2022年冬奧會場館樁基承載性狀試驗研究

徐 寒

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

2022年北京冬季奧運會是繼2008年北京奧林匹克運動會、2014年南京青年奧林匹克運動會后，中國第三次舉辦的奧運賽事，也是中國歷史上第一次舉辦的冬季奧運會，北京也將成為奧運史上第一個舉辦過夏季奧運會和冬季奧運會的城市。2022年北京冬季奧運會共設15個大項，109個小項，將承辦所有冰上項目。根據北京冬奧會的總體規劃，延慶和張家口將承辦所有的雪上項目。沿北京(市區)—延慶—張家口一線將建設三個相對集聚的場館群，形成北京賽區、延慶賽區及張家口賽區。

北京賽區的國家速滑館建筑面積約為8萬m2，建筑高度不超過55 m，場館座席約為12 000席。由主場館及外圍純地下車庫組成。其中主場館看臺部分的建筑高度為17～32 m，設地下2層地下室，基礎埋深介于11.18～12.68 m，400 m 速滑跑道比賽場地為地下1層的下沉式場館，基礎埋深約為6.91 m。主場平面尺寸約為240 m×174 m，主體結構由環桁架結構支承的屋蓋體系、內部看臺的鋼筋混凝土框架結構體系組成。看臺部分的支承環桁架結構區域看臺柱柱網間距約為9 m，4根大跨屋蓋梁處柱軸壓力達15 000 kN，長向兩端柱最大軸壓力達10 000 kN，其余柱軸壓力介于3 000～8 000 kN，看臺柱承擔的最大軸力設計值達30 000 kN。支承環桁架結構部分基礎擬采用樁筏基礎形式。

延慶賽區場館設施建設項目由高山滑雪中心、雪車雪橇中心兩個競賽場館組成，其中國家雪車雪橇中心位于北京市延慶區小海坨山南麓，占地18.6 km2，賽道全長1 959.97 m，豎直落差127 m，設置16個彎道，包括3個出發區和1個結束區，場地內設有附屬設施、伴隨道路等。雪車雪橇比賽賽道為管狀的賽道，內鋪設冰面，賽道的設計難度為冬奧會項目單獨最高，需兩個國際單項組織(國際雪車聯合會IBSF、國際雪橇聯合會FIL)認證;目前國際組織認證的賽道僅有15條(亞洲2條、北美4條、歐洲9條)。

國家速滑館為北京賽區唯一新建的場館和具有標志性的工程，國家雪車雪橇中心將是中國唯一一條符合冬奧會標準的雪車雪橇賽道，按照“展示中國良好形象，嚴格預算管理”的要求，在正式施工前按 JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》［1］進行樁基承載性能試驗是樁基設計安全、合理的必要保障，本文將對國家速滑館和國家雪車雪橇中心的樁基原位靜載試驗情況予以介紹。

1 國家速滑館試驗樁

1.1 試驗研究的目的

鑒于冬奧會場館工程的重要性，在樁基設計前對特定的地層條件下常用灌注樁型的承載特性進行現場試驗研究。試樁工作爭取達到如下目的：

1)通過單樁豎向抗壓靜載試驗和樁身內力測試，得到國家速滑館后壓漿鉆孔灌注樁在設計樁頂標高處的單樁豎向抗壓極限承載力、樁側及樁端阻力的分布。

2)分析試樁受力特性和后壓漿的承載力提高效果，為后續工程樁設計提供指導和質量的提出控制要求。

1.2 地質條件

根據地質勘探報告［2］，國家速滑館場地土層情況如表1所示。

表1 國家速滑館地層物理力學指標Table 1 The physical and mechanical indexes of strata for the National Speed Skating Hall

1.3 樁型的選取

鑒于國家速滑館周邊的國家網球中心、奧林匹克中心區多功能轉播塔、亞投行永久總部基地均采用了后壓漿鉆孔灌注樁，其樁徑在800～1 000 mm，持力層分別為第6層、第9層和第12層，單樁承載力特征值為5 000～11 500 kN。根據以上經驗，國家速滑館擬采用后壓漿鉆孔灌注樁，試驗樁采用3種樁型進行比較：A型，樁徑 φ800，持力層為第 9層;B型，樁徑 φ1 000，持力層為第9層;C型，樁徑φ1 000，持力層為第12層。其中B型為初設樁型，A型、C型作為優化參考，試驗樁在賽道南側、北側和中心區均勻布置。試驗樁主要參數如表2。其中樁側后壓漿位置為第6層和第9層(C型樁)，壓漿使用P·O42.5水泥，止漿以壓漿量控制。

表2 國家速滑館試驗樁主要參數Table 2 Main parameters of test pile for the National Speed Skating Hall

圖1 國家速滑館試驗樁剖面 mmFig.1 Profile of test pile for the National Speed Skating Hall

圖2 國家速滑館靜載試驗樁測試荷載變形曲線Fig.2 Loading settlements curves of test pile under static leading for the National Speed Skating Hall

圖3 國家速滑館試驗樁樁身軸力測試曲線Fig.3 Curves of measuredpile's axial force for the National Speed Skating Hall

1.4 國家速滑館試驗樁試驗結果及分析

1.4.1 試樁荷載 -沉降實試曲線

根據地質勘察報告［2］計算，國家速滑館 A型樁、B型樁和 C型樁抗壓承載力特征值分別為4 000，5 000，6 000 kN。

根據 JGJ 106—2014［1］，試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗均采用慢速維持荷載法，最大加載控制標準為預估承載力特征值的3倍，分別控制為12 000，15 000，18 000 kN，分10個等級加載。9根后壓漿試驗樁均呈緩變形曲線(圖2)，在最大加載時測得的3根 A型樁設計樁頂標高處沉降為 26.93～28.61 mm，沉 降 桿 測 得 樁 端 沉 降 為 14.77 ～16.85 mm;測得的3根B型樁設計樁頂標高處沉降至 19.41 ～ 22.47 mm，沉 降 桿 測 得 樁 端 沉 降 為10.19～13.82 mm;測得的 3根 C型樁設計樁頂標高處沉降至17.44～18.95 mm，沉降桿測得樁端沉降為 3.21 ～4.21 mm。

試驗在現地面加載，樁非有效段長度為6.75 m(南側試驗樁 B1、B3、C3和 B2)和 10.25 m(北側試驗樁)。為去除非有效段影響，采用雙套筒進行隔離，并采用樁身應力計進行修正。

1.4.2 試樁樁身軸力測試結果

樁身軸力采用預埋鋼筋應力計，在每級荷載穩定后進行測讀，預埋位置在各分層界面。在最大加載時A型樁樁側平均阻力為134 kPa，樁端阻力為3 979 kPa;B型樁樁側平均阻力為124 kPa，樁端阻力為3 654 kPa;C型樁樁側平均阻力為121 kPa，樁端阻力基本未發揮;實測樁身軸力曲線見圖3，樁側平均摩阻力計算曲線見圖4。

1.4.3 試樁測試結果分析

1)試驗樁在最大加載時均未達到極限破壞狀態，A、B型樁樁端產生一定變形，說明樁端發揮了一定的作用;C型樁基本為彈性變形，樁端基本未發生變形。

2)根據樁身軸力測試結果，A型和B型試驗樁為端承型摩擦樁，側摩阻力占樁頂荷載比分別為83%和80%，C型樁為摩擦型樁。

3)后壓漿對第⑥層卵石樁側阻力影響明顯，實測樁側阻力為280～320 kPa，與勘察報告相比提高了2.43倍;第⑨層卵石未發揮到極限，提高幅度在2.0 倍左右。

4)對有效樁長29.1 m樁型，本工程第⑥層樁側和第⑨層樁端的后壓漿對基礎樁承載力發揮極為重要，應采取可靠措施保證第⑥層壓漿質量和第⑨層樁底沉渣控制。

圖4 國家速滑館試驗樁樁側平均摩阻力計算曲線Fig.4 Curves of calculated pile side resistance of test piles for the National Speed Skating Hall

2 國家雪車雪橇中心試驗樁

2.1 試驗樁目的

國家雪車雪橇中心位于北京市延慶山區，由于不具備大型機械設備進場的道路條件，且豎向落差很大，上部存在濕陷性土，而且雪車雪橇比賽賽道對變形要求嚴格，所以考慮采用人工挖孔混凝土灌注樁方案。試樁的目的：

1)確認人工挖孔樁的工藝可行性，確定其單樁豎向抗壓承載力及樁身軸力分布。

2)對不同樁端持力層和樁長進行比較，對后期工程樁持力層和樁長提供建議。

3)采用對比試驗分析試驗樁后壓漿效果。

2.2 地質條件

根據地質勘察報告［3］：試驗場區主要為耕植土①層;碎石、塊石③層;塊石、碎石④層;花崗巖⑥層。選定試驗區土層情況如表3。

表3 國家雪車雪橇中心地層主要物理力學指標Table 3 The physical and mechanical indexes of the strata for the National Snowmobile Sled Center

2.3 樁型的選取

根據不同持力層和不同樁長，綜合考慮布置3種類型試驗樁，樁徑均為800 mm，SZH-1：樁長不小于12 m，樁端持力層為第④層塊石、碎石;SZH-2：樁長不小于8 m，樁端持力層為第③層塊石、碎石;SZH-3：樁長不小于6.0 m，樁端持力層為第③層塊石、碎石。

試驗樁沿賽道區域在不同海拔位置布置，為綜合考慮后壓漿處理工藝效果，4根試驗樁不采用后壓漿施工工藝，其余8根采用樁端后壓漿工藝。壓漿使用P·O42.5水泥，止漿以壓漿量控制。

2.4 試驗樁試驗結果分析

2.4.1 試樁荷載-沉降測試曲線

根據地質勘察報告［4］計算，國家雪車雪橇中心人工挖孔樁抗壓承載力特征值為1 500 kN。

根據JGJ 106—2014，試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗均采用慢速維持荷載法，最大加載控制標準為承載力特征值的3倍(4 500 kN)，后根據實際情況調整為6 000，12 000 kN。實測的荷載 -位移曲線見圖5。SZ-1試驗樁在最大加載到4 500 kN時變形為5.04～5.67 mm，在最大加載為6 000 kN時變形為7.18～8.19 mm;SZ-2試驗樁在最大加載4 500 kN 時變形為 3.91～5.97 mm;SZ-3試驗樁在最大加載為12 000 kN時變形為7.75～9.03 mm。

2.4.2 試樁樁身軸力測試結果

樁身軸力采用預埋鋼筋應力計，在每級荷載穩定后進行測讀，預埋位置在各分層界面，實測結果見表5。

表4 雪車雪橇試驗樁主要參數Table 4 Main parameters of test piles for the National Snowmobile Sled Center

圖5 國家雪車雪橇中心靜載試驗樁測試荷載變形曲線Fig.5 Loading-settlement curves of test piles for the National Snowmobile ＆ Sled Center

表5 雪車雪橇中心樁身軸力測試結果Table 5 Test results of pile's axial force for the National Snowmobile＆Sled Center

2.4.3 試樁測試結果分析

1)試驗樁在最大加載時均未達到極限破壞狀態，樁頂變形均未超過10 mm，證明試驗樁還有較大潛力。

2)未進行后壓漿的 SZ1-1、SZ1-3、SZ2-5在4 500 kN 時變形為 5.67～5.04 mm，相同持力層其他試驗樁在4 500 kN時變形為3.91～5.97 mm，沒有明顯的差別。SZ3-1試驗樁在12 000 kN時變形為8.75 mm，相同持力層的其他樁在12 000 kN時變形為7.75～9.03 mm，也沒有明顯的差別。故本場地樁端后壓漿對人工挖孔大直徑灌注樁在荷載水平較低時影響不明顯。

3)樁端阻力隨樁頂荷載增加明顯，因此控制持力層深度對人工挖孔樁承載力非常重要。

3 結束語

1)根據試驗樁結果，建議國家速滑館工程樁采用直徑為1 000 mm、有效樁長為29.1 m的B型樁，單樁豎向抗壓極限承載力取值13 000 kN，比勘察報告提高30%。

2)后壓漿對卵石層樁側阻力影響明顯，第⑥層比勘察報告提高了2.43倍;第⑨層卵石層未發揮到極限但樁側阻力已提高幅度至2.0倍左右，因此后壓漿對卵石層強度的提高應充分重視。

3)國家速滑館工程樁施工中應重點保證樁側和樁端的壓漿質量，確保工程樁施工質量。

4)根據試驗樁結果，國家雪車雪橇中心有效樁長為8 m，設計荷載下可不考慮后注漿措施，縮短施工工期、降低造價。

5)國家雪車雪橇中心人工挖孔樁試驗表明，樁端阻力隨樁頂荷載增大明顯增大，盡管本工程設計荷載下樁端后壓漿對試驗承載力影響不顯著，但隨著荷載水平的增大，樁端阻力的提高將會對承載力的提高起到明顯的影響。