许多学者针对断层发育区桥梁桩基础工程展开了相关研究. 在理论研究方面，Bray[9]提出当无法避开活动断层时，可以通过合理的工程设计缓解活动断层的影响. Park等[10] 经初步分析认为，地震中近断层桥梁结构受损的原因是设计之初对断层可能产生的错动考虑不充分. Qu等[11]通过几何模拟法，研究处于断层破碎带的桩基受力机理，以及桩基设计施工过程中着重考虑的事项. 惠迎新等[12]以跨越走滑断层桥梁为研究对象，采用非线性时程分析方法，研究桥梁结构的内力和位移响应. 在试验研究方面，冯忠居等[13-18]通过室内模型试验与大型振动台试验，开展桩-土-断层耦合作用下桩基础的静力与动力响应特性研究. 何静斌等[19]通过振动台试验，研究不同类型地震波作用下桩-土-断层体系的动力响应特征. Bransby等[20] 通过离心模型试验，研究正断层与条形基础的相互作用，认为引起断层偏移的不是地基的运动约束，而是地基的承压. Yao等[21]通过离心模型试验，开展单桩及浅基础受断层变形影响研究. 蔡奇鹏等[22-23]利用离心模型试验，研究正断层错动下单桩及群桩基础的破坏机理，并给出相应的安全避让距离. Ahmed等[24]采用离心模型试验，研究基础与断层的水平距离对基础倾覆破坏程度的影响，认为即使断层远离地基，有时也会引起地基的重大移动. 在数值仿真研究方面，Sadr等[25]通过物质点法（material point method， MPM），研究断层错动下地基土变形对群桩基础的影响. Davoodi等[26]采用Abaqus软件，研究横向荷载下断层破裂对直桩和斜桩的影响. 符婉靖等[27]采用FLAC3D（fast Lagrangian analysis of continua）软件，分析正断层错动下高承台群桩的承台位移、群桩基础的轴力和弯矩变化规律. Gazetas等[28]开展正断层破裂与基础的相互作用研究，所得结论适用于逆断层.
上述研究局限于近断层桥梁上部结构和基础的动力响应，本研究采用离心模型试验，从断层与桩基不同水平距离、不同断层埋深下的近断层桥梁桩基水平承载特性方面展开，以期丰富近断层桥梁大直径深长桩基础设计理论，为类似工程提供科学依据.
1. 工程背景
海南铺前大桥跨越3处断层，其中1条为正断层. 正断层走向345°，向西南方向倾斜65°，断层宽度为8 m. 如图1所示，基础类型均采用桩基础，其中桩37#、38#的基础桩径为2 m，桩长为54 m，位于正断层的下盘和上盘，距离断层的水平距离为25 m. 断层上覆土层厚度差异显著，最大差距为63 m.
图 1
图 1 桩基与断层相对位置关系
Fig.1 Relative position relationship between pile foundation and fault
2. 离心模型试验设计
2.1. 试验设备
试验在长安大学TLC-3型土工离心机实验室展开. 如图2所示，离心机最大容重为60gt，启动时间小于15 min，有效半径为2.0 m，离心机试验的有效离心加速度为100g. 模型箱长为700 mm、宽为360 mm、高为500 mm.
图 2
2.2. 离心模型试验相似律
表 1 近断层单桩水平承载特性离心模型试验中物理量的相似关系
Tab.1
| 物理量 | 量纲 | 数值 | |
| 原型 | 离心模型 | ||
| 尺寸l | L | 1 | 1/n |
| 水的质量分数w | 1 | 1 | 1 |
| 密度ρ | ML−3 | 1 | 1 |
| 应变ε | 1 | 1 | 1 |
| 应力σ | ML−1T−2 | 1 | 1 |
| 质量m | M | 1 | 1/n3 |
| 力F | MLT−2 | 1 | 1/n2 |
| 土抗力p | ML−1T−2 | 1 | 1/n |
| 容重γ | ML−2T−2 | 1 | n |
| 加速度a | LT−2 | 1 | n |
| 时间t | T | 1 | 1/n2 |
| 角度α | 1 | 1 | 1 |
| 变形u | L | 1 | 1/n |
2.3. 模型桩及模型土设计
2.3.1. 模型桩设计
图 3
2.3.2. 模型土的制备
离心模型试验用土分为上、下层，上层采用黄土模拟覆盖层，下层采用土、砂及砾石和水混合层模拟持力岩层. 利用土工试验测定土样的密度ρ、黏聚力C、内摩擦角φ及压缩模量K，土层参数如表2所示. 试验过程中地基土分层制备，为了尽可能保证同层土的物理力学指标一致，将覆盖层与基岩分层制备，取层厚为5 cm. 依据模型土的密度，称取5 cm厚土层所需土量，均匀抛洒至模型箱，采用击实筒将该层土的厚度击实至5 cm，确保每层地基土力学参数指标一致.
表 2 近断层单桩水平承载特性离心模型试验的土层参数
Tab.2
| 模型土 | ρ/（kg·m−3） | E/MPa | φ/（°） | C/kPa |
| 粉质黏土 | 18.00 | 28 | 20 | 26 |
| 持力层 | 25.00 | 56 | — | — |
2.4. 加载装置及量测装置
利用水平加载系统进行分级加载，共5级，每级加载40 N. 在控制器上将离心加速度设置为100g，在该加速度下运转，达到目标加速度保持8 min后采集数据. 采用HG-C1030型激光位移计（测量范围为±5 mm，精度为10 μm）量测桩顶水平位移，BW11-1.2型应变式微型土压力盒（直径为12 mm，精度为1 με，灵敏度因子为（0.25±0.01）%，土压力测量范围为0~1.2 MPa）量测桩侧土抗力，BF120-5AA型应变片（灵敏度系数为2.0%，电阻为120 Ω，精度为0.05 με）量测桩身应变，得到轴力、剪力与弯矩. 应变片与补偿片一一对应，如图4所示. 图中，S为断层与桩基础水平距离，h为断层埋深. 离心机信号采集端均为航空插座（X14K7APJ），所有测试元件采用七芯航空插头与离心机采集系统连接. 离心模型试验中模型桩应变的布设有2种方式：1）应变片粘贴在剖开的模型桩内部；2）应变片粘贴在模型桩的表面. 为了保证应变片的存活率，试验选用方式1）. 土压力盒布设在模型桩外壁.
图 4
图 4 模型示意图及测试元件布设
Fig.4 Schematic diagram of model and layout of test components
2.5. 试验工况
如表3所示为近断层单桩水平承载特性离心模型试验工况. 表中，D为模型桩外径.
表 3 近断层单桩水平承载特性离心模型试验的工况
Tab.3
| 类型 | S/cm | h/cm |
| 对比桩 | 无断层 | 0 |
| 试验桩 | 1D、2D、3D、4D、5D | 0 |
| 试验桩 | 3D | 0、24、28、32 |
3. 试验结果分析
3.1. 断层与桩基水平距离对桩基水平承载特性的影响
3.1.1. 断层与桩基水平距离对水平极限承载力的影响
图 5
图 5 断层与桩基不同水平距离工况下的桩基荷载-位移曲线
Fig.5 Load-displacement curve of pile foundation with different horizontal distance between fault and pile foundation
式中：Hi为不同工况下的桩基水平极限承载力，HS为无断层时桩基水平极限承载力.
桩基水平极限承载力及其影响度变化规律如图6所示. 可以看出，桩基水平承载力随着水平距离的增加呈上升趋势，极限承载力影响度逐渐减小. 由于上盘效应，断层上盘的桩基水平极限承载力低于下盘，且极限承载力影响度大于下盘. 当断层与桩基水平距离从1D增大到5D时，上盘桩基水平极限承载力影响度从61.47%降低至9.35%，下盘桩基水平极限承载力影响度从46.27%降低至1.38%. 原因是下盘作为稳定盘，沿桩长方向桩侧岩土体逐渐增多，即桩周可提供桩侧土抗力的岩土体范围较大，同样水平距离相同荷载作用下，下盘桩基础较上盘桩基础稳定. 断层破碎带岩土体强度低，碎散性强，无法提供足够的侧向抗力，当断层与桩基水平距离较近时，桩基水平极限承载力显著降低.
图 6
图 6 断层与桩基不同水平距离工况下的桩基水平极限承载力及影响度变化
Fig.6 Variation of horizontal ultimate bearing capacity and influence degree of pile foundation at different horizontal distances between fault and pile foundation
3.1.2. 断层与桩基水平距离对桩侧土抗力的影响
不同荷载作用下，桩侧土抗力、桩身弯矩、桩身剪力变化规律相似，因此以水平荷载120 N为例分析：断层上、下盘桩基的桩侧土抗力，桩身弯矩及桩身剪力. 桩侧土抗力变化规律如图7所示. 图中，p为桩侧土抗力，L为桩长. 可以看出，不同水平距离工况下，断层上、下盘桩基桩侧土抗力沿桩长方向变化规律近似相同，均呈S形变化；随着水平距离的增加，桩侧土抗力逐渐减小. 以上盘桩基础为例，当断层与桩基水平距离分别为1D、2D、3D、4D、5D时，桩侧土抗力最大值分别为1.96、1.61、1.62、1.46、1.43、1.48 kPa. 原因在于，桩周土体在桩基水平荷载作用下应力扩散较快，水平距离的减小使桩周可承受荷载的有效岩土体范围减小，导致产生较大桩身位移，进而产生较大的桩身弯矩，桩身弯矩大引起桩挤压土，根据作用力与反作用力，导致桩侧土抗力增大，产生较大的桩侧土抗力[35]. 当断层与桩基水平距离一定时，断层下盘桩基的桩侧土压力值较上盘大. 这是因为断层下盘属于稳定盘，由于断层存在倾角，断层两侧桩基在相同水平距离情况下，下盘桩基桩周可承受荷载的有效岩土体范围较上盘桩基大，所以桩侧土体在荷载作用下，应力扩散范围大，扩散速度较慢.
图 7
图 7 断层与桩基不同水平距离工况下的桩侧土抗力变化
Fig.7 Variation of lateral soil resistance of piles at different horizontal distances between faults and pile foundations
3.1.3. 断层与桩基水平距离对桩身弯矩的影响
断层与桩基水平距离变化下桩身弯矩的变化规律如图8所示. 图中，M为桩身弯矩. 可以看出，在不同水平距离下，断层上、下盘桩基的桩身弯矩变化规律近似. 最大值出现在地表下13 cm处附近. 随着断层与桩基水平距离的增加，相同位置处桩身弯矩逐渐减小，最大值也逐渐减小. 以上盘桩基础为例，水平距离从1D增加到5D时，桩身弯矩最大值从15.96 N·m减小到10.65 N·m. 原因是断层的存在改变了桩侧土半无限体的性质，断层两侧岩土体差异，导致上、下盘桩基础周围存在不同的介质过渡带，上盘效应显著. 随着水平距离的增大，提供桩侧土抗力的土体范围逐渐增大，使桩身产生的弯矩较小，且衰减速度增加，桩身弯矩受水平距离的影响显著.
图 8
图 8 断层与桩基不同水平距离工况下的桩身弯矩变化
Fig.8 Variation of pile body bending moment at different horizontal distances between fault and pile foundation
3.1.4. 断层与桩基水平距离对桩身剪力的影响
桩身剪力Vc沿桩长方向变化规律如图9所示. 可以看出，不同水平距离变化时断层两侧桩基桩身剪力沿桩长方向变化规律大致相同，均呈反S形变化，最大值出现在地表下3 cm处和基岩面附近. 这是因为桩顶无约束，因此在第一量测点处桩身剪力值较大. 基岩面附近的岩土体强度差异大，桩身剪力值会产生较大突变，桩基产生挠曲变形. 随着断层与桩基水平距离的增加，相同位置处桩身剪力逐渐减小. 这是因为桩基承受水平荷载时，桩土间的协调变形，随着水平距离的减小，桩周可承受荷载的岩土体范围逐渐减小，产生较大的水平位移，所以桩身剪力值较大.
图 9
图 9 断层与桩基不同水平距离工况下的桩身剪力变化
Fig.9 Variation of pile body shear force at different horizontal distances between fault and pile foundation
3.2. 断层埋深对桩基水平承载特性的影响
3.2.1. 断层埋深对水平极限承载力的影响
由上述分析可知，断层与桩基水平距离在1D~3D时，桩基水平承载特性受断层影响较为显著，因此，选定断层与桩基水平距离为3D时，开展断层埋深变化研究，桩基H-y曲线变化规律如图10所示. 可以看出，随着断层埋深的增加，桩基水平承载力逐渐增加. 定义α为断层埋深对桩基水平极限承载力的影响度，计算式为
图 10
图 10 不同断层埋深工况下的桩基荷载-位移曲线
Fig.10 Load-displacement curve of pile foundation at different fault burial depths
式中：HH为断层破碎埋深32 cm时桩基水平极限承载力. 桩基水平极限承载力及其影响度变化规律如图11所示. 可以看出，随着断层埋深的增大，上下盘桩基础水平极限承载力均逐渐增大，影响度均逐渐降低. 当断层埋深由0 cm增大至28 cm时，上盘桩基极限承载力影响度分别为51.60%、32.22%、24.54%、15.02%，下盘桩基极限承载力影响度分别为46.04%、35.43%、23.39%、13.07%. 原因在于，断层埋深的减小使得桩周一定范围内的岩土体受断层影响更大，桩侧岩土体不足以提供足够的桩侧土抗力，断层埋深的变化对桩基水平极限承载力有显著影响.
图 11
图 11 不同断层埋深工况下的桩基水平极限承载力及影响度变化
Fig.11 Variation of horizontal ultimate bearing capacity and influence degree of pile foundation at different fault burial depths
3.2.2. 断层埋深对桩侧土抗力的影响
桩侧土抗力p沿桩长方向变化规律如图12所示. 可以看出，在上部土层范围首先出现主动土压力，随着深度的增加，主动土压力减小，产生被动土压力. 断层埋深的增大，桩身在上部覆盖层中的长度增大，桩周岩土体近似为半无限体，桩周土在横向荷载作用下应力可充分扩散，故桩侧土抗力随着断层埋深的增加，影响逐渐减小. 随着断层埋深的增大，相同位置处桩侧土抗力逐渐增大，其最大值也相应增大. 以上盘桩基础为例，断层埋深分别为0、20、24、28、32 cm时，桩侧土抗力最大值分别为1.62、1.81、1.95、2.27、2.46 kPa. 下盘桩基础桩基桩侧土抗力小于上盘. 说明断层埋深的增大，断层下盘桩基桩周可承受荷载的有效岩土体范围增大，桩周岩土体可提供较强约束，桩土协调变形增强.
图 12
图 12 不同断层埋深工况下的桩侧土抗力变化
Fig.12 Variation of lateral soil resistance of piles at different fault burial depths
3.2.3. 断层埋深对桩身弯矩的影响
桩身弯矩M沿桩长方向变化规律如图13所示. 可以看出，在接近桩底时，桩身弯矩值接近0. 随着断层埋深的增加，桩身弯矩逐渐减小. 以上盘桩基础为例，断层埋深分别为0、20、24、28、32 cm时，桩身弯矩最大值分别为16.05、11.70、10.83、10.21、9.83 N/m. 断层两侧桩基础的断层埋深大于24 cm后，桩身弯矩变化规律与断层埋深32 cm时的较为接近. 上盘桩基础桩身弯矩大于下盘桩基础，原因是桩侧土抗力的分布更大程度上取决于桩侧土体的性质，说明上盘桩基的桩侧岩土体特性受断层的影响更大.
图 13
图 13 不同断层埋深工况下的桩身弯矩变化
Fig.13 Variation of pile body bending moment at different fault burial depths
3.2.4. 断层埋深对桩身剪力的影响
断层埋深变化时桩身剪力Vc沿桩长方向变化规律如图14所示. 可以看出，桩身剪力沿桩长方向仍呈现S形变化. 在基岩面附近，桩身轴力产生突变，进入岩层后，桩周岩体约束性较强，剪力值再度减小. 随着断层埋深的增加，桩身剪力逐渐减小. 断层埋深的变化，对桩身剪力有显著影响. 原因在于断层埋深大小决定受断层影响的桩身长度范围，埋深越大，受断层影响的桩身长度范围越小，桩周岩土体更接近半无限体，荷载作用下传递至桩周土体的荷载得以充分扩散.
图 14
图 14 不同断层埋深工况下的桩身剪力变化
Fig.14 Variation of pile body shear force at different fault burial depths
4. 工程建议
根据土工离心模型试验分析结果，提出以下工程建议. 1）设计近断层桥梁单桩水平承载能力时，着重考虑上盘桩基础的水平极限承载力、软硬土层分界处的桩基抗弯及抗剪能力. 2）当断层与桩基水平距离超过5D时，断层对桩基水平承载特性的影响显著降低. 当断层埋深为0~24 cm时，断层上、下盘桩基水平极限承载力影响度，分别为15.02%~51.6%、13.07%~46.04 %. 可以根据断层埋深确定合理桩长，保证桩基础有足够的水平承载能力.
5. 结 论
（1）当断层与桩基水平距离由1D增大至5D时，断层上盘桩基极限承载力影响度由61.47%降至9.35%，下盘桩基极限承载力影响度由46.27%降至1.38%. 说明上盘桩基受断层影响更为显著，下盘桩基的安全性高于上盘. 当距离超过5D时，断层两侧桩基水平承载能力受距离的影响程度显著降低.
（2）当断层埋深由0 cm增大至28 cm时，上盘桩基极限承载力影响度由51.60%降至15.02%，下盘桩基极限承载力影响度由46.04%降至13.07%. 断层埋深对桩基水平承载特性的影响程度低于水平距离，原因是桩基础水平承载特性更大程度取决于桩周土体的约束作用.
（3）断层与桩基水平距离和断层埋深的变化，均较大程度影响桩周土体的约束效应，且上盘桩基桩身弯矩、剪力均大于下盘，桩基水平极限承载力小于下盘，断层下盘桩基比上盘桩基安全储备高.
（4）在近断层桥梁桩基水平承载力设计时，应充分考虑桩侧土体受干扰程度及影响范围，以此确定断层与桩基的水平距离临界值及合理桩长.
（5）本研究中将断层破碎带视为均匀介质，未考虑其物理力学参数指标的差异性，后续将针对此内容开展进一步的研究.
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