武守信，何亞?wèn)|，江昕宇

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋梁基礎(chǔ)是將上部結(jié)構(gòu)承受的荷載傳遞到地基持力層的結(jié)構(gòu)。橋梁基礎(chǔ)位于整座橋梁結(jié)構(gòu)的最底部，一般埋置于地表以下或深水中。由于橋梁結(jié)構(gòu)的所有荷載都最終傳給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)就成為控制橋梁結(jié)構(gòu)安全的最基本結(jié)構(gòu)。橋梁基礎(chǔ)工程是應(yīng)用地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的一門(mén)學(xué)科。橋梁基礎(chǔ)工程包括了基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地基參數(shù)的確定，例如，地基土的承載力和基礎(chǔ)的沉降估計(jì)。前者屬于結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)，后者是巖土工程師的任務(wù)。然而，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和維護(hù)涉及到土力學(xué)、巖石力學(xué)、水力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)之間的交叉領(lǐng)域，其中大部分屬于巖土工程領(lǐng)域。橋梁基礎(chǔ)不同于其他建筑物基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是：1)承受動(dòng)荷載；2)很多基礎(chǔ)位于河流甚至深水激流之中；3)體型較大。由此帶來(lái)的設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題構(gòu)成了橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域獨(dú)特的研究課題。筆者針對(duì)橋梁基礎(chǔ)工程特有的突出問(wèn)題進(jìn)行綜述。橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的每一進(jìn)展都對(duì)大跨度橋梁的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)起著奠基性的作用，尤其在面臨各種跨海、跨江、跨地質(zhì)不良區(qū)域的橋梁建設(shè)中，基礎(chǔ)工程的研究尤為重要。以近年來(lái)中國(guó)橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的科研成果為依據(jù)，總結(jié)和評(píng)述近年來(lái)在橋梁基礎(chǔ)沖刷、波浪作用、地震作用、基礎(chǔ)損傷評(píng)估以及地質(zhì)不良區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工方面的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期促進(jìn)橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷發(fā)展。鑒于其他國(guó)家雖然新建橋梁較少，但在橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域仍有若干值得重視的研究方向，也進(jìn)行評(píng)述。

1 基礎(chǔ)沖刷研究

橋梁基礎(chǔ)的沖刷問(wèn)題是引起涉水橋梁事故的重要因素之一。沖刷是水流在可侵蝕河床上由于水動(dòng)力作用引起的一種自然現(xiàn)象，在涉水橋梁中普遍存在。沖刷通常可分為自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。自然演變沖刷是指在水流作用影響下，隨著時(shí)間的推移，自然發(fā)育而導(dǎo)致河床降低的沖刷；一般沖刷是指由于墩柱的存在縮小了過(guò)水?dāng)嗝妫鲗⒑拥缀蛢蓚?cè)泥沙沖走的沖刷；局部沖刷是指水流受基礎(chǔ)的阻攔作用在基礎(chǔ)附近產(chǎn)生漩渦，將泥沙從基礎(chǔ)周圍帶走并形成沖刷坑的過(guò)程。此外，基于沖刷坑是否能得到上游來(lái)沙的填補(bǔ)，局部沖刷又分為清水沖刷和動(dòng)床沖刷。

1.1 沖刷機(jī)理

橋梁基礎(chǔ)的沖刷機(jī)理十分復(fù)雜，并與諸多因素密切相關(guān)，研究者大多以水力條件、沉積物條件、基礎(chǔ)形式及空間布置、基礎(chǔ)周圍流場(chǎng)等對(duì)沖刷過(guò)程的影響展開(kāi)研究。

基礎(chǔ)周圍的流場(chǎng)作用是引起沖刷的直接原因，研究流場(chǎng)特性就是從根源上研究沖刷的產(chǎn)生及發(fā)展。目前，對(duì)圓柱橋墩三維繞流的水流力及流場(chǎng)的三維特性通過(guò)精細(xì)化研究得到了明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)于墩柱豎向各分段的阻力、升力及三維漩渦的形成發(fā)展過(guò)程有了較好的了解。已有的成果可為橋墩水流力的計(jì)算和橋墩局部沖刷估算提供一定的參考[1-2]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，三維數(shù)值模擬可以使橋墩沖刷計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

通過(guò)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，群樁基礎(chǔ)的沖刷可分為整體沖刷和樁周局部沖刷。當(dāng)樁間距較大時(shí)，以整體沖刷為主，當(dāng)樁間距較小時(shí)，以樁周的局部沖刷為主。對(duì)于不同尺寸、不同構(gòu)造的沉箱基礎(chǔ)及群樁基礎(chǔ)的沖刷特性試驗(yàn)揭示了部分局部沖刷的演變機(jī)理。例如，相對(duì)于相同幾何尺寸的樁群基礎(chǔ)，圓形沉箱和矩形體沉箱的沖刷會(huì)更嚴(yán)重。具有直角的矩形沉箱比圓角型沉箱的抗沖刷性能要好，說(shuō)明沉箱的轉(zhuǎn)角對(duì)于沖刷具有一定的抵抗作用。但是，這種內(nèi)在的抗沖刷機(jī)理仍然沒(méi)有明確。這些研究還表明，大型基礎(chǔ)的承載力和抗震性能應(yīng)考慮沖刷坑的形狀和邊界條件。

跨海大橋基礎(chǔ)經(jīng)常受到波浪和水流的共同作用，通過(guò)水槽試驗(yàn)研究波浪和水流聯(lián)合作用下基礎(chǔ)周圍的局部沖刷特性、比較沖刷深度和沖刷坑隨時(shí)間的變化也受到研究人員的廣泛關(guān)注。研究結(jié)果表明，波流聯(lián)合作用下的沖刷范圍比波浪單獨(dú)作用或水流單獨(dú)作用下的沖刷范圍大，但沖刷深度并不一定更大[3]。這說(shuō)明，在跨海大橋基礎(chǔ)沖刷計(jì)算時(shí)，對(duì)沖刷的范圍需要慎重考慮和估計(jì)。

1.2 沖刷預(yù)測(cè)與評(píng)估

橋梁基礎(chǔ)沖刷與許多因素相關(guān)，如基于水流的水力特性、橋墩和基礎(chǔ)的幾何特性等。目前，已提出許多橋梁基礎(chǔ)沖刷深度的計(jì)算公式，然而這些公式也多為經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)、半理論公式，而且多是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。因此，這些公式也具有一定的應(yīng)用局限性。

事實(shí)上，橋梁基礎(chǔ)沖刷直接對(duì)結(jié)構(gòu)支承邊界條件產(chǎn)生影響，可改變上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。因此，通過(guò)跟蹤結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性來(lái)反演基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)具有理論上的可行性。研究人員已經(jīng)提出一種基于實(shí)測(cè)模態(tài)與模型更新的沖刷動(dòng)力識(shí)別方法，可以快速評(píng)估運(yùn)營(yíng)階段橋梁基礎(chǔ)沖刷的狀態(tài)。值得提到的一種方法是，通過(guò)調(diào)整數(shù)值模型中的樁側(cè)等效彈簧剛度，使數(shù)值分析得到的沖刷非敏感模態(tài)的自振頻率和實(shí)測(cè)自振頻率一致(如圖1)，可以得到基礎(chǔ)的實(shí)際邊界條件[4]；再調(diào)整數(shù)值模型的沖刷深度直至全橋頻率綜合值與實(shí)際值一致(如圖2)，便可完成對(duì)沖刷深度的預(yù)測(cè)。這一方法在杭州灣大橋橋塔沖刷檢測(cè)中得到了良好應(yīng)用，可解決長(zhǎng)期以來(lái)需要水下作業(yè)才能完成沖刷檢測(cè)的技術(shù)難題。這一數(shù)值方法在基礎(chǔ)沖刷預(yù)測(cè)方面的廣泛應(yīng)用是樂(lè)觀的。

圖1 自振頻率差值平方和與迭代次數(shù)的關(guān)系[4]Fig.1 Relationship between the sum of squares of frequency difference and the iteration times [4]

圖2 Fd與F的差值與沖刷深度的關(guān)系[4]Fig.2 Relationship between the difference of Fd and F and the scour depth in the simulation model [4]

目前，對(duì)沖刷預(yù)測(cè)的研究多集中在局部沖刷，對(duì)壓縮沖刷(一般沖刷)的研究較少。但有時(shí)實(shí)際壓縮沖刷不可忽略，如三峽水庫(kù)蓄水后，下泄沙量急劇減小，加劇了長(zhǎng)江下游河床沖刷，此時(shí)橋墩壓縮沖刷預(yù)測(cè)成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。在建立橋墩壓縮沖刷預(yù)測(cè)模型時(shí)，對(duì)不同尺度模型、橋墩邊界的選取應(yīng)不同，水沙過(guò)程的確定也直接影響沖刷預(yù)測(cè)的結(jié)果。有的研究者在考慮上述因素后，所建立的壓縮沖刷預(yù)測(cè)模型對(duì)長(zhǎng)江下游河段歷年沖刷結(jié)果的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值相當(dāng)符合[5]。這說(shuō)明，沖刷模型的橋墩邊界條件對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有重要的影響。

涉水橋梁的基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題普遍存在，因而對(duì)受沖刷的橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行性能評(píng)估很有必要。地基條件、沖刷坑幾何形態(tài)和沖刷后土體應(yīng)力歷史等，都會(huì)對(duì)受沖刷樁的性能造成影響。一項(xiàng)基于壽命周期可靠性的受沖刷樁的性能評(píng)估研究[6]指出，考慮側(cè)向變形和沉降的系統(tǒng)失效概率大于單一破壞失效概率，樁基的側(cè)向變形失效概率和沉降失效概率在使用壽命中是不斷變化的(如圖3)，隨著使用年限的增加，主要的失效模式會(huì)從沉降破壞轉(zhuǎn)為側(cè)向變形破壞。這一研究結(jié)果可以指導(dǎo)不同服役階段的基礎(chǔ)沖刷防護(hù)工作，甚至提出隨時(shí)間變化的沖刷防護(hù)措施。

圖3 橋梁樁基抗沖垂向和側(cè)向穩(wěn)定可靠度分析[6]Fig.3 Reliability analysis of bridge pile foundation for vertical and lateral stability against scour [6]

1.3 沖刷防護(hù)

沖刷防護(hù)通?？煞譃橹鲃?dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)，主動(dòng)防護(hù)是通過(guò)變水流特性來(lái)減小沖刷，如護(hù)圈、環(huán)翼式橋墩、墩前犧牲樁等，被動(dòng)防護(hù)是增加床面抗沖刷能力來(lái)抵抗沖刷，如拋石、擴(kuò)大基礎(chǔ)防護(hù)等。

實(shí)際工程中可能會(huì)采取多種防護(hù)措施相結(jié)合的方案，如墩前犧牲樁和拋石防護(hù)相結(jié)合的綜合治理方案能有效地減少橋墩所受沖刷[7]。袋裝碎石上層壓載袋裝混凝土干混料和復(fù)合材料勾連體相結(jié)合的防護(hù)方案，不僅可以提高海床的抗沖刷能力，還能降低基礎(chǔ)附近水流流速和挾沙能力[8]，針對(duì)防護(hù)措施的失效風(fēng)險(xiǎn)分析，也讓防護(hù)效果得到了量化的比較。防護(hù)裝置的各參數(shù),如護(hù)圈位置、尺寸及防護(hù)范圍等會(huì)對(duì)沖刷產(chǎn)生較大影響。一般護(hù)圈應(yīng)采用整圈防護(hù)并埋入河床，安裝在一般沖刷面以下。有研究指出，護(hù)圈外徑為墩徑3倍時(shí)，可使沖刷深度減少一半以上[9]。

波浪作用下樁周的局部沖刷作用不同于普通水流沖刷。為了抵御這種沖刷，有研究人員研制了一種新型沖刷防護(hù)裝置，并在水槽單樁沖刷試驗(yàn)中探究了其防沖刷效果[10]。結(jié)果表明，該防護(hù)裝置的存在改變了最大沖刷深度的位置，但存在一個(gè)適中的防護(hù)筒高度，超過(guò)一定高度，防護(hù)效果將變差，因此，對(duì)于沖刷防護(hù)措施的研究在今后是一個(gè)值得重視的課題。沖刷研究的最終目的是提出沖刷防護(hù)措施，目前這方面研究的比較弱。

2 基礎(chǔ)波浪作用研究

2.1 波浪力計(jì)算

跨海橋梁可能面臨浪高水深等惡劣海況，不斷變化的波浪荷載遇到橋墩的阻擋后運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，形成新的波浪場(chǎng)，隨著入水深度的增加，結(jié)構(gòu)的頻率也越來(lái)越低，當(dāng)其與波浪的頻帶寬接近時(shí)，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的較大變形，威脅使用安全。因此，準(zhǔn)確估計(jì)橋梁基礎(chǔ)所受的波浪荷載對(duì)跨海橋梁的設(shè)計(jì)施工具有重要意義。

由于波浪自由液面隨時(shí)間忽高忽低來(lái)回變化，使得作用于結(jié)構(gòu)上的水平波浪合力(矩)也隨時(shí)間變化，尤其當(dāng)波高相對(duì)水深是較大的數(shù)值時(shí)，自由液面變化對(duì)結(jié)構(gòu)所受的波浪合力(矩)影響不可忽略。這方面的研究一般基于Morison方程、修正的Airy波浪理論和Stokes波浪理論得出考慮波浪自由液面影響下柱體波浪合力(矩)的計(jì)算公式(如圖4)[11]。這一公式反映了不同水深與波長(zhǎng)比、波高條件下波浪自由液面對(duì)柱體所受的水平波浪合力(矩)的影響。祝兵等[11]對(duì)比了基于修正的Airy波浪理論和Stokes波浪理論的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，探討了波浪非線性的影響。

圖4 小尺度柱體波浪力(矩)計(jì)算的坐標(biāo)系[11]Fig.4 Coordinate system for wave forces(moments) computation of small piles [11]

海洋中的波浪和水流往往共同存在，水流的存在會(huì)改變波浪原來(lái)的運(yùn)動(dòng)特性，影響樁體的受力。此外，沖刷的存在也會(huì)影響波流力[12]。沖刷坑的深度變化對(duì)樁基順橋向波浪力的影響有限，對(duì)橫橋向波流力影響較大。而考慮最大沖刷深度與沖刷坑平均流速的組合后，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好?？梢?jiàn)，對(duì)于受沖刷較嚴(yán)重的跨海橋梁，其波流力計(jì)算不能忽略沖刷的影響。

采用邊界元法也可計(jì)算基礎(chǔ)上的波浪力和力矩，研究者將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，通過(guò)將結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)考慮到慣性分量中，得到適當(dāng)?shù)膽T性系數(shù)，從而建立波浪力和力矩的簡(jiǎn)單估計(jì)方法[13]。

圖5 波浪多孔介質(zhì)海床單樁相互作用三維示意圖[14]Fig.5 3D sketch of wave-porous seabed-structure interaction[14]

2.2 波浪作用影響分析

跨海橋梁中，波浪常與水流共同作用，對(duì)橋墩基礎(chǔ)沖刷、結(jié)構(gòu)受力等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而研究這些影響機(jī)制和結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。劉茜茜等[15]通過(guò)波流水槽模型試驗(yàn)，研究了波浪作用下桶形基礎(chǔ)的沖刷坑形態(tài)與尺寸變化，分析了結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能。研究表明，桶形基礎(chǔ)周圍沖刷坑的尺寸主要受波高和結(jié)構(gòu)尺寸控制，桶形基礎(chǔ)的防沖刷特性取決于主桶頂蓋與水流的接觸范圍。這一研究為同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

波浪荷載作用下群樁基礎(chǔ)的承臺(tái)高度、樁數(shù)、樁徑等參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)受力性能都有影響，采用合適的設(shè)計(jì)方案尤為重要[16]。低承臺(tái)群樁基礎(chǔ)雖然有利于減小基礎(chǔ)的波浪荷載，但施工圍堰入水深度和承受的波浪荷載將急劇增大，會(huì)帶來(lái)巨大的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。采用高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)時(shí)，增大樁徑并適當(dāng)減少樁數(shù)的方式可以更有效地改善基礎(chǔ)在波浪荷載下的受力性能。

3 橋梁基礎(chǔ)的抗震研究

3.1 橋梁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)

在橋梁抗震研究方面，過(guò)去20多年結(jié)合大跨度橋梁和高速鐵路的建設(shè)，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了非常多的研究，具有豐富的成果。但對(duì)橋梁基礎(chǔ)的抗震研究則相對(duì)較少。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，多采用將基礎(chǔ)與地基用彈簧連接或更簡(jiǎn)單地假定基礎(chǔ)和地基直接固結(jié)。直接固結(jié)的假定除了對(duì)位于巖石地基上的基礎(chǔ)適合外，對(duì)其他地基條件來(lái)說(shuō)，顯然不符合實(shí)際行為，而采用彈簧連接需要確定半無(wú)限地基土的動(dòng)力阻抗。目前，基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)多數(shù)忽略了地基土和基礎(chǔ)動(dòng)力的相互作用(soil-structure interaction,簡(jiǎn)稱SSI)[17-19]。

3.2 抗震性能評(píng)估

基礎(chǔ)抗震性能的評(píng)估與結(jié)構(gòu)安全性直接相關(guān)。動(dòng)力分析一般給出地震作用下結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力和變形，但難以給出直觀的破壞分析結(jié)果。非線性靜力pushover分析被認(rèn)為是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的一種重要方法，有研究者提出將集中塑性鉸和分布塑性鉸與土體軟化彈性模量相結(jié)合的綜合方法來(lái)考慮靜力pushover分析中的非線性變形，對(duì)不同沖刷深度和不同土質(zhì)的多跨樁基橋梁進(jìn)行抗震評(píng)估[23]。研究表明，對(duì)于位于密砂中的基礎(chǔ)，在沖刷深度達(dá)到某一臨界值之前，橋梁的抗震性能指標(biāo)隨沖刷深度增加而有所增加，而對(duì)于位于松散砂中的基礎(chǔ)，橋梁的抗震性能指標(biāo)隨沖刷深度增加而降低，但地震荷載下基礎(chǔ)的橫向位移較大，可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，這一結(jié)論仍然有待更多的試驗(yàn)驗(yàn)證。不同土質(zhì)條件下基礎(chǔ)的沖刷對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響是今后值得研究的問(wèn)題。

4 基礎(chǔ)損傷分析研究

橋梁基礎(chǔ)所受荷載及所處環(huán)境條件的復(fù)雜性決定了它是橋梁結(jié)構(gòu)中最易產(chǎn)生損傷的部分。由于基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，基礎(chǔ)的損傷和病害不易發(fā)現(xiàn)。目前，關(guān)于橋梁損傷分析研究大多都集中于材料層次，然后將材料層次的損傷推廣到構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層次，直接對(duì)橋梁基礎(chǔ)的損傷分析研究不多。橋梁損傷分析多數(shù)針對(duì)梁或橋梁結(jié)構(gòu)。然而，有研究表明，基于變速行駛車輛激勵(lì)的橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷診斷方法可實(shí)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)損傷的準(zhǔn)確識(shí)別[25]，如支座損傷、橋墩損傷及基礎(chǔ)沖刷，但對(duì)基礎(chǔ)沖刷的損傷識(shí)別最為敏感。這一方法為橋梁基礎(chǔ)損傷的診斷和評(píng)估提供了一個(gè)簡(jiǎn)便快捷的方法，但這一方法只能給出宏觀的判斷，無(wú)法提供基礎(chǔ)病害和損傷的具體形態(tài)。

跨海大橋基礎(chǔ)長(zhǎng)期處在海水介質(zhì)中，受到的腐蝕、沖擊作用容易導(dǎo)致基礎(chǔ)損傷而影響結(jié)構(gòu)耐久性。近年來(lái)，跨海大橋基礎(chǔ)損傷的評(píng)估受到重視，一些研究者在評(píng)估跨海大橋基礎(chǔ)損傷狀況時(shí)，建立了基礎(chǔ)損傷分析模型和指標(biāo)體系，為損傷等級(jí)評(píng)定提供了分級(jí)依據(jù)?；诮Y(jié)構(gòu)耐久性、基礎(chǔ)沖刷、不均勻沉降及基礎(chǔ)船撞等提出安全預(yù)警指標(biāo)，并據(jù)此劃分預(yù)警等級(jí)、指標(biāo)權(quán)重[26](如圖6)，可以為跨海大橋運(yùn)營(yíng)期維養(yǎng)及安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。但是，對(duì)水中基礎(chǔ)的損傷機(jī)理和隨時(shí)間的演化過(guò)程仍然缺乏定量的、系統(tǒng)的研究，尤其是對(duì)于水下基礎(chǔ)材料的劣化機(jī)理和損傷的發(fā)展過(guò)程，還缺乏長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

圖6 跨海大橋主墩基礎(chǔ)安全預(yù)警評(píng)估模型[25]Fig.6 Early warning assessment model of main pier foundation safety of cross sea bridge [25]

5 地質(zhì)不良區(qū)域基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工

地質(zhì)不良區(qū)域基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工一直是橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難題。中國(guó)西南山區(qū)地質(zhì)條件惡劣，但由于交通建設(shè)規(guī)劃的要求，部分橋梁不得不經(jīng)過(guò)巖溶、陡坡等地質(zhì)條件不良地段。解決這些地段橋梁基礎(chǔ)的施工設(shè)計(jì)問(wèn)題成為近年來(lái)橋梁基礎(chǔ)工程面臨的艱巨挑戰(zhàn)之一。

巖溶地段基礎(chǔ)施工技術(shù)研究在近年來(lái)有較快的進(jìn)展。巖溶地段樁基施工，成孔過(guò)程中易出現(xiàn)漏漿、塌孔、卡鉆等事故，風(fēng)險(xiǎn)較大，中國(guó)技術(shù)人員提出了許多關(guān)于巖溶處理方面的創(chuàng)新技術(shù)[27-30]。支承嵌巖樁的設(shè)計(jì)核心是確定樁基持力層及嵌巖深度，嵌巖深度在滿足樁基承載力的前提下宜淺不宜深，而摩擦樁的關(guān)鍵是合理選取樁側(cè)土的極限摩阻力。巖溶頂板穩(wěn)定性、覆蓋層巖溶臨空面的穩(wěn)定性等是巖溶地區(qū)樁基穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)目前樁端巖溶頂板穩(wěn)定性分析平面假設(shè)的不完善，張永杰等[31]考慮溶洞空間形態(tài)特征進(jìn)行巖溶樁基穩(wěn)定性分析，將樁端巖溶頂板分別簡(jiǎn)化為固支梁、拋物線拱、圓拱、固支雙向板或殼體模型，給出不同模型下溶洞頂板最小安全厚度的計(jì)算方法，這一研究可以用于分析不同空間形態(tài)溶洞頂板的破壞模式及其影響規(guī)律。

陡坡地區(qū)樁基承載力一直是橋梁基礎(chǔ)的長(zhǎng)期研究課題，近幾年來(lái)也有較快的進(jìn)展。對(duì)于坡度、臨坡距等影響，有研究顯示[32]，同一臨坡距時(shí)，樁基承載力與坡度負(fù)相關(guān)，隨坡度增加，承載力最大降幅達(dá)30%；同一坡度時(shí)，樁基承載力與臨坡距正相關(guān)，且在坡度較大時(shí)，這種影響更加顯著。為充分保證安全，有必要在陡坡樁基附近設(shè)置穩(wěn)定樁[33]。研究表明，樁前穩(wěn)定樁只有設(shè)在樁基附近時(shí)才能有效發(fā)揮作用；樁后穩(wěn)定樁可以顯著減小土體運(yùn)動(dòng)對(duì)樁基的作用力，其最佳位置取決于界面抗剪強(qiáng)度。這些研究為陡坡地區(qū)橋梁基礎(chǔ)的安全設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)。

6 既有橋梁基礎(chǔ)的再利用

橋梁的老化、荷載等級(jí)的提高、以及交通線路的改建或擴(kuò)建使既有線路上的橋梁基礎(chǔ)面臨著兩個(gè)選擇：利用或改建。由于橋梁基礎(chǔ)的施工工期長(zhǎng)、施工費(fèi)用高，新建橋梁基礎(chǔ)不僅投資大，而且還必須長(zhǎng)時(shí)間中斷交通，對(duì)橋梁周邊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響較大。但是，如果既有基礎(chǔ)能有效利用，不僅可以節(jié)約大量投資，還能加快上部結(jié)構(gòu)的施工速度，降低施工對(duì)環(huán)境的影響。有鑒于此，美國(guó)和歐洲一些國(guó)家近年來(lái)開(kāi)始重視基礎(chǔ)的再利用[34-35]。美國(guó)國(guó)家工程院2017年發(fā)表的一份關(guān)于舊橋基礎(chǔ)再利用的報(bào)告表明[35]，在美國(guó)的614 387座橋梁中，56 007座橋梁處于較差的工作狀態(tài)，占總數(shù)的9%，這其中有15%的舊橋急需維修或加固。歐洲于2003年開(kāi)始啟動(dòng)了一項(xiàng)研究計(jì)劃——RuFUS，研究建筑物基礎(chǔ)再利用的可行性，并發(fā)表了建筑物基礎(chǔ)的再利用指南[36]。中國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)展的舊橋承載力評(píng)估科研工作中包括了既有下部結(jié)構(gòu)的加固和再利用，但對(duì)基礎(chǔ)的再利用研究并沒(méi)有形成一個(gè)獨(dú)立的科研領(lǐng)域。

橋梁基礎(chǔ)的再利用面臨的問(wèn)題包括：對(duì)當(dāng)前既有基礎(chǔ)狀況的探測(cè)和評(píng)估；基礎(chǔ)承載力的確定；基礎(chǔ)剩余壽命的確定；根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)既有基礎(chǔ)的適用性評(píng)估。既有基礎(chǔ)再利用首先面臨的問(wèn)題是很多基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺失，例如基礎(chǔ)的類型、尺寸、深度等數(shù)據(jù)，由于無(wú)法找到當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)圖紙而無(wú)法確定，因此，需要采用有效的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。目前，無(wú)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究方向[37-38]，聲波透射法、平行地震法和感應(yīng)場(chǎng)法(Induction field method)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在基礎(chǔ)深度檢測(cè)方面得到廣泛的應(yīng)用，但單一無(wú)損檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性仍然難以保證，對(duì)于這些檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性仍然在不斷的研究之中。采用地球物理方法和電化學(xué)方法對(duì)基礎(chǔ)特征和狀況進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)是基礎(chǔ)再利用方面的研究重點(diǎn)。目前，其他國(guó)家研究較多，中國(guó)研究較少。既有基礎(chǔ)承載力的評(píng)估和基礎(chǔ)的剩余使用壽命是目前研究的難點(diǎn)。目前，歐美等國(guó)也正在開(kāi)展研究，但進(jìn)展并不大[37]。中國(guó)對(duì)于新建橋梁基礎(chǔ)研究較多，但對(duì)于既有基礎(chǔ)承載力的研究相對(duì)較少。由于既有基礎(chǔ)承載力的評(píng)估涉及到多個(gè)領(lǐng)域，研究難度很大。但如果中國(guó)盡早開(kāi)展這方面的研究，有可能在基礎(chǔ)再利用技術(shù)方面走在西方國(guó)家前面。

7 結(jié)論

1)復(fù)雜橋梁基礎(chǔ)水流沖刷動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究和三維數(shù)值模擬。對(duì)于不同幾何形狀基礎(chǔ)的水流沖刷機(jī)理需要通過(guò)試驗(yàn)給予詳細(xì)的解釋并量化表達(dá)。三維數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性需要通過(guò)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

3)橋梁基礎(chǔ)失效機(jī)理的試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真。在試驗(yàn)室模擬橋梁基礎(chǔ)的失效過(guò)程以及失效后橋梁的倒塌機(jī)理是未來(lái)一個(gè)重要的研究方向，地震作用下基礎(chǔ)的失效過(guò)程和橋梁倒塌機(jī)制是其中的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。

4)地震區(qū)已損橋梁基礎(chǔ)的剩余壽命預(yù)測(cè)、承載力評(píng)估和再利用技術(shù)。首先,需要中國(guó)交通部門(mén)對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的舊橋基礎(chǔ)狀況和技術(shù)檔案進(jìn)行調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結(jié)果制定系統(tǒng)的再利用方案和技術(shù)指南。地球物理技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)在評(píng)估基礎(chǔ)狀況和基礎(chǔ)承載力方面的應(yīng)用是本方向的重點(diǎn)和難點(diǎn)。