《Applied Sciences》：Non-Monotonic Embedment Response of a PRC Pipe Pile Retaining System Across a Silty Sand–Silty Clay Interface
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本研究通过现场监测和基于HSsmall模型的三维PLAXIS 3D分析，研究了层状粉砂与粉质粘土中PRC管桩支护体系的非单调嵌固响应。支护结构变形受开挖深度H、相对嵌固比λ和三维角部约束的共同影响；深开挖区桩顶平均位移是浅开挖区的1.59倍。在同一地层嵌固时，
本研究通过现场监测和基于HSsmall模型的三维PLAXIS 3D分析，研究了层状粉砂与粉质粘土中PRC管桩支护体系的非单调嵌固响应。支护结构变形受开挖深度H、相对嵌固比λ和三维角部约束的共同影响；深开挖区桩顶平均位移是浅开挖区的1.59倍。在同一地层嵌固时，增加支护桩长L逐渐降低变形和弯曲响应。在北侧，L从18 m增加至23 m使桩顶、开挖面及桩端位移分别减小29.54%、32.92%和71.99%，同时最大负弯矩减小14.34%。在南侧，L从20 m增加至23 m时，相应减小幅度分别为25.86%、28.43%、59.18%和17.12%。当桩端进入下伏粉质粘土层后，对于L=24–25 m，计算得到的桩顶位移、开挖面位移和最大负弯矩再次增大，表明存在与桩端地层条件变化相关的项目特定非单调响应。支护桩长对地面沉降和基底隆起的量值影响较大，而对沉降槽位置影响较小。对于邻近管线，在沉降槽最低点附近发生较大的位移和轴力响应，而明显的弯曲作用位于高梯度沉降槽翼部区域；增加埋深通常降低位移和轴力，而弯矩呈非单调变化。这些发现为层状地层中的嵌固深度选择和地下管线保护提供了针对具体案例的指导。L=24–25 m的跨地层工况是数值参数预测，而非独立现场验证的配置。
随着城市地下空间开发向更深、更高强度发展，深基坑工程常面临大平面尺寸、空间变化开挖深度和敏感环境。开挖卸荷引起支护结构侧向移动、坑外地层损失和坑底隆起，进而影响邻近建（构）筑物与地下设施。以往研究多基于均质砂土或软粘土，或桩端保持在同一地层内，认为增大嵌固深度会单调增强桩端约束、减小支护结构位移。然而，在沿海砂粘互层沉积中，桩长增加可能使桩端接近或穿越地层界面，进入强度与刚度不同的地层，从而改变被动抗力发挥、土反力合力和内力传递路径，使单调改善变为非单调响应。因此，本研究针对层状地层中桩端地层条件变化引起的支护体系非单调嵌固响应开展研究。
研究人员以海南省海口市江东新区某分层开挖基坑为对象，结合现场监测（桩顶水平位移测点J1–J20、深层水平位移测点CX1–CX6）和三维PLAXIS 3D有限元分析（采用小应变硬化土模型HSsmall），系统研究了支护桩长度L、相对嵌固比λ、桩端相对地层界面位置η对支护结构位移、弯矩、坑外地表沉降、坑底隆起以及邻近地下管线变形和内力的影响。该论文发表在《Applied Sciences》。研究发现，同层嵌固时增加桩长可有效增强深层约束，但跨层后桩端进入较弱地层会使响应发生反转，因此层状地层中不能仅以总桩长评价嵌固效果。研究为层状地层中的嵌固深度选择和邻近埋地管线保护提供了案例参考。
主要关键技术与方法：研究采用现场位移监测与三维数值模拟相结合。数值模型采用PLAXIS 3D，土体本构为HSsmall模型，可考虑小应变刚度非线性。地层模型依据场地勘察资料，将⑤粉砂与⑥粉质粘土界面设为平均深度约23.8 m。支护桩采用等效板单元，以抗弯刚度等效原则模拟PRC管桩；锚索采用点对点锚杆模拟；管线采用梁单元，与周围土体完全变形协调。模型通过调整第二层锚索预应力进行标定，并以未参与标定的桩顶位移、浅区测斜及管线沉降数据评估。场地地质条件为海南地区典型砂粘互层。
研究结果如下：
5 桩端地层条件的影响
5.1 同层嵌固时的抗力发挥与变形：现场监测和数值结果表明，北侧（H=7.4 m）L从18 m增至23 m时，桩顶、开挖面和桩端位移分别降低29.54%、32.92%和71.99%，最大负弯矩降低14.34%；南侧（H=11.2 m）L从20 m增至23 m时相应降低25.86%、28.43%、59.18%和17.12%。同层嵌固时，随L增加，位移和最大负弯矩近似单调减小，且桩端位移降幅远大于桩顶，表明深层约束增强。
5.2 跨层嵌固相关的响应转变：南侧L=24–25 m时，桩端进入⑥粉质粘土，桩顶位移、开挖面位移和最大负弯矩由降转升，与桩端地层条件改变相对应，说明总桩长单独无法描述层状地层中的嵌固响应。
5.3 同层与跨层嵌固响应差异：λ和η分别描述相对于开挖面的嵌固度和桩端相对地层界面位置；从同层到跨层，计算响应从近似单调降低转为非单调，但该转变不构成普适临界值。
6 嵌固深度对地面沉降和基底隆起的影响：改变桩长对沉降幅值影响大于对沉降槽位置的影响。沉降槽最低点距离南侧开挖边缘约2.9–3.2 m，北侧约1.4–2.7 m。同层嵌固时，南侧最大沉降从-32.29 mm降至-22.52 mm，北侧从-21.89 mm降至-14.67 mm；南侧L从20 m增至23 m时，最大基底隆起从16.97 mm降至12.55 mm。跨层工况下沉降和隆起再次增大，表明非单调支护响应伴随周围地层变形场的相应变化。
7 嵌固深度对邻近地下管线的影响
7.1 既有管线的现场评估与响应：模型预测六条管线最大沉降与实测相比，平均绝对误差为0.513 mm，均方根误差为0.615 mm，平均绝对百分比误差为8.25%，R2为0.985。西侧污水管误差较大，局部回填和接头未模拟。其余水平位移、轴力和弯矩为模型结果，未独立验证。
7.2 管线距沉降槽相对距离的响应：在d=2–3 m（近沉降槽最低点）处位移和轴力较大；d=6–11 m（高梯度槽翼）仍有明显弯矩；d=15–22 m为远场衰减。最大位移、轴力和弯矩位置不一定重合。
7.3 不同桩长和埋深下污水管线的响应：随埋深增加，位移和轴力总体减小，但弯矩非单调变化。例如L=18 m时，埋深从1 m增至5 m，最大总位移从29.261 mm降至24.984 mm（降低14.62%），最大绝对轴力从4.760 kN降至2.704 kN（降低43.19%）。
讨论部分指出，同层嵌固时增加桩长可有效增强深层约束，但跨层后桩端进入较弱地层会使响应发生反转。因此，层状地层中不能仅以总桩长评价嵌固效果，需同时考虑λ和η。还强调数值预测的局限性：界面深度为平均值，未做系统敏感性分析，跨层工况为参数预测而非现场验证；管线响应假设管土完全协调，未模拟接头和相对滑移。
研究结论部分翻译如下：（1）现场监测显示分层开挖周围支护结构变形存在显著空间差异。11.2 m深区桩顶平均位移为25.56 mm，是7.4 m浅区16.11 mm的1.59倍，尽管深区桩更长。对应相对嵌固比λ从约1.84降至1.05。因此应综合开挖深度、相对嵌固和三维角部约束评价变形。（2）同层嵌固时，增加L近似单调降低计算支护响应。北侧L从18 m增至23 m，桩顶、开挖面、桩端位移分别降29.54%、32.92%、71.99%，最大负弯矩降14.34%；南侧L从20 m增至23 m相应降25.86%、28.43%、59.18%和17.12%。桩端位移降幅大于桩顶，表明深层约束增强。（3）南侧当桩端地层条件改变后，计算响应发生反转。L=20–23 m时，桩端位于⑤粉砂内，位移和最大负弯矩连续降低；L=24–25 m时，桩端进入⑥粉质粘土，桩顶位移、开挖面位移和最大负弯矩再次增大。总桩长单独不足以描述层状地层中的嵌固响应。（4）改变桩长对地面变形场的幅值影响大于对沉降槽位置的影响。同层嵌固时，南侧最大沉降从-32.29 mm降至-22.52 mm，北侧从-21.89 mm降至-14.67 mm；南侧L从20 m增至23 m，深区最大基底隆起从16.97 mm降至12.55 mm。跨层工况下降沉和隆起再次增大。（5）对于北侧DN400 PE污水管线，水平距离d的变化比桩长L的变化产生更显著的位移和内力差异。d=2–3 m时位移和轴力较大；d=6–11 m时弯矩仍显著；d=22 m时最大总位移、最大绝对轴力、最大合成弯矩分别降至4.738–6.987 mm、0.67–1.51 kN、0.034–0.061 kN·m。最大位移、轴力和弯矩位置不一定重合。（6）增加管线埋深通常降低计算位移和轴力，但不保证同时降低弯矩。L=18 m时埋深从1 m增至5 m，总位移降14.62%，轴力降43.19%，但弯矩非单调变化。埋深和最大位移不足以全面表征管线响应。以上结论仅在场地和数值条件范围内有效，跨层工况为数值参数预测，还需更多现场案例和敏感性分析验证。
