基础工程学：地基、基础结构与上部结构的相互作用

坐落于地基上的结构物，其荷载及自重由地基土的支承力及地下水的浮力来平衡，该静力平衡体系包括上部结构、基础及地基土三部分。当采用常规方法（主要是结构力学法）对基础进行分析及设计时，则是将三者视为各自独立的单元，分别进行力学分析，各自独立求解。

例如：图1-5（a）所示为高层框架结构。分析时先沿框架柱脚处切断，将上部结构视为柱脚固定（或铰接于不沉降的基础上）的独立结构，用结构力学方法求出外荷载作用下柱底反力和结构内力[图1-5（b）]。之后将求出的柱底固端力反向作用于基础梁上，并假定地基反力为直线分布，并仍按结构力学方法求解基础梁的内力[图1-5（c）]。进行地基计算时，按总荷载求出基底平均反力¯p[图1-5（d）]，并将¯p作为柔性荷载（不考虑基础刚度）来验算地基承载力和基础的沉降量。

图1-5　高层框架结构系统不考虑共同作用的分析方法示意图

（a）高层框架结构系统简图；（b）上部结构；（c）基础结构；（d）地基计算(www.xing528.com)

这种计算方式只满足了总荷载与总反力的静力平衡条件而上部结构与基础之间的连接点以及基底与土介质之间的接触点上位移连续的条件完全未能考虑。其实，不论是结构的支座反力，还是地基对基础的反力，都与上部结构、基础及地基三者的变形特征密切相关，三者各自的工作性状（例如变形和内力或应力），不仅取决于荷载的大小与分布，在一定意义上更取决于三者抵抗变形的刚度大小及其相互联系。工作时，三部分将按各自的刚度对变形产生相互制约作用，使整个体系的内力（包括柱脚及基底反力）和变形（包括基础的沉降）产生变化，这与按三者为各自独立的单元进行分析的情况明显不同。如果地基土软弱，结构物对不均匀沉降敏感，按常规方法分析的结果与实际情况的差别就更加明显。，

要反映在外荷载作用下三者的内力及变形的变化程度以及相互制约作用，并使三者均满足静力平衡和变形协调条件，同时按此原则对整个体系的相互作用进行分析，可想而知，这是相当复杂的力学问题。目前，对上部结构的分析一般仍未考虑与地基、基础的相互作用及共同工作，在梁板式基础的分析中，虽考虑了基础与地基的共同工作，但通常也未考虑上部结构刚度的影响。限于问题的复杂性，以下仅对上部结构、基础及地基三者的相互作用情况进行相应介绍。