第((卷第(期(""!年/月
岩土力学
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高层建筑天然地基基础形式的运用
金云平!，顾晓鲁(
（!*济南军区司令部工程设计研究院，山东
济南(%"""(；(*天津大学土木系，天津)"""$(
）
结合工程中的成功实例，分析介绍了高层和超高层建筑选用天然地基基础的成功经验。分析了地基、桩筏与上部结构协同
工作的工程实例。
高层建筑；桩基；天然地基基础
；协同工作
+,
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金云平，男，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事结构工程、地下工程的设计和研究。!&/(年生，
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!引言
十分复杂又亟待解决的问题，一直倍受国内外工程界
的高度重视。
基础隐蔽于地下，是整幢建筑物最为关键的部位，直接关系到建筑物的稳定和安全，一旦发生基础事故，不只损失巨大，同时补救也十分困难。对于高层建筑其重要性更为突出。高层建筑基础工程费用一般占整个工程费用的!"01)%0，基础设计的合理与否会造成工程结构造价相差很大，且不合理的基础方案可能会给建筑物带来安全隐患，以致影响整个工程的质量。我国地源辽阔，工程地质条件千差万别，所采用的基础方案各异。近年来济南地区在老粘土地基和岩溶发育的复杂地基上建造超高层建筑不用桩基而采用天然地基基础方案获得成功，并在进一步推广。在不具备条件的地点，采用桩基仍然是高层建筑基础的主要形式。
有关国外资料分析表明，天然地基基础的造价仅为桩基的!$01/$0。如美国休士顿市的一些高达也多采用天然地基基础。日本是个)"1$%层的大厦，
多地震的国家，其超高层建筑采用天然地基基础方案的占总基础形式的%$0。世界上工业发达国家，天然地基尤以筏形基础应用较为广泛。
我国的建筑业在满足结构安全的前提下，也应优先选用天然地基基础，以节约大量建设资金。山西太原第二热电厂-期工程主厂房，将原来桩基方案改为天然地基方案，完全能满足电厂结构上的安全要求。而且缩短了不仅直接节约基础工程投资)""多万元，
建设工期，其综合的社会和经济效益十分显著。北京保利大厦是一幢超高层建筑，该工程原设计的基础类型为钢管桩方案，钢管桩材料计划从美国进口，预算费用达(""多万美元，后经多方论证，将钢管桩基础改为天然地基箱形基础，不仅节约了外汇，同时节省了近!"""万元建设资金，大大缩短了建设周期，该工程经过多年使用证明，其基础的类型选择是科学的，具有安全性和可靠性。近年来，北京、上海、天津、济
收稿日期：("""#"(#(’
(天然地基基础
由于高层建筑上部结构荷载大，一般天然地基的
承载力不能满足要求，或沉降变形过大，所以高层建筑的基础方案采用桩基较多。但桩基不仅造价高，施工也相对困难。因此，如何在各种复杂的地质条件下建造高层建筑，解决好经济、合理的基础设计，是一个
#/*岩土力学’**#年
南、郑州、深圳、南昌等地的一些工程，在选择天然地基方案中，都获得了很多经验，取得了显著的经济效
益。
基础工程计算分析的正确程度主要取决于地基模型和计算参数的选择。当所采用的地基模型和计算参数与实际状态接近时，就能得到较为理想的计算结果。基础与地基和上部结构相互连接、相互作用构成一复杂的高度超静定体系。基础工程计算分析的复杂性主要是由于地基物理力学性质的多变性、复杂性和随机性所造成。近年对土的工程特性的研究有了很大进展，对于土的弹塑性应力!应变特性、土的流变性和土的弹塑!粘滞性等问题的研究都在不断深入地进行"#$，有些成果已进行了工程应用。但由于新提出的计算模型都存在着局限性，并且需要较多的难以准确测定的地基力学参数，同时计算也复杂，没有被工程界普遍接受。
当前广泛用于基础工程计算分析的仍是文克尔地基模型和弹性半空间地基模型。从大量实际工程的测试结果来看，基础与地基相互作用性状基本上都介于文克尔与弹性半空间地基模型的计算结果之间。根据地基的力学特征和基础刚度的不同，或偏于接近文克尔地基模型或偏于接近弹性半空间地基模型。实践证明文克尔与弹性半空间地基模型反映了地基性状的两个极端状况。
实际工程地基模型的选择，当地基强度很弱时，如抗剪强度极低的半流态淤泥土或地基土塑性区开展相对较大时，地基状态接近文克尔模型。随着地基强度的增大，地基状态趋向于弹性半空间模型。另外，弹性地基梁板的计算分析结果表明，当地基强度达到一定程度之后，随着强度的继续增长，弹性半空间地
基模型的计算结果又向文克尔地基模型接近。
济南市地理位置南倚泰山山脉，北临齐河广阔的黄河冲积平原，白垩纪早期形成的火成岩侵入体以多种形态侵入奥陶系灰岩土层中或覆盖其上，从而形成广泛的火成岩体。在岩层上部与土层的交接处，分布着厚度不等、由岩石风化而成的、呈砂土状的岩层全风化带，埋深约在%&#’(左右。在此地基上建造高层建筑，通常采用灌注桩基础，而灌注桩基础具有施工周期长、工程造价高、污染环境等不利影响。能否突破常规的设计方法，采用天然地基基础设计高层或超高层建筑，是摆在我们广大的勘察设计工作者面前的一个新课题。
（#）济南电信局第二长途电信枢纽工程。该工程位于济南八一立交桥西南角，主楼地面以上)*层（包
括塔楼+层），总高度#,-.-(，设地下室)层。地基土层自地表往下分别为黄土状粉质粘土、粘土、粘土碎石层、残积土、强风化闪长岩、中风化闪长岩。主楼平均埋深!#).)#(，基底压力+/*012。根据地质情况结合建筑物功能要求，选择第’层粘土为基础持力层，该层土质密实，压缩性很低，层底埋深#3.-&#/.3(，平均厚度大于).*(，粘土承载力标准值为’’3012，是很好的地基持力层，但是否适宜高层建筑要求，我们用了两种方法进行验算：一是规范修正法，根据《建筑地基基础设计规范》456-!%/"’$对综合确定的第’层粘土地基经深宽修正后其承载力设计值为二是强度计算法，依据《高层建筑岩土工程勘3/3012；
察规程》646-’!/*")$利用持力层之三轴不固结快剪指标计算地基承载力设计值为+/+012。由计算法确定的地基承载力能够满足基底压力+/*012的设计要求，而规范修正法得到的承载力设计值虽不足，也可以通过适当扩大基础底面积来处理，仍会比桩基方案经济合理，缩短工期。经地基变形验算也满足设计要求。因此，主楼选择了天然地基基础方案，采用箱基。实践证明，该方案是最佳方案，技术经济效果非常明显，基础造价节约约,**多万元，仅用,37时间完成基础施工，建设工期大大缩短，一年多即投入运营，社会效益相当可观，同时也为济南地区在老粘土层上建造#**(以上超高层建筑采用天然地基基础提供了一个例证。
（’）齐鲁宾馆新建工程",$。这是一幢高级旅游宾馆建筑，总建筑面积3.%8#*,(’，由,3层的主楼和+层裙房组成，顶层设旋转餐厅和直升机停机坪，地面以上高度#3-.#(，地下共’层，基底标高!#+.)’(。工程所建场地位于济南市岩溶较发育地区，为复杂场地。地基土层自地表往下分别为填土、粉质粘土、白云岩。根据岩溶的发育情况，此地区的白云岩从上至下分为)段：层厚+.-&#’.*(，层底深度!岩溶发育段，此部分溶蚀严重，平均#*.-&#+.%(。从钻孔资料看，遇溶率为’+.#9；层厚%.+.+(，"岩溶不发育段，层底深度’)./&)*.*(，平均遇溶率为,.,9，岩石承载力标准值为,***012；平均遇溶#岩溶较发育段，率为#+./9，岩石承载力标准值为)***012。根据地质情况结合建筑功能要求，选择岩溶不发育段的白云岩为基础持力层，主楼部分埋深!#+.)’(。考虑到岩溶发育的不均匀性，采用筏板基础，底板厚度为基底平均压力标准值为-**012。裙房部分采用#.+(，
柱下独立基础和墙下条形基础。
采用天然地基基础方案的工程还有：山东省委党校教学楼，主楼’+层，设地下室’层；山东省农业发展银行营业办公楼，主楼地上’*层，地下室’层等。
第+期金云平等：高层建筑天然地基基础形式的运用(.(
都选择了土层分布普遍，厚度均匀且较大的粘土层为天然地基基础持力层。
渣固化，以提高桩端承载力；桩侧后压浆破坏成孔时的护壁泥浆，可使桩周土体产生劈裂，形成水泥土，增大桩周摩阻力。这样，既可以提高承载力,)/以上，又可使这种端承摩擦桩受荷后产生一定的沉降，使桩间土能分担荷载。设计桩端位于中风化闪长岩面上平均桩长(+%)*，桩径(%)*，桩数("&根。+))**，
根据《建筑桩基技术规范》分别计算010."-."2,3，桩的极限承载力和筏板下地基土承担的荷载；根据地质报告，本工程地基良好，后压浆承载力提高修正系数!取较高值(%,，基底土承载力只进行深度修正；经计算，桩承担"&/的荷载，地基土承担,"/的荷载。这样，桩经过后压浆处理，复合桩基满足承载力要求。经电算软件计算，沉降也满足要求。该工程经济效益明显。
!地基、桩筏与上部结构协同工作分析
在高层建筑结构设计中，常规的设计计算方法是
把基础和上部结构作为两个各自独立的结构单元分别进行计算，忽略上部结构对基础整体弯矩和相对挠曲制约和调整作用，从而使基础的计算整体弯矩和相对挠曲显著偏大。在计算上部结构时，一般将基础当作嵌固支座，不考虑地基差异沉降对上部结构的影响，忽略了基础的变形和位移。在计算地基接触反力时，采用半无限弹性体等线弹性地基模型，夸大了接触反力分布的不均匀度，导致基础计算整体弯矩偏大。通过工程实践发现，上部结构实际内力往往与常规设计值有较大差距，底层梁柱和边跨梁柱尤为明显，甚至出现开裂。相反，基础的内力则比常规设计值小得多。把地基、基础与上部结构三者结合一体进行整体分析的方法，较之常规的将上、下部分分开考虑的设计方法有着不容置疑的优点，它既能考虑上部结构与地基基础之间的相互影响，又能比较真实地反映建筑物与基础的实际受力状态，是一种先进的设计方法。目前，
借助有关电算软件可以完成此项工作。
农业银行山东省分行营业大楼是一综合性建筑，该工程位于济南经七路与大纬二路路口西南侧。主楼地下!层，总建筑面积$%&’()"*+。总高地上"#层，
度(#(%,*，埋深-(!%)*。地基土层自地表往下分别为黄土状粉质粘土、粘性土、粘土碎石层、残积土、闪长岩强风化带、闪长岩中风化带。按常规设计，主楼采用桩-筏板基础，嵌岩灌注桩成梅花形布置，共!##根，嵌入中风化岩层，桩平均长度(.%")*，其特点是受力明确，嵌入桩几乎没有沉降，只有桩的压缩变形，主楼最终下沉也是很小的。
为了实现地基、桩筏与上部结构协同工作，形成复合桩基，桩端应严格位于中风化岩面以上+))**。为达到以上要求，施工前补钻一桩一孔，找出中风化岩面标高，确定桩端位置。为形成有效的复合桩基，采用桩端桩侧后压浆钻孔灌注桩，桩端后压浆与桩底沉
"结语
高层建筑由于其上部竖向与水平荷载大，基础埋置较深，各工程地质条件又不相同，采用的基础方案各异。根据实际情况，近年来济南地区高层、超高层建筑采用老粘土层和岩溶发育的复杂天然地基基础方案获得成功，并进一步推广。通过地基、桩筏与上部结构协同工作分析，提高了地基土承担的荷载，使地基承载力与沉降均满足要求。这些都取得了明显的经济效益。在满足结构安全的前提下，优先选用天然地基基础及地基、桩筏（箱）与上部结构协同工作方案是合理可行的，值得推广。
参考文献
2(3彭安宁%考虑地基实际变形特征的基础实用分析方法203%建筑结构学报，(..+，(!（：!）&$-&.%
建筑地基基础设计规范253%2+3140#-$.，
高层建筑岩土工程勘察规程253%2!3010#+-.)，
2"3中国建筑科学研究院%第十三届全国高层建筑结构学术交流会论文集263%(.."%()$+%
建筑桩基技术规范253%2,3010."-."，
第((卷第(期(""!年/月
岩土力学
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金云平!，顾晓鲁(
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结合工程中的成功实例，分析介绍了高层和超高层建筑选用天然地基基础的成功经验。分析了地基、桩筏与上部结构协同
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高层建筑；桩基；天然地基基础
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金云平，男，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事结构工程、地下工程的设计和研究。!&/(年生，
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十分复杂又亟待解决的问题，一直倍受国内外工程界
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基础隐蔽于地下，是整幢建筑物最为关键的部位，直接关系到建筑物的稳定和安全，一旦发生基础事故，不只损失巨大，同时补救也十分困难。对于高层建筑其重要性更为突出。高层建筑基础工程费用一般占整个工程费用的!"01)%0，基础设计的合理与否会造成工程结构造价相差很大，且不合理的基础方案可能会给建筑物带来安全隐患，以致影响整个工程的质量。我国地源辽阔，工程地质条件千差万别，所采用的基础方案各异。近年来济南地区在老粘土地基和岩溶发育的复杂地基上建造超高层建筑不用桩基而采用天然地基基础方案获得成功，并在进一步推广。在不具备条件的地点，采用桩基仍然是高层建筑基础的主要形式。
有关国外资料分析表明，天然地基基础的造价仅为桩基的!$01/$0。如美国休士顿市的一些高达也多采用天然地基基础。日本是个)"1$%层的大厦，
多地震的国家，其超高层建筑采用天然地基基础方案的占总基础形式的%$0。世界上工业发达国家，天然地基尤以筏形基础应用较为广泛。
我国的建筑业在满足结构安全的前提下，也应优先选用天然地基基础，以节约大量建设资金。山西太原第二热电厂-期工程主厂房，将原来桩基方案改为天然地基方案，完全能满足电厂结构上的安全要求。而且缩短了不仅直接节约基础工程投资)""多万元，
建设工期，其综合的社会和经济效益十分显著。北京保利大厦是一幢超高层建筑，该工程原设计的基础类型为钢管桩方案，钢管桩材料计划从美国进口，预算费用达(""多万美元，后经多方论证，将钢管桩基础改为天然地基箱形基础，不仅节约了外汇，同时节省了近!"""万元建设资金，大大缩短了建设周期，该工程经过多年使用证明，其基础的类型选择是科学的，具有安全性和可靠性。近年来，北京、上海、天津、济
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由于高层建筑上部结构荷载大，一般天然地基的
承载力不能满足要求，或沉降变形过大，所以高层建筑的基础方案采用桩基较多。但桩基不仅造价高，施工也相对困难。因此，如何在各种复杂的地质条件下建造高层建筑，解决好经济、合理的基础设计，是一个
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南、郑州、深圳、南昌等地的一些工程，在选择天然地基方案中，都获得了很多经验，取得了显著的经济效
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基础工程计算分析的正确程度主要取决于地基模型和计算参数的选择。当所采用的地基模型和计算参数与实际状态接近时，就能得到较为理想的计算结果。基础与地基和上部结构相互连接、相互作用构成一复杂的高度超静定体系。基础工程计算分析的复杂性主要是由于地基物理力学性质的多变性、复杂性和随机性所造成。近年对土的工程特性的研究有了很大进展，对于土的弹塑性应力!应变特性、土的流变性和土的弹塑!粘滞性等问题的研究都在不断深入地进行"#$，有些成果已进行了工程应用。但由于新提出的计算模型都存在着局限性，并且需要较多的难以准确测定的地基力学参数，同时计算也复杂，没有被工程界普遍接受。
当前广泛用于基础工程计算分析的仍是文克尔地基模型和弹性半空间地基模型。从大量实际工程的测试结果来看，基础与地基相互作用性状基本上都介于文克尔与弹性半空间地基模型的计算结果之间。根据地基的力学特征和基础刚度的不同，或偏于接近文克尔地基模型或偏于接近弹性半空间地基模型。实践证明文克尔与弹性半空间地基模型反映了地基性状的两个极端状况。
实际工程地基模型的选择，当地基强度很弱时，如抗剪强度极低的半流态淤泥土或地基土塑性区开展相对较大时，地基状态接近文克尔模型。随着地基强度的增大，地基状态趋向于弹性半空间模型。另外，弹性地基梁板的计算分析结果表明，当地基强度达到一定程度之后，随着强度的继续增长，弹性半空间地
基模型的计算结果又向文克尔地基模型接近。
济南市地理位置南倚泰山山脉，北临齐河广阔的黄河冲积平原，白垩纪早期形成的火成岩侵入体以多种形态侵入奥陶系灰岩土层中或覆盖其上，从而形成广泛的火成岩体。在岩层上部与土层的交接处，分布着厚度不等、由岩石风化而成的、呈砂土状的岩层全风化带，埋深约在%&#’(左右。在此地基上建造高层建筑，通常采用灌注桩基础，而灌注桩基础具有施工周期长、工程造价高、污染环境等不利影响。能否突破常规的设计方法，采用天然地基基础设计高层或超高层建筑，是摆在我们广大的勘察设计工作者面前的一个新课题。
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括塔楼+层），总高度#,-.-(，设地下室)层。地基土层自地表往下分别为黄土状粉质粘土、粘土、粘土碎石层、残积土、强风化闪长岩、中风化闪长岩。主楼平均埋深!#).)#(，基底压力+/*012。根据地质情况结合建筑物功能要求，选择第’层粘土为基础持力层，该层土质密实，压缩性很低，层底埋深#3.-&#/.3(，平均厚度大于).*(，粘土承载力标准值为’’3012，是很好的地基持力层，但是否适宜高层建筑要求，我们用了两种方法进行验算：一是规范修正法，根据《建筑地基基础设计规范》456-!%/"’$对综合确定的第’层粘土地基经深宽修正后其承载力设计值为二是强度计算法，依据《高层建筑岩土工程勘3/3012；
察规程》646-’!/*")$利用持力层之三轴不固结快剪指标计算地基承载力设计值为+/+012。由计算法确定的地基承载力能够满足基底压力+/*012的设计要求，而规范修正法得到的承载力设计值虽不足，也可以通过适当扩大基础底面积来处理，仍会比桩基方案经济合理，缩短工期。经地基变形验算也满足设计要求。因此，主楼选择了天然地基基础方案，采用箱基。实践证明，该方案是最佳方案，技术经济效果非常明显，基础造价节约约,**多万元，仅用,37时间完成基础施工，建设工期大大缩短，一年多即投入运营，社会效益相当可观，同时也为济南地区在老粘土层上建造#**(以上超高层建筑采用天然地基基础提供了一个例证。
（’）齐鲁宾馆新建工程",$。这是一幢高级旅游宾馆建筑，总建筑面积3.%8#*,(’，由,3层的主楼和+层裙房组成，顶层设旋转餐厅和直升机停机坪，地面以上高度#3-.#(，地下共’层，基底标高!#+.)’(。工程所建场地位于济南市岩溶较发育地区，为复杂场地。地基土层自地表往下分别为填土、粉质粘土、白云岩。根据岩溶的发育情况，此地区的白云岩从上至下分为)段：层厚+.-&#’.*(，层底深度!岩溶发育段，此部分溶蚀严重，平均#*.-&#+.%(。从钻孔资料看，遇溶率为’+.#9；层厚%.+.+(，"岩溶不发育段，层底深度’)./&)*.*(，平均遇溶率为,.,9，岩石承载力标准值为,***012；平均遇溶#岩溶较发育段，率为#+./9，岩石承载力标准值为)***012。根据地质情况结合建筑功能要求，选择岩溶不发育段的白云岩为基础持力层，主楼部分埋深!#+.)’(。考虑到岩溶发育的不均匀性，采用筏板基础，底板厚度为基底平均压力标准值为-**012。裙房部分采用#.+(，
柱下独立基础和墙下条形基础。
采用天然地基基础方案的工程还有：山东省委党校教学楼，主楼’+层，设地下室’层；山东省农业发展银行营业办公楼，主楼地上’*层，地下室’层等。
第+期金云平等：高层建筑天然地基基础形式的运用(.(
都选择了土层分布普遍，厚度均匀且较大的粘土层为天然地基基础持力层。
渣固化，以提高桩端承载力；桩侧后压浆破坏成孔时的护壁泥浆，可使桩周土体产生劈裂，形成水泥土，增大桩周摩阻力。这样，既可以提高承载力,)/以上，又可使这种端承摩擦桩受荷后产生一定的沉降，使桩间土能分担荷载。设计桩端位于中风化闪长岩面上平均桩长(+%)*，桩径(%)*，桩数("&根。+))**，
根据《建筑桩基技术规范》分别计算010."-."2,3，桩的极限承载力和筏板下地基土承担的荷载；根据地质报告，本工程地基良好，后压浆承载力提高修正系数!取较高值(%,，基底土承载力只进行深度修正；经计算，桩承担"&/的荷载，地基土承担,"/的荷载。这样，桩经过后压浆处理，复合桩基满足承载力要求。经电算软件计算，沉降也满足要求。该工程经济效益明显。
!地基、桩筏与上部结构协同工作分析
在高层建筑结构设计中，常规的设计计算方法是
把基础和上部结构作为两个各自独立的结构单元分别进行计算，忽略上部结构对基础整体弯矩和相对挠曲制约和调整作用，从而使基础的计算整体弯矩和相对挠曲显著偏大。在计算上部结构时，一般将基础当作嵌固支座，不考虑地基差异沉降对上部结构的影响，忽略了基础的变形和位移。在计算地基接触反力时，采用半无限弹性体等线弹性地基模型，夸大了接触反力分布的不均匀度，导致基础计算整体弯矩偏大。通过工程实践发现，上部结构实际内力往往与常规设计值有较大差距，底层梁柱和边跨梁柱尤为明显，甚至出现开裂。相反，基础的内力则比常规设计值小得多。把地基、基础与上部结构三者结合一体进行整体分析的方法，较之常规的将上、下部分分开考虑的设计方法有着不容置疑的优点，它既能考虑上部结构与地基基础之间的相互影响，又能比较真实地反映建筑物与基础的实际受力状态，是一种先进的设计方法。目前，
借助有关电算软件可以完成此项工作。
农业银行山东省分行营业大楼是一综合性建筑，该工程位于济南经七路与大纬二路路口西南侧。主楼地下!层，总建筑面积$%&’()"*+。总高地上"#层，
度(#(%,*，埋深-(!%)*。地基土层自地表往下分别为黄土状粉质粘土、粘性土、粘土碎石层、残积土、闪长岩强风化带、闪长岩中风化带。按常规设计，主楼采用桩-筏板基础，嵌岩灌注桩成梅花形布置，共!##根，嵌入中风化岩层，桩平均长度(.%")*，其特点是受力明确，嵌入桩几乎没有沉降，只有桩的压缩变形，主楼最终下沉也是很小的。
为了实现地基、桩筏与上部结构协同工作，形成复合桩基，桩端应严格位于中风化岩面以上+))**。为达到以上要求，施工前补钻一桩一孔，找出中风化岩面标高，确定桩端位置。为形成有效的复合桩基，采用桩端桩侧后压浆钻孔灌注桩，桩端后压浆与桩底沉
"结语
高层建筑由于其上部竖向与水平荷载大，基础埋置较深，各工程地质条件又不相同，采用的基础方案各异。根据实际情况，近年来济南地区高层、超高层建筑采用老粘土层和岩溶发育的复杂天然地基基础方案获得成功，并进一步推广。通过地基、桩筏与上部结构协同工作分析，提高了地基土承担的荷载，使地基承载力与沉降均满足要求。这些都取得了明显的经济效益。在满足结构安全的前提下，优先选用天然地基基础及地基、桩筏（箱）与上部结构协同工作方案是合理可行的，值得推广。
参考文献
2(3彭安宁%考虑地基实际变形特征的基础实用分析方法203%建筑结构学报，(..+，(!（：!）&$-&.%
建筑地基基础设计规范253%2+3140#-$.，
高层建筑岩土工程勘察规程253%2!3010#+-.)，
2"3中国建筑科学研究院%第十三届全国高层建筑结构学术交流会论文集263%(.."%()$+%
建筑桩基技术规范253%2,3010."-."，