨。讨论结果得出北京LG大厦、中环世贸中心采用天然地基意义重大，为北京地区100m以上高楼采用天然地基而不采用工程造价较高、大家普遍接受的桩基开了先河，积累了宝贵的经验；而国际财源中心西塔、北京银泰中心经过分析后却否定了天然地基，这说明超高层建筑的地基方案必须慎重选择，若勘察单位不仔细分析而是照搬北京LG大厦、中环世贸中心的经验也采用天然地基将对如此重要的工程造成的后果将不堪设想。
参考文献
1.《北京LG大厦岩土工程勘察报告》（98技407）北京北京市勘察设计研究院1998年
2.《国际财源中心岩土工程勘察报告》（2005-1041）北京北京京岩工程有限公司2005年
3.《中环世贸中心岩土工程勘察报告》（2003-1022）北京北京京岩工程有限公司2003年
4.《北京银泰中心岩土工程勘察报告》（2002技208）北京北京市勘察设计研究院2002年
5.《北京LG大厦工程地基与基础协同作用计算分析报告》（97咨002）北京北京市勘察设计研究院1997年
6.《中环世贸中心地基与基础协同作用计算分析报告》（2004京咨024）北京北京市勘察设计研究院2004年
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