周旭明 詹剛毅 石鈺鋒 占宇飛 徐長(zhǎng)節(jié) 蔣亞龍

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2023.019

收稿日期：2022?11?28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（42177162）

作者簡(jiǎn)介：周旭明（1996-?），男，主要從事基坑工程研究，E-mail：1204370131@qq.com。

通信作者：詹剛毅（通信作者），男，高級(jí)工程師，E-mail：z17855827972@163.com。

Received： 2022?11?28

Foundation item：?National Natural Science Foundation of China （No. 42177162）

Author brief： ZHOU Xuming （1996-?）， main research interest： foundation pit engineering， E-mail： 1204370131@qq.com.

corresponding author：ZHAN Gangyi （corresponding author）， senior engineer， E-mail： z17855827972@163.com.

摘要：為研究方形基坑尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的影響，以某橋梁承臺(tái)基坑為依托，采用數(shù)值分析手段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)選用參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，依托選用參數(shù)擬定不同平面尺寸計(jì)算工況，通過(guò)地層應(yīng)力與樁后土壓力變化分析其尺寸效應(yīng)；通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受力差異，探明尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)方形基坑尺寸較小時(shí)，在坑邊一定距離處會(huì)形成連續(xù)、封閉的“類(lèi)圓形”拱區(qū)域，存在與圓形基坑中環(huán)箍效應(yīng)相似的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”，算例表明該效應(yīng)在邊長(zhǎng)大于18.0 m后環(huán)箍斷開(kāi)，效應(yīng)消失；當(dāng)拱區(qū)域封閉為環(huán)箍時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁后土壓力顯著降低，當(dāng)其不封閉時(shí)，土壓力增長(zhǎng)，坑邊中部樁后土壓力增長(zhǎng)量大于坑角處；長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果在尺寸效應(yīng)越強(qiáng)的方形基坑中降低越少，基坑的尺寸效應(yīng)對(duì)其變形及穩(wěn)定有利，算例中邊長(zhǎng)小于等于14.4 m的基坑可充分利用其尺寸效應(yīng)，采用長(zhǎng)短樁代替等長(zhǎng)樁圍護(hù)，做到綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)短樁；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；基坑；尺寸效應(yīng)；支護(hù)效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TU751 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號(hào)：2096-6717（2024）02-0033-09

Size effect of square foundation pit on supporting effect of long-short pile retaining structure

ZHOU Xuming¹，?ZHAN Gangyi²，?SHI Yufeng^1，3，?ZHAN Yufei³，?XU Changjie¹，?JIANG Yalong¹

（1. Jiangxi Key Laboratory of Geotechnical Infrastructure Safety and Control， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， P. R. China；?2. China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070， P. R. China；?3.East China Jiaotong University Jianxi Architectural Design Institute Co.， Ltd.， Nanchang 330013， P. R. China）

Abstract： In order to study the influence of size effect of square foundation pit on the supporting effect of long and short pile retaining structure， numerical simulation is adopted for analysis of foundation pit of a bridge cap. Firstly， the selected parameters are verified by field measurement and the calculation conditions of different plane sizes are proposed， the size effect is analyzed by the change of stratum stress and soil pressure behind piles. Then， by comparing the deformation and stress of the long-short pile retaining structure and the equal-length pile retaining structure， the influence of the size effect on the supporting effect of the long-short pile retaining structure is examined. The main conclusions arrived at include： When the size of the square foundation pit is small， a continuous and closed “quasi-circular”?arching area would be formed at a certain distance from the pit edge， and there is a “quasi-circular hoop effect”?similar to the hoop effect in the circular foundation pit. When the arch area is closed as ring hoop， the earth pressure behind the retaining structure pile is significantly reduced. Otherwise， the earth pressure increases， and the increment of the earth pressure behind the pile in the middle of the pit is greater than that at the corner. The supporting effect of the long-short pile retaining structure is less in the square foundation pit with stronger size effect. The size effect of foundation pit is beneficial to its deformation and stability. In this project， the foundation pit with a side length of less than or equal to 14.4 m can make full use of the size effect and use long and short piles instead of equal-length piles for green environmental protection.

Keywords： long-short piles；?enclosure structure；?foundation pit；?size effect；?support effect

排樁支護(hù)作為常見(jiàn)的基坑支護(hù)形式之一，因施工簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉而得到廣泛使用。當(dāng)前，排樁樁長(zhǎng)通常按最不利鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)，并取等長(zhǎng)樁布置，這在一定程度上造成安全系數(shù)過(guò)于“保守”，結(jié)構(gòu)承載能力發(fā)揮不充分，導(dǎo)致工程造價(jià)偏高。長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上減少部分排樁樁長(zhǎng)，將長(zhǎng)樁與短樁按一定比例組合布置，在滿(mǎn)足支護(hù)要求的前提下^[1]，降低造價(jià)，縮短工期。在研究長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理方面，鄭剛等^[2]、李竹等^[3]采用模型試驗(yàn)研究了長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別在懸臂與帶支撐情況下的變形受力規(guī)律及長(zhǎng)短樁作用機(jī)理，得出長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身水平位移與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)接近，且長(zhǎng)樁承擔(dān)更多的彎矩，主要起嵌固與抗傾覆的作用，短樁則起擋土與傳遞土壓力的作用。Xu等^[4-5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值分析，研究了短樁樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距及根數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)變形受力的影響規(guī)律，分析了長(zhǎng)短樁的作用機(jī)理。王際凱等^[6]通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了傾斜長(zhǎng)短組合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果受斜樁傾角與樁長(zhǎng)之間的關(guān)系。

學(xué)者們針對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究取得了豐富的成果，但在研究過(guò)程中將長(zhǎng)樁與相鄰短樁作為基本單元進(jìn)行研究分析，而較少考慮基坑尺寸效應(yīng)的影響?；映叽缧?yīng)與開(kāi)挖形狀及尺寸密切相關(guān)，一個(gè)良好的開(kāi)挖形狀可以?xún)?yōu)化基坑的應(yīng)力布局，減少基坑變形，節(jié)省支護(hù)費(fèi)用^[7]。例如，圓形基坑中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力以環(huán)向受壓為主，豎向受彎為輔^[8-9]。方形基坑相比矩形基坑具有更強(qiáng)的尺寸效應(yīng)，對(duì)基坑變形控制效果明顯優(yōu)于矩形基坑^[10]且能夠減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)背后的土壓力分布^[11-12]，有利于基坑安全穩(wěn)定，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不可忽略這種效應(yīng)帶來(lái)的影響。為研究方形基坑中尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的影響，筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合，比較不同尺寸基坑開(kāi)挖下長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)變形受力差異，分析尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的影響，以期為長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工況概況

某擬建大橋上跨既有鐵路，采用平面轉(zhuǎn)體法施工，橋梁承臺(tái)基坑分別位于鐵路左右兩側(cè)，開(kāi)挖形狀均近似邊長(zhǎng)為22.2 m的正方形。左側(cè)基坑與鐵路路基最近距離為1.8 m，開(kāi)挖深度4.7 m，采用等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，其中，等長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)為10 m，樁徑為1.5 m，樁間距為1.8 m，樁頂設(shè)有冠梁，梁寬1.7 m，高1 m，灌注樁與冠梁均采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。右側(cè)基坑與鐵路路基最近距離為2.1 m，開(kāi)挖深度為4.8 m，采用長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，其中，長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)10 m，短樁樁長(zhǎng)8 m，按1：1比例相鄰排布，圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余設(shè)計(jì)參數(shù)同左側(cè)基坑。兩側(cè)基坑均設(shè)樁徑為0.6 m，樁間距為0.4 m，樁長(zhǎng)為5.5 m的水泥攪拌樁作為止水帷幕?；铀趨^(qū)域內(nèi)地層分布均勻，從上到下分布依次為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與中風(fēng)化粉砂巖，為典型的土巖復(fù)合地層?，F(xiàn)場(chǎng)基坑平面分布如圖1所示。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)左右兩側(cè)基坑緊鄰鐵路側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為樁身水平位移監(jiān)測(cè)與內(nèi)力監(jiān)測(cè)，如圖1所示，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置4處，分別為：LCX1、LCX2、RCX1、RCX2；樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置4處，分別為RZW1、RZW2、LZW1、LZW2，左右兩側(cè)基坑的監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈中心對(duì)稱(chēng)布置。水平位移監(jiān)測(cè)通過(guò)測(cè)斜管與測(cè)斜儀進(jìn)行，測(cè)斜管的布置深度為10 m。內(nèi)力監(jiān)測(cè)通過(guò)埋設(shè)混凝土應(yīng)變計(jì)配合609測(cè)讀儀進(jìn)行，應(yīng)變計(jì)沿深度方向每隔2 m布置一對(duì)，每對(duì)分別布置于樁身的迎土側(cè)與背土側(cè)，共4對(duì)。監(jiān)測(cè)元件現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖2所示。

1.3 數(shù)值驗(yàn)證

以右側(cè)基坑為原型，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維有限元模型，模型中土層采用修正摩爾庫(kù)侖本構(gòu)，鐵路路基采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)，土層參數(shù)如表1所示。排樁、冠梁及止水帷幕均采用彈性模型，力學(xué)參數(shù)如表2所示。

長(zhǎng)、短樁與冠梁均采用梁?jiǎn)卧M，設(shè)置樁界面單元模擬樁土接觸，單元中的剪切剛度模量與法向剛度模量取值可按式（1）、式（2）計(jì)算得到。

式中：為不同土層的剪切模量，R為強(qiáng)度折減系數(shù)；為界面泊松比，取0.45；為虛擬厚度因素，取0.01。樁界面單元取值如表3所示。

止水帷幕按剛度等效原則^[13]等效成0.34 m厚的板單元進(jìn)行模擬。為便于拓展工況，將基坑開(kāi)挖形狀簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為21.6 m的正方形?；泳o鄰既有鐵路，處在影響范圍中^[14]，列車(chē)荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力有一定影響，取列車(chē)荷載為50 kPa^[15-16]。為消除邊界效應(yīng)影響，模型尺寸取為90 m×90 m×30 m（長(zhǎng)×寬×高）。模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總共生成65 138個(gè)節(jié)點(diǎn)和80 804個(gè)單元數(shù)值模型如圖3所示。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，左側(cè)基坑先進(jìn)行開(kāi)挖，右側(cè)基坑在左側(cè)基坑開(kāi)挖7 d后再進(jìn)行開(kāi)挖，兩側(cè)基坑開(kāi)挖深度均較小，加之現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度較快，兩側(cè)基坑均于1 d內(nèi)開(kāi)挖完畢，由于在施工前采取降水措施，因此模擬過(guò)程中不考慮地下水的影響，數(shù)值模擬過(guò)程如表4所示。

由圖4可知，左右兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均無(wú)內(nèi)支撐，樁身水平位移最大值均位于樁頂。同時(shí)，樁身變形主要集中在樁體上半?yún)^(qū)域，而下半?yún)^(qū)域的變形相對(duì)較小，圍護(hù)樁在強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖中得到了較好的嵌固。測(cè)點(diǎn)LCX1與測(cè)點(diǎn)RCX1的位移最大值分別為1.31、1.43 mm，兩者相差0.12 mm；測(cè)點(diǎn)LCX2與測(cè)點(diǎn)RCX2的位移最大值分別為2.38 mm與3.01 mm，兩者相差0.63 mm，可見(jiàn)相比等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形出現(xiàn)了增長(zhǎng)，且基坑中部處的增值大于基坑坑角處。

由圖5可知，4處測(cè)點(diǎn)的樁身彎矩變化趨勢(shì)基本一致，樁身彎矩最大值均位于開(kāi)挖面以下，而開(kāi)挖面以上的則較小，可見(jiàn)在土巖復(fù)合地層中，樁身受彎區(qū)域主要集中在嵌固段，非嵌固段主要以變形為主。測(cè)點(diǎn)LZW1與測(cè)點(diǎn)RZW1的樁身彎矩最大值分別為90.6、122.7 kN·m，兩者相差32.1 kN·m；測(cè)點(diǎn)LZW2與測(cè)點(diǎn)RZW2的樁身彎矩最大值分別為164.4、208.3 kN·m，兩者相差43.9 kN·m，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身彎矩總體上大于等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且基坑中部處的彎矩增值大于基坑坑角處。

綜上可知，減少部分排樁樁長(zhǎng)將使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形增大，樁身受彎加深，結(jié)構(gòu)整體支護(hù)效果減弱。在本工程中，由于基坑平面尺寸較小，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與受力增量均處于可控范圍中，結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果仍能得到較好保障。

通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果可知，測(cè)點(diǎn)RCX1與測(cè)點(diǎn)RCX2處的樁身水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果總體上小于數(shù)值結(jié)果，但變化趨勢(shì)一致，兩處測(cè)點(diǎn)處樁身水平位移最大值均位于樁頂。測(cè)點(diǎn)RCX1處樁身水平位移最大值的實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果分別為1.43、1.52 mm，測(cè)點(diǎn)RCX2的實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果分別為3.01、3.11 mm，兩處測(cè)點(diǎn)的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均較接近。測(cè)點(diǎn)RCX1與測(cè)點(diǎn)RCX2處樁身彎矩的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在變化趨勢(shì)上較相符，但在彎矩值大小上，存在差異，這主要是因?yàn)闇y(cè)量元件靈敏度較高，在埋設(shè)過(guò)程中易受各種不確定因素的影響。但綜合對(duì)比兩處測(cè)點(diǎn)的樁身水平位移與彎矩的實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果可知，建立的三維模型能夠一定程度上反映現(xiàn)場(chǎng)工況。

2 方形基坑尺寸效應(yīng)分析

為研究方形基坑尺寸效應(yīng)隨尺寸增大的變化規(guī)律，擬定邊長(zhǎng)為7.2、10.8、14.4、18.0、19.8、21.6、28.8 m的方形基坑進(jìn)行分析，其余計(jì)算參數(shù)不變，各計(jì)算工況基坑邊長(zhǎng)如表5所示。為提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度，對(duì)距坑邊3倍開(kāi)挖深度^[17]的區(qū)域網(wǎng)格加密，建立的方形基坑三維模型如圖6所示。

2.1 土體拱效應(yīng)分析

基坑具有尺寸效應(yīng)，其本質(zhì)為坑邊土體存在拱效應(yīng)，對(duì)坑邊土體的應(yīng)力大小及分布產(chǎn)生影響^[18]，可通過(guò)研究坑邊土體應(yīng)力狀態(tài)來(lái)研究方形基坑的尺寸效應(yīng)變化規(guī)律。工程基坑開(kāi)挖面以上的土體為素填土與粉質(zhì)黏土，兩者性狀較接近，為此以斷面1.1 m處的土體主應(yīng)力為例來(lái)說(shuō)明土體拱效應(yīng)變化規(guī)律。圖7為基坑在不同尺寸下開(kāi)挖前后土體中主應(yīng)力變化圖。

根據(jù)圖7（a）、（c）、（e）、（g）知，當(dāng)基坑未開(kāi)挖時(shí)，觀測(cè)面上的中主應(yīng)力為（為y方向應(yīng)力，為側(cè)應(yīng)力系數(shù)），此時(shí)中主應(yīng)力均勻分布于各個(gè)單元中，大小均為7.93 kPa，土體不存在拱效應(yīng)。

根據(jù)圖7中（b）、（d）、（f）、（h）知，當(dāng)基坑開(kāi)挖后，土體應(yīng)力重分布，主要為：

1）邊長(zhǎng)為7.2 m時(shí)，中主應(yīng)力減小的區(qū)域（圖中紅色區(qū)域）主要分布在圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后，土體松動(dòng)的區(qū)域主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后。與坑邊一定距離處的中主應(yīng)力增大，形成了連續(xù)、封閉的“類(lèi)圓形”拱區(qū)域（圖中虛線所包圍區(qū)域），拱區(qū)域中的環(huán)向拱效應(yīng)隨與坑邊距離的增加而減弱，直至消失。

2）邊長(zhǎng)增至14.4 m時(shí)，中主應(yīng)力減小的區(qū)域擴(kuò)大（圖中紅色區(qū)域），坑邊中部處擴(kuò)大最明顯，坑角處最微弱，土體松動(dòng)的區(qū)域呈“兩邊小，中間大”的拱形分布。此時(shí)拱區(qū)域在基坑中部處向內(nèi)凹陷，并在坑角處向外凸起。

3）邊長(zhǎng)增至21.6 m時(shí)，主應(yīng)力減小的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，拱區(qū)域的分布不再呈連續(xù)、閉環(huán)狀態(tài)，而是在坑邊中部斷開(kāi)，斷開(kāi)后的拱區(qū)域集中分布在基坑坑角處。此時(shí)，距坑邊較遠(yuǎn)處的土體中主應(yīng)力也減?。▓D中淡黃色區(qū)域）。

4）邊長(zhǎng)為28.8 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后處中主應(yīng)力減小的區(qū)域向外擴(kuò)張，并與距坑邊較遠(yuǎn)處的中主應(yīng)力減小區(qū)域連通，使得土體松動(dòng)區(qū)域迅速擴(kuò)大。

綜上可知，當(dāng)基坑開(kāi)挖尺寸足夠小時(shí)，可在坑邊一定范圍內(nèi)形成連續(xù)、封閉的“類(lèi)圓形”環(huán)向壓力拱區(qū)域，這與圓形基坑中存在的環(huán)箍效應(yīng)^[19-20]相似，可將其稱(chēng)為“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”。隨著基坑開(kāi)挖尺寸增大，環(huán)向壓力拱區(qū)域在坑邊中部斷開(kāi)，“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”消失。此時(shí)，由于缺少了“類(lèi)環(huán)箍”對(duì)箍?jī)?nèi)土體與箍外土體的隔斷作用，距坑邊較遠(yuǎn)處的土體也發(fā)生擾動(dòng)，并與圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土體松動(dòng)區(qū)域相連，進(jìn)一步形成大范圍的開(kāi)挖影響區(qū)域。

為了確定“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”存在對(duì)應(yīng)的基坑平面尺寸，取基坑邊中心剖面處的中主應(yīng)力最大值進(jìn)行對(duì)比，以開(kāi)挖后最大中應(yīng)力值/開(kāi)挖前最大中應(yīng)力值（用K表示）大小判斷拱效應(yīng)是否存在，若K大于1，則說(shuō)明拱區(qū)域封閉成環(huán)，有環(huán)箍效應(yīng)。圖8為K隨基坑邊長(zhǎng)增加的變化規(guī)律。

由圖8可知，K的大小隨基坑開(kāi)挖尺寸增大而減小，素填土的下降速度大于粉質(zhì)黏土，這是由于粉質(zhì)黏土的土體性質(zhì)更好，穩(wěn)定性更強(qiáng)，中主應(yīng)力變化幅度更小。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L小于18.0 m時(shí)，素填土與粉質(zhì)黏土的主應(yīng)力比值K均大于1，說(shuō)明方形基坑邊長(zhǎng)小于18.0 m時(shí)，各土層中的環(huán)向拱區(qū)域處于連續(xù)、封閉狀態(tài)，此時(shí)“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”存在。當(dāng)正方形基坑邊長(zhǎng)大于18.0 m后，素填土的主應(yīng)力比值K小于1，而粉質(zhì)黏土的主應(yīng)力比值K仍大于1，說(shuō)此時(shí)素填土中的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”已消失，粉質(zhì)黏土中的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”存在。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L大于21.6 m時(shí)，粉質(zhì)黏土的主應(yīng)力比值K小于1，此時(shí)粉質(zhì)黏土中的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”消失。由此可知，土體性質(zhì)越好，“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”隨尺寸增大而消失的速度越慢，在本工程中，素填土的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”在方形基坑邊長(zhǎng)大于18.0 m時(shí)消失，粉質(zhì)黏土則為大于21.6 m時(shí)消失。

2.2 土壓力分析

為了進(jìn)一步研究方形基坑尺寸效應(yīng)影響，分別對(duì)基坑中部與坑角處的土壓力進(jìn)行分析，圖9為不同平面尺寸的方形基坑中部與坑角處的土壓力沿深度的分布圖。

從圖9可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土壓力沿深度逐漸增加，且在深度2.2 m與深度4.8 m處發(fā)生突變，這是由于此處位于土層分界處，上下兩層土性質(zhì)存在差異，但土壓力的變化趨勢(shì)與靜止土壓力基本吻合，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形很小，樁后的土壓力沒(méi)有達(dá)到主動(dòng)土壓力的程度。

從圖9（a）可知，當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L為7.2 m時(shí)，主動(dòng)土壓力總體小于靜止土壓力。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L增至14.4 m時(shí)，土壓力增加，但增量較小，總體上仍小于靜止土壓力。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)增至21.6 m時(shí)，主動(dòng)土壓力進(jìn)一步增加，且增量明顯上升，土壓力總體上大于靜止土壓力。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L增至28.8 m時(shí)，土壓力繼續(xù)增加，但增速有所下降。從圖9（b）可知，坑角處的土壓力在不同平面尺寸下和靜止土壓力相當(dāng)，隨著尺寸的增大而增加，增長(zhǎng)不是很明顯，且每次增量明顯小于基坑中部。

由此可見(jiàn)，基坑不同部位受到尺寸效應(yīng)的影響存在差異，基坑中部處受影響的程度明顯大于坑角處。同時(shí)，結(jié)合對(duì)坑邊土體的主應(yīng)力分析可知，當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L小于14.4 m時(shí)，由于存在“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”，環(huán)箍隔斷了環(huán)箍?jī)?nèi)、外的土體，土體松動(dòng)的區(qū)域主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后小范圍內(nèi)，作用于結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力較小，當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L為21.6 m與28.8 m時(shí)，環(huán)箍在基坑中部處斷開(kāi)，導(dǎo)致環(huán)箍?jī)?nèi)的土體與環(huán)箍外的土體相連，土體松動(dòng)區(qū)域向外擴(kuò)張，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土壓力增大?；涌咏翘幱捎谑冀K存在拱區(qū)域，土體穩(wěn)定性變化不明顯，因此，主動(dòng)土壓力只出現(xiàn)了少量增長(zhǎng)。

2.3 坑邊土體沉降

坑邊土體沉降量可進(jìn)一步反映尺寸效應(yīng)對(duì)坑邊土體穩(wěn)定性的影響，由此分別對(duì)基坑中部處與坑角處的土體沉降情況進(jìn)行分析。圖10為坑邊不同位置土體沉降情況。

由圖10可知，隨著基坑開(kāi)挖尺寸增大，中部處與坑角處的土體沉降量逐漸上升，沉降范圍向外擴(kuò)張。在基坑中部，當(dāng)邊長(zhǎng)為7.2 m與14.4 m時(shí)，土體沉降量較小，沉降區(qū)域距坑邊0～7.2 m。當(dāng)邊長(zhǎng)為21.6 m時(shí)，沉降量明顯上升，沉降區(qū)域擴(kuò)張至距坑邊0～14 m。當(dāng)邊長(zhǎng)為28.8 m時(shí)，沉降量進(jìn)一步上升，沉降區(qū)域擴(kuò)散至距坑邊0～18 m。在基坑坑角，隨著邊長(zhǎng)增大，土體沉降增長(zhǎng)量小于中部處，沉降范圍擴(kuò)張較小。由此可見(jiàn)，坑角處由于拱效應(yīng)一直存在，土體穩(wěn)定性更強(qiáng)。存在“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”基坑的土體穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于不存在的基坑，“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”有利于土體穩(wěn)定。

3 長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力分析

方形基坑的尺寸效應(yīng)能影響坑邊土體的穩(wěn)定性，且進(jìn)一步影響作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力大小，而長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)是在等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，減少了部分圍護(hù)樁長(zhǎng)，使整體結(jié)構(gòu)抵擋土體變形的能力有所下降。為分析長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在尺寸效應(yīng)影響下支護(hù)效果的降低程度，比較長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受力差異。

由于基坑中部處的土體主應(yīng)力與土壓力變化較明顯，選取此處的樁身水平位移與彎矩進(jìn)行對(duì)比。圖11與圖12分別為長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)位于基坑中部處的樁身水平位移與彎矩對(duì)比情況。

3.1 樁身水平位移分析

從圖11可知，當(dāng)基坑邊長(zhǎng)為7.2 m時(shí)，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身水平位移最大值均位于樁頂以下，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值相比等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)增長(zhǎng)。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L增至14.4 m時(shí)，兩者的樁身水平位移最大值均出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)，位移最大值位于樁頂，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值比等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)大6.95%。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)增至21.6 m時(shí)，兩者的樁身水平位移最大值繼續(xù)增加，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值比等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)大15.00%。當(dāng)基坑邊長(zhǎng)L為28.8 m，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值比等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)大20.82%。

由此可見(jiàn)，尺寸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果有較大影響。當(dāng)基坑尺寸效應(yīng)較強(qiáng)時(shí)，坑邊土體自穩(wěn)性強(qiáng)，土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用較弱，減小部分排樁樁長(zhǎng)不會(huì)使整體結(jié)構(gòu)變形大幅增長(zhǎng)，但隨著開(kāi)挖尺寸增大，尺寸效應(yīng)減弱，坑邊土體松動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用加深，此時(shí)若減小部分排樁樁長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)支護(hù)效果將大幅度下降。

3.2 樁身彎矩分析

根據(jù)圖12可知，隨著基坑平面尺寸增大，樁身彎矩發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為上部彎矩減小，下部彎矩增大，彎矩最大位置表現(xiàn)為上部下移，下部上移。相同工況下，采用長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)將使樁身彎矩最大值增大，然而，當(dāng)基坑尺寸效應(yīng)較強(qiáng)時(shí)，樁身彎矩增量較小，隨著基坑尺寸不斷增大，增量逐漸加大。可見(jiàn)，在小尺寸的方形基坑中，坑邊土體具有較強(qiáng)的自穩(wěn)性，此時(shí)減小部分排樁樁長(zhǎng)，不會(huì)導(dǎo)致其余排樁的樁身彎矩最大值出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，隨著基坑平面尺寸的不斷增大，基坑尺寸效應(yīng)逐漸減弱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的土體作用加強(qiáng)，此時(shí)長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)樁承擔(dān)的彎矩將大幅增加，樁身受彎程度迅速上升。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬，研究了不同開(kāi)挖尺寸方形基坑中的尺寸效應(yīng)變化規(guī)律，比較了長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長(zhǎng)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在尺寸效應(yīng)影響下的變形受力差異，得出以下主要結(jié)論：

1）方形基坑平面尺寸足夠小時(shí)，在坑邊一定距離處形成連續(xù)、封閉的“類(lèi)圓形”拱區(qū)域，存在與圓形基坑中環(huán)箍效應(yīng)類(lèi)似的“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”。本工程中，基坑邊長(zhǎng)大于18.0 m后，環(huán)向拱區(qū)域在基坑中部處斷開(kāi)，環(huán)箍效應(yīng)消失，斷開(kāi)后的拱區(qū)域移向基坑坑角處。

2）方形基坑尺寸效應(yīng)對(duì)基坑中部的土壓力影響大于坑角處，當(dāng)方形基坑具有“類(lèi)環(huán)箍效應(yīng)”后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的土壓力下降顯著。

3）相比等長(zhǎng)樁，方形基坑尺寸效應(yīng)越強(qiáng)，長(zhǎng)短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果減弱程度越小，樁身水平位移與彎矩變化不明顯。本工程中，邊長(zhǎng)不大于14.4 m的基坑可充分利用其尺寸效應(yīng)，采用長(zhǎng)短樁圍護(hù)替代等長(zhǎng)樁，可在保證安全前提下，節(jié)省材料和縮短工期。

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（編輯??王秀玲）