2022年冬奥会场馆桩基承载性状试验研究

徐 寒

(中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

2022年北京冬季奥运会是继2008年北京奥林匹克运动会、2014年南京青年奥林匹克运动会后，中国第三次举办的奥运赛事，也是中国历史上第一次举办的冬季奥运会，北京也将成为奥运史上第一个举办过夏季奥运会和冬季奥运会的城市。2022年北京冬季奥运会共设15个大项，109个小项，将承办所有冰上项目。根据北京冬奥会的总体规划，延庆和张家口将承办所有的雪上项目。沿北京(市区)—延庆—张家口一线将建设三个相对集聚的场馆群，形成北京赛区、延庆赛区及张家口赛区。

北京赛区的国家速滑馆建筑面积约为8万m2，建筑高度不超过55 m，场馆座席约为12 000席。由主场馆及外围纯地下车库组成。其中主场馆看台部分的建筑高度为17～32 m，设地下2层地下室，基础埋深介于11.18～12.68 m，400 m 速滑跑道比赛场地为地下1层的下沉式场馆，基础埋深约为6.91 m。主场平面尺寸约为240 m×174 m，主体结构由环桁架结构支承的屋盖体系、内部看台的钢筋混凝土框架结构体系组成。看台部分的支承环桁架结构区域看台柱柱网间距约为9 m，4根大跨屋盖梁处柱轴压力达15 000 kN，长向两端柱最大轴压力达10 000 kN，其余柱轴压力介于3 000～8 000 kN，看台柱承担的最大轴力设计值达30 000 kN。支承环桁架结构部分基础拟采用桩筏基础形式。

延庆赛区场馆设施建设项目由高山滑雪中心、雪车雪橇中心两个竞赛场馆组成，其中国家雪车雪橇中心位于北京市延庆区小海坨山南麓，占地18.6 km2，赛道全长1 959.97 m，竖直落差127 m，设置16个弯道，包括3个出发区和1个结束区，场地内设有附属设施、伴随道路等。雪车雪橇比赛赛道为管状的赛道，内铺设冰面，赛道的设计难度为冬奥会项目单独最高，需两个国际单项组织(国际雪车联合会IBSF、国际雪橇联合会FIL)认证;目前国际组织认证的赛道仅有15条(亚洲2条、北美4条、欧洲9条)。

国家速滑馆为北京赛区唯一新建的场馆和具有标志性的工程，国家雪车雪橇中心将是中国唯一一条符合冬奥会标准的雪车雪橇赛道，按照“展示中国良好形象，严格预算管理”的要求，在正式施工前按 JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》［1］进行桩基承载性能试验是桩基设计安全、合理的必要保障，本文将对国家速滑馆和国家雪车雪橇中心的桩基原位静载试验情况予以介绍。

1 国家速滑馆试验桩

1.1 试验研究的目的

鉴于冬奥会场馆工程的重要性，在桩基设计前对特定的地层条件下常用灌注桩型的承载特性进行现场试验研究。试桩工作争取达到如下目的：

1)通过单桩竖向抗压静载试验和桩身内力测试，得到国家速滑馆后压浆钻孔灌注桩在设计桩顶标高处的单桩竖向抗压极限承载力、桩侧及桩端阻力的分布。

2)分析试桩受力特性和后压浆的承载力提高效果，为后续工程桩设计提供指导和质量的提出控制要求。

1.2 地质条件

根据地质勘探报告［2］，国家速滑馆场地土层情况如表1所示。

表1 国家速滑馆地层物理力学指标Table 1 The physical and mechanical indexes of strata for the National Speed Skating Hall

1.3 桩型的选取

鉴于国家速滑馆周边的国家网球中心、奥林匹克中心区多功能转播塔、亚投行永久总部基地均采用了后压浆钻孔灌注桩，其桩径在800～1 000 mm，持力层分别为第6层、第9层和第12层，单桩承载力特征值为5 000～11 500 kN。根据以上经验，国家速滑馆拟采用后压浆钻孔灌注桩，试验桩采用3种桩型进行比较：A型，桩径 φ800，持力层为第 9层;B型，桩径 φ1 000，持力层为第9层;C型，桩径φ1 000，持力层为第12层。其中B型为初设桩型，A型、C型作为优化参考，试验桩在赛道南侧、北侧和中心区均匀布置。试验桩主要参数如表2。其中桩侧后压浆位置为第6层和第9层(C型桩)，压浆使用P·O42.5水泥，止浆以压浆量控制。

表2 国家速滑馆试验桩主要参数Table 2 Main parameters of test pile for the National Speed Skating Hall

图1 国家速滑馆试验桩剖面 mmFig.1 Profile of test pile for the National Speed Skating Hall

图2 国家速滑馆静载试验桩测试荷载变形曲线Fig.2 Loading settlements curves of test pile under static leading for the National Speed Skating Hall

图3 国家速滑馆试验桩桩身轴力测试曲线Fig.3 Curves of measuredpile's axial force for the National Speed Skating Hall

1.4 国家速滑馆试验桩试验结果及分析

1.4.1 试桩荷载 -沉降实试曲线

根据地质勘察报告［2］计算，国家速滑馆 A型桩、B型桩和 C型桩抗压承载力特征值分别为4 000，5 000，6 000 kN。

根据 JGJ 106—2014［1］，试验桩单桩竖向抗压静载试验均采用慢速维持荷载法，最大加载控制标准为预估承载力特征值的3倍，分别控制为12 000，15 000，18 000 kN，分10个等级加载。9根后压浆试验桩均呈缓变形曲线(图2)，在最大加载时测得的3根 A型桩设计桩顶标高处沉降为 26.93～28.61 mm，沉 降 杆 测 得 桩 端 沉 降 为 14.77 ～16.85 mm;测得的3根B型桩设计桩顶标高处沉降至 19.41 ～ 22.47 mm，沉 降 杆 测 得 桩 端 沉 降 为10.19～13.82 mm;测得的 3根 C型桩设计桩顶标高处沉降至17.44～18.95 mm，沉降杆测得桩端沉降为 3.21 ～4.21 mm。

试验在现地面加载，桩非有效段长度为6.75 m(南侧试验桩 B1、B3、C3和 B2)和 10.25 m(北侧试验桩)。为去除非有效段影响，采用双套筒进行隔离，并采用桩身应力计进行修正。

1.4.2 试桩桩身轴力测试结果

桩身轴力采用预埋钢筋应力计，在每级荷载稳定后进行测读，预埋位置在各分层界面。在最大加载时A型桩桩侧平均阻力为134 kPa，桩端阻力为3 979 kPa;B型桩桩侧平均阻力为124 kPa，桩端阻力为3 654 kPa;C型桩桩侧平均阻力为121 kPa，桩端阻力基本未发挥;实测桩身轴力曲线见图3，桩侧平均摩阻力计算曲线见图4。

1.4.3 试桩测试结果分析

1)试验桩在最大加载时均未达到极限破坏状态，A、B型桩桩端产生一定变形，说明桩端发挥了一定的作用;C型桩基本为弹性变形，桩端基本未发生变形。

2)根据桩身轴力测试结果，A型和B型试验桩为端承型摩擦桩，侧摩阻力占桩顶荷载比分别为83%和80%，C型桩为摩擦型桩。

3)后压浆对第⑥层卵石桩侧阻力影响明显，实测桩侧阻力为280～320 kPa，与勘察报告相比提高了2.43倍;第⑨层卵石未发挥到极限，提高幅度在2.0 倍左右。

4)对有效桩长29.1 m桩型，本工程第⑥层桩侧和第⑨层桩端的后压浆对基础桩承载力发挥极为重要，应采取可靠措施保证第⑥层压浆质量和第⑨层桩底沉渣控制。

图4 国家速滑馆试验桩桩侧平均摩阻力计算曲线Fig.4 Curves of calculated pile side resistance of test piles for the National Speed Skating Hall

2 国家雪车雪橇中心试验桩

2.1 试验桩目的

国家雪车雪橇中心位于北京市延庆山区，由于不具备大型机械设备进场的道路条件，且竖向落差很大，上部存在湿陷性土，而且雪车雪橇比赛赛道对变形要求严格，所以考虑采用人工挖孔混凝土灌注桩方案。试桩的目的：

1)确认人工挖孔桩的工艺可行性，确定其单桩竖向抗压承载力及桩身轴力分布。

2)对不同桩端持力层和桩长进行比较，对后期工程桩持力层和桩长提供建议。

3)采用对比试验分析试验桩后压浆效果。

2.2 地质条件

根据地质勘察报告［3］：试验场区主要为耕植土①层;碎石、块石③层;块石、碎石④层;花岗岩⑥层。选定试验区土层情况如表3。

表3 国家雪车雪橇中心地层主要物理力学指标Table 3 The physical and mechanical indexes of the strata for the National Snowmobile Sled Center

2.3 桩型的选取

根据不同持力层和不同桩长，综合考虑布置3种类型试验桩，桩径均为800 mm，SZH-1：桩长不小于12 m，桩端持力层为第④层块石、碎石;SZH-2：桩长不小于8 m，桩端持力层为第③层块石、碎石;SZH-3：桩长不小于6.0 m，桩端持力层为第③层块石、碎石。

试验桩沿赛道区域在不同海拔位置布置，为综合考虑后压浆处理工艺效果，4根试验桩不采用后压浆施工工艺，其余8根采用桩端后压浆工艺。压浆使用P·O42.5水泥，止浆以压浆量控制。

2.4 试验桩试验结果分析

2.4.1 试桩荷载-沉降测试曲线

根据地质勘察报告［4］计算，国家雪车雪橇中心人工挖孔桩抗压承载力特征值为1 500 kN。

根据JGJ 106—2014，试验桩单桩竖向抗压静载试验均采用慢速维持荷载法，最大加载控制标准为承载力特征值的3倍(4 500 kN)，后根据实际情况调整为6 000，12 000 kN。实测的荷载 -位移曲线见图5。SZ-1试验桩在最大加载到4 500 kN时变形为5.04～5.67 mm，在最大加载为6 000 kN时变形为7.18～8.19 mm;SZ-2试验桩在最大加载4 500 kN 时变形为 3.91～5.97 mm;SZ-3试验桩在最大加载为12 000 kN时变形为7.75～9.03 mm。

2.4.2 试桩桩身轴力测试结果

桩身轴力采用预埋钢筋应力计，在每级荷载稳定后进行测读，预埋位置在各分层界面，实测结果见表5。

表4 雪车雪橇试验桩主要参数Table 4 Main parameters of test piles for the National Snowmobile Sled Center

图5 国家雪车雪橇中心静载试验桩测试荷载变形曲线Fig.5 Loading-settlement curves of test piles for the National Snowmobile ＆ Sled Center

表5 雪车雪橇中心桩身轴力测试结果Table 5 Test results of pile's axial force for the National Snowmobile＆Sled Center

2.4.3 试桩测试结果分析

1)试验桩在最大加载时均未达到极限破坏状态，桩顶变形均未超过10 mm，证明试验桩还有较大潜力。

2)未进行后压浆的 SZ1-1、SZ1-3、SZ2-5在4 500 kN 时变形为 5.67～5.04 mm，相同持力层其他试验桩在4 500 kN时变形为3.91～5.97 mm，没有明显的差别。SZ3-1试验桩在12 000 kN时变形为8.75 mm，相同持力层的其他桩在12 000 kN时变形为7.75～9.03 mm，也没有明显的差别。故本场地桩端后压浆对人工挖孔大直径灌注桩在荷载水平较低时影响不明显。

3)桩端阻力随桩顶荷载增加明显，因此控制持力层深度对人工挖孔桩承载力非常重要。

3 结束语

1)根据试验桩结果，建议国家速滑馆工程桩采用直径为1 000 mm、有效桩长为29.1 m的B型桩，单桩竖向抗压极限承载力取值13 000 kN，比勘察报告提高30%。

2)后压浆对卵石层桩侧阻力影响明显，第⑥层比勘察报告提高了2.43倍;第⑨层卵石层未发挥到极限但桩侧阻力已提高幅度至2.0倍左右，因此后压浆对卵石层强度的提高应充分重视。

3)国家速滑馆工程桩施工中应重点保证桩侧和桩端的压浆质量，确保工程桩施工质量。

4)根据试验桩结果，国家雪车雪橇中心有效桩长为8 m，设计荷载下可不考虑后注浆措施，缩短施工工期、降低造价。

5)国家雪车雪橇中心人工挖孔桩试验表明，桩端阻力随桩顶荷载增大明显增大，尽管本工程设计荷载下桩端后压浆对试验承载力影响不显著，但随着荷载水平的增大，桩端阻力的提高将会对承载力的提高起到明显的影响。