哈尔滨万达滑雪场位于哈尔滨市松北新区, 为全球最大的室内滑雪场, 建筑面积约8.6万m²。 图1为滑雪场开业当天实景图。

　　 滑雪场总建筑高度为119.66m, 雪道最大高差为87m, 楼面存在25.44°的倾角, 平面尺寸长487m, 跨度从150m渐变到90m。由于结构长487m, 属于超长钢结构。为了减小结构单体长度并简化结构受力的复杂性, 将其与下面停车楼及超市等混凝土结构脱开, 并设置两条缝将其分割为三个部分:低区、中区、高区, 分区示意图见文献[1]中的图2。其中低区平面尺寸158m×150m, 中区平面尺寸151m× (150～120) m, 高区平面尺寸173m× (120～90) m, 整体结构立面高度最低42m (最西端) , 最高119.66m (最东端) 。三区经超限认定, 低区、中区、高区这三部分均属于超限结构。项目于2014年1月通过了超限高层建筑抗震设防专项审查。

　　 本工程重要性等级为一级, 为中等复杂地基, 综合岩土工程勘察等级为甲级, 地基基础设计等级为甲级。工程地震动反应谱特征周期为0.45s, 建筑工程抗震设防类别为乙类。

　　 建筑自然地面绝对标高为112.41～120.53m, 正负零绝对标高为118.95m。场地自然地面以下0.00～20.00m深地基土为中软土, 建筑场地类别属Ⅲ类, 场地覆盖层深>50m, 场地地基卓越周期为0.397～0.430s^[2]。拟建场地处于松花江漫滩之上, 有软弱土分布。场地不处于建筑抗震不利地段, 为建设一般场地。表1为各土层物理力学参数及分布情况。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3]规定, 初判场地不液化。抗浮设计水位可按116.50m考虑。水对混凝土和钢筋具有微腐蚀性, 对钢结构有弱腐蚀性。哈尔滨季节性冻土标准冻深为2.2m。

　　 地基基础设计存在以下难点:

　　 (1) 滑雪场结构超限, 体型复杂, 各区自身荷载和刚度分布差异很大, 须根据各区不同的特点选取不同的地基和基础形式, 并严格控制基础变形。

　　 (2) 滑雪场高区为巨型框架结构, 组成部分包括钢筒体 (即巨型框架柱) 、滑雪层楼面结构 (其中主桁架为巨型框架梁) 、侧面大桁架以及屋面结构。屋面和楼面的全部荷载均由6根巨型框架柱传递给基础, 基础反力大且集中, 基础节点构造复杂, 此区的基础设计是最为复杂和独特的部分。高区结构体系简图, 见文献[1]中的图3。

　　 (3) 雪道高差较大, 雪道两侧水平刚度差异很大。高区结构重量中心和刚度中心相差较大, 且哈尔滨地区温差较大, 在重力荷载和温度荷载等非地震工况下, 巨型框架柱底存在很大的水平力。因此, 基础抗水平力分析和研究是基础设计的重点和难点。

　　 (4) 滑雪场中、低区屋面为横向桁架、纵向框架的钢结构体系, 单向跨度在120～150m之间, 为超大跨度结构, 其基础的抗竖向力和抗水平力设计也是基础设计的一项重要内容。

　　 结合哈尔滨当地桩基选型的经验, 针对本工程结构及土层特点, 取三种不同的桩型, 分别为预应力管桩、超流态泥浆护壁灌注桩、大直径后压浆钻孔灌注桩。采用变刚度调平理论进行基础设计, 对于不同的区域选取不同的桩型和桩长, 从而减小差异沉降, 降低工程造价。

　　 高区巨柱肢柱底最大内力标准值为72 202kN, 4个柱肢柱底最大内力的合力标准值为194 791kN, 内力大且集中。所有巨柱下桩型采用单桩承载力较大的大直径后压浆钻孔灌注桩 (图2中的A型桩) , 桩径取1 000mm, 桩长45m, 桩端持力层为⑨层泥岩层。高区其余仅抗水平力的大直径后压浆灌注桩桩长减为12m (图2中的D型桩) , 详细论述见3.3节。

　　 中区和低区支承屋面柱及所有地下室柱下采用超流态泥浆护壁灌注桩 (图2中的B型桩) , 桩径600mm, 桩长在24～29m, 桩端持力层为⑥层中砂层。超流态泥浆护壁灌注桩为哈尔滨当地较为常用的桩型, 其优势为施工速度快、承载力比普通泥浆护壁桩高约30%～40%。

　　 雪道下方荷载较小, 柱下采用预应力管桩 (图2中的C型桩) , 桩径600mm, 最大桩长12m, 桩端持力层为⑤层中砂层。预应力管桩优点为造价较低、施工方便快捷。

　　 针对各种桩型进行沉降计算, 表2给出了各种桩型在最大承载力作用下的沉降值, 可见, 沉降值及各种桩型在最大承载力作用下的沉降差值都很小, 满足《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[4] (简称地基基础规范) 要求。

　　 在场地周边对各种桩型进行试桩试验, 具体如下:

　　 对大直径后压浆钻孔灌注桩分别进行了抗压试验和抗水平力试验。抗压试验选取3根桩 (KY1, KY2, KY3) , 桩长为45m, 采用钢套筒消除非有效桩长段的摩阻力。桩身混凝土强度等级为C40, 加载方法为锚桩慢速维持荷载法, 分级荷载按地基基础规范执行, 采用桩底及桩侧联合注浆工艺。KY1, KY2, KY3试验桩竖向抗压承载力检测值分别达到19 500, 21 000, 19 500kN, 对应的最大沉降量分别为23.49, 21.26, 19.04 mm。综合地质勘察报告^[5]、规范估算值、试验桩报告、工程复杂程度、桩上建筑物重要程度及专家论证会咨询建议, 单桩竖向承载力特征值取为8 000kN。

　　 抗水平力试验选取3根桩 (SP1, SP2, SP3) , 桩长为12m, 采用钢套筒消除非有效桩长段的摩阻力。桩身混凝土强度等级为C40, 加载方法为反力桩慢速维持荷载法, 分级荷载地基基础规范执行, 试验终止条件为水平位移超过30mm终止加载。SP1, SP2, SP3试验桩水平承载力检测值分别达到650, 850, 550kN, 其中试桩SP3在荷载级别550kN作用下, 水平位移经过24h未达到稳定标准, 故提前停止加载, 最大水平位移为24mm。

　　 综合《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[6] (简称桩基规范) 估算值、试验桩报告、工程复杂及重要程度及专家论证会咨询建议, 单桩水平承载力特征值取为试验桩产生水平位移6mm时的3根桩平均承载能力的75%, 为230kN。

　　 对超流态泥浆护壁灌注桩分别进行了抗压试验和抗拔试验。抗压试验选取6根桩, 桩长分别为24m (有地下室部分) 及29m (无地下室部分) 。抗拔试验选取3根桩, 桩长为19m。桩身混凝土强度等级为C40, 加载方法为锚桩慢速维持荷载法, 分级荷载按《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106—2014) ^[7] (简称基桩检测规范) 执行。

　　 综合地质勘察报告、试验桩报告、工程复杂程度、桩上建筑物重要程度及专家论证会咨询建议, 单桩抗压及抗拔竖向承载力特征值均取试验桩承载力的平均值。桩长24m及29m桩的单桩竖向抗压承载力特征值分别为2 230kN和2 300kN, 桩长19m桩的单桩抗拔竖向承载力特征值取为900kN。

　　 对预应力管桩进行抗压试验, 选取3根桩, 桩型为PHC 400 A 95-12, 桩长12m。加载方法为静压机堆载法。综合地质现场施工工艺及专家论证会咨询建议, 单桩竖向承载力特征值取3根试验桩承载力的较低值, 为1 050kN。

　　 高区巨柱最大竖向力为194 791kN, 巨柱各分肢均不产生拔力。采用盈建科YJK程序仿真模拟各巨柱分肢在各种工况下的真实内力, 采用YJK程序中的基础设计模块对桩筏基础进行有限元分析。巨柱筏板下采用非均匀布桩方式布桩, 通过调整布桩位置, 使群桩中心尽量与荷载中心重合 (图3) , 以调节不均匀沉降, 有效减小筏板厚度。图4给出了典型巨柱筏板基础的沉降图, 图5给出了柱下桩反力图。

　　 巨柱下筏板最大厚度为2 500mm, 筏板配筋 (图6) 的较大值主要集中在巨柱附近, 其他部位均为构造配筋, 配筋量与同等数量的均匀布桩的情况相比减少了约50%。通过调整布桩方式改变基础的反力分布和沉降差异, 可以改变筏板的受力状态, 降低筏板配筋, 节约工程造价。

　　 高区经过上部结构的优化后, 基础不存在上拔力, 基础水平力也大幅降低, 高区左侧巨柱在各种不利组合工况下最大水平力为9 897kN, 高区右侧巨柱最大水平力为11 666kN。如果按照竖向荷载控制进行布桩, 经初步估算, 左侧巨柱下桩能够承担的最大水平力为6 210kN, 右侧巨柱下桩能够承担的最大水平力为8 280kN, 均可以承担大约2/3的总体水平力, 仅剩余1/3左右的水平力不能承担, 从施工工期和难度及工程造价的角度出发, 增设斜桩难以实现, 增设竖直桩抵抗水平力是最为简便和经济的解决方案。

　　 桩是以承担竖向荷载为主的结构构件。一般来说当水平荷载和竖向荷载的合力与竖直线的夹角不超过5° (相当于水平荷载的数值为竖向荷载的1/12～1/10) 时, 竖直桩的水平承载力不难满足要求^[7]。桩在水平荷载作用下也具有一定的抗水平荷载的能力和特性, 这与桩周地基土的强度、桩身强度、桩身配筋、桩头的嵌固条件、桩的入土深度及桩的间距相关。

　　 地基土的强度越高, 抵抗水平位移的能力就越大, 桩的水平承载能力也就越大。基桩检测规范给出的地基土水平抗力系数的比例系数m值, m值的大小反映了土体的强度, 当无静载试验资料时, 可按m值估算桩的抗水平力承载能力。

　　 哈尔滨万达滑雪场工程在项目初期设计时, 要求地质勘察单位提供各层土体的m值, 并根据此m值初步计算桩的抗水平力承载能力。地质勘察单位给出的哈尔滨万达滑雪场工程各层土体的水平抗力系数的比例系数m值见表3。砂土的水平抗力系数的比例系数m值明显大于黏性土的水平抗力系数的比例系数m值。最终通过桩水平承载能力静载试验得出真实的综合m值为28.6 MN/m⁴。

　　 随着桩入土深度增加, 桩水平承载力逐渐提高, 但当桩入土达到一定深度, 再继续增加其入土深度, 桩水平承载力将不起变化。即作用于桩头的水平力有一定的传递深度, 这个深度为桩抗水平力的有效入土深度, 也为桩抗水平力的有效长度。

　　 在不受竖向力控制的前提下, 若仅为抗水平力桩, 桩长可以设计到有效长度, 即桩的换算埋深^[5]即可, 图7给出了桩抗水平力变形及受力示意图。

　　 根据桩基规范中关于换算埋深^[5]的计算, 专门抗水平力桩的桩长由原来的45m优化为12m;经水平承载能力试验, 其单桩水平承载力特征值可达到230kN, 经济性显著。

　　 当桩间距较小时, 桩周土应力将发生重叠, 地基变形大, 桩的水平承载力下降明显;但桩间距过大, 承台尺寸随之增大。故在经济指标允许的条件下尽量加大桩间距。经计算, 6倍桩间距较3倍间桩距的桩的水平承载力提高约1.5倍。

　　 哈尔滨万达滑雪场工程桩间距取3～6倍桩间距, 并根据桩基规范5.7.3条进行群桩承载力的折减。

　　 高区巨柱下为筏板基础, 左、右侧巨柱下桩头分别嵌固在2 200mm厚和2 500mm厚的筏板基础内, 桩头嵌固性好, 桩抵抗横向弯曲的能力比较强, 较试桩条件好, 根据建筑桩基规范5.7.3条进行群桩承载力的增强。

　　 高区左侧巨柱筏板下共设43根大直径后压浆钻孔灌注桩, 其中桩长45m的桩为27根, 这些桩既承担竖向力又承担水平力;桩长12m的桩为16根, 这些桩专门抵抗水平力 (图8 (a) ) 。高区右侧巨柱筏板下共设50根大直径后压浆钻孔灌注桩, 其中桩长45m的桩为36根, 这些桩既承担竖向力又承担水平力;桩长12m的桩为14根, 这些桩专门抵抗水平力 (图8 (b) ) 。4根巨柱筏板下共增加了60根专门抗水平力桩。

　　 另外, 考虑到巨柱柱脚对整个工程的重要性, 将地下室侧墙和承台侧面的回填土体、承台底土体摩擦力对抗水平力的有利影响作为工程的安全储备, 施工后土方回填采用3∶7灰土分层夯实, 压实系数不应小于0.96。

　　 中区和低区上部为横向门式钢架、纵向框架的结构形式, 下部均为混凝土框架结构支承, 采用柱下独立桩承台, 且在柱间设置水平拉梁的基础形式, 利用盈建科YJK程序进行整体计算, 并采用理正结构设计工具箱进行单柱的桩基复核。经计算, 桩均满足竖向承载力要求, 沉降均控制在9mm以内。水平力通过滑道层水平拉梁来协调和分配, 其中恒荷载、活荷载及温度荷载产生的两侧柱底水平力大小相等, 方向相反, 可以通过滑道层水平拉梁相互抵消, 不再向下传向桩基础。

　　 在上部结构未优化阶段, 巨柱之间最大水平力单侧为23 662kN, 约是优化后最大水平力11 666kN的2倍, 此时通过增加抗水平力桩已不经济, 采用在巨柱之间增加预应力地梁来平衡水平力, 预应力地梁与桩共同承担水平力。

　　 采用MIDAS有限元程序建立带有预应力地梁的整体模型进行仿真分析, 见图9。预应力地梁截面尺寸为2 000×2 000, 单桩刚度K=230kN/6mm=38.3kN/mm, 暂定左侧巨柱桩刚度为38.3×27=1 035kN/mm, 暂定右侧巨柱桩刚度为38.3×36=1 380kN/mm。

　　 经计算, 在最大内力组合下, 预应力地梁分配的水平力为11 893kN, 巨柱下桩分配的水平力为3 183kN, 单桩仅承担3 183/27=118kN的水平力, 小于单桩水平承载力特征值 (230kN) 。故现有桩不会因为水平承载力不足而产生破坏。

　　 实际上, 桩及其周边的整体刚度 (简称桩整体刚度) 有一定的不确定性。原因如群桩效应的不利作用, 地下室侧墙和承台侧面的回填土体以及承台底土体摩擦力的有利作用等。故将桩整体刚度放大为原桩刚度的2倍、4倍, 减小为原桩体刚度的1/2, 1/4进行对比分析, 图10给出了桩与预应力梁地水平力与桩整体刚度的关系曲线。可见, 桩整体刚度越小, 桩的水平力越小, 预应力地梁承担的水平力越大, 反之亦然。

　　 4.1节分析说明, 桩整体刚度的大小会影响桩及周边和预应力地梁水平力的分配比例。尤其是桩整体刚度增大时会导致桩及周边承担的水平力大, 此时需要分析桩自身承担水平力的大小, 来确保桩体自身的安全性。根据试桩结果, 桩自身承担的水平力与桩顶位移有一定的比例关系。

　　 当桩整体刚度放大为原桩刚度的4倍时, 桩承担的水平力最大 (7 396kN) , 此时预应力地梁承担的水平力为7 680kN, 左侧巨柱桩顶的位移为2.06mm, 右侧巨柱桩顶的位移为1.55mm。通过试桩结果^[8]曲线 (图11) , 由右侧巨柱桩顶位移1.55mm可推导出桩体能够承担的水平力为109kN, 远小于单桩水平承载力特征值 (230kN) , 也小于桩原刚度下单桩水平力 (118kN) 。此时桩自身承担的水平力为79×27=2 132kN, 桩周承担水平力为7 369-2 132=5 237kN。可见, 地下室侧墙和承台侧面回填土体以及承台底土体摩擦力的存在, 使得桩周边承担了更多的水平力, 不仅可以减小预应力地梁承担的水平力, 还可以减小桩自身承担的水平力。桩在此种作用下更加安全。

　　 预应力地梁张拉原则为:首先保证预应力地梁在最不利分析及最大荷载作用下, 梁的混凝土不受拉;其次, 采用分阶段张拉, 控制每次张拉过程中桩顶位移不能超过使用过程中的桩顶位移。

　　 滑雪场高区巨柱由8根箱形杆件呈双V字形两两相交于基础顶面, 形成4个型钢混凝土柱, 型钢混凝土柱通过混凝土墙及水平钢腹杆相连接, 组成型钢混凝土筒体, 即外包式柱脚, 图12给出了柱脚平面图。

　　 外包式柱脚为刚接柱脚, 在进行细部设计计算时, 采用以下的假定:轴心压力N由柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁;弯矩M由焊于钢柱翼缘的抗剪圆柱头栓钉传给包脚部分的钢筋混凝土, 并通过包脚部分的钢筋混凝土传给钢筋混凝土基础或基础梁;包脚处顶部的水平剪力V由包脚混凝土和水平箍筋共同承担。在确定包脚部分钢柱周边的垂直纵向主筋的配置时, 不考虑钢柱承担弯矩M。

　　 柱脚外包高度为5 700mm, 钢柱外包不小于250mm厚混凝土, 并增设1m厚的混凝土墙。为控制混凝土柱压缩变形, 在型钢周围布置纵向浮筋, 箍筋以多个单肢箍形式勾在混凝土柱受力纵筋与纵向浮筋之间;墙水平筋遇型钢柱无法贯通时, 采用型钢柱焊角钢、角钢与水平筋电弧焊的形式将墙体水平筋与型钢相连接达到锚固效果, 同时解决了节点处钢筋和型钢连接、钢筋和钢筋穿插关系复杂的难题。图13给出了巨柱柱脚剖面详图。

　　 (1) 哈尔滨万达滑雪场结构超限, 基础设计时根据各区自身荷载和刚度分布特点选取大直径后压浆钻孔灌注桩、超流态泥浆护壁灌注桩、预应力管桩三种不同的桩型, 不仅节约了工程造价, 还实现变刚度调平设计。

　　 (2) 由于滑雪场造型独特, 高区V字形巨柱基础反力大且集中, 此基础选用45m大直径后压浆钻孔灌注桩, 且采用群桩中心与质量中心尽量重合的非均匀布桩方案, 有效减小了筏板厚度和配筋。

　　 (3) 对桩抗水平力性能进行分析和研究, 采用增加桩长12m的短桩来解决滑雪场高区基础存在较大的水平力问题, 短桩施工便捷, 经济合理。

　　 (4) 详细介绍了巨柱柱脚节点的设计, 节点设计安全可靠。

　　 (5) 简要论述了预应力地梁与桩联合抗水平力方法及桩与预应力梁内力随桩刚度变化的曲线, 地下室侧墙和承台侧面回填土体以及承台底土体摩擦力的存在, 使得桩周边承担了更多的水平力, 这样不仅可以减小预应力地梁承担的水平力, 还可以减小桩自身承担的水平力。以上结论供同类工程参考。