武守信 何亞?wèn)| 江昕宇

摘 要：橋梁基礎(chǔ)是將上部結(jié)構(gòu)荷載傳給地基持力層的結(jié)構(gòu)，是關(guān)系到整座橋梁結(jié)構(gòu)安全的最基本結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)工程領(lǐng)域的每一步進(jìn)展對(duì)大跨度橋梁的發(fā)展都起著奠基性的作用。近年來(lái)，隨著中國(guó)各種跨海、跨江、跨復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域大跨度橋梁的建設(shè)，在橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的研究成果。通過(guò)對(duì)近年文獻(xiàn)的調(diào)研，針對(duì)橋梁基礎(chǔ)沖刷、波浪作用、地震作用、基礎(chǔ)損傷評(píng)估、地質(zhì)不良區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工以及既有基礎(chǔ)的再利用等幾個(gè)研究方向，綜述了近年來(lái)的研究進(jìn)展，分析和評(píng)述了已有的研究成果以及目前存在的問(wèn)題，并指出基礎(chǔ)工程領(lǐng)域研究中需要重視的研究方向和亟待開(kāi)展的研究課題，對(duì)基礎(chǔ)工程未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：橋梁基礎(chǔ);基礎(chǔ)沖刷;波浪作用;地震作用;損傷評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R ? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）05-0159-09

收稿日期：2020-04-07

基金項(xiàng)目：中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司重大科技項(xiàng)目（KY2019-JT-22）

作者簡(jiǎn)介：武守信（1966- ），男，博士，主要從事土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、巖土材料本構(gòu)關(guān)系、橋梁基礎(chǔ)抗震，E-mail：swu@home.swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-07

Foundation item：Major Research Project of Huadong Engineering Corporation Limited of Power China （No. KY2019-JT-22）

Author brief：Wu Shouxin （1966- ）， PhD， main research interests： dynamic soil-structure interaction， constitutive modeling of geotechnical materials， seismic analysis of bridge foundations， E-mail： swu@home.swjtu.edu.cn.

Abstract：

The function of the bridge foundation is to transfer traffic loads to the ground. Thus， the safety of the bridge foundation is essential to the safety of the entire bridge structure. The advances of research and development of bridge foundation engineering are crucial for the development of long-span bridges. In recent years， with the development of long-span bridges crossing wide rivers， deep seas， and poor geological regions， there have been some great progresses in the research on the issues related to the design and construction of bridge foundations in China. In this paper， the research progress and findings in such areas as the foundation scour， the sea wave actions， seismic actions， bridge damage assessment， the design and construction of bridge foundations in the region of poor geological conditions， and the reuse of existing bridge foundations are reviewed and commented. Some major findings in these areas are analyzed and discussed. In the conclusions， the future research trends and some important research issues on bridge foundations， which need to be cared by the bridge engineering community， are identified， to provide researchers and engineers with the up-to-date information on the research ideas that further promote the advancement of the bridge foundation engineering.

Keywords：bridge foundation; foundation scour; wave action; seismic action; damage assessment

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?？煞譃樽匀谎葑儧_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?chē)鷰ё卟⑿纬蓻_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?chē)鲌?chǎng)等對(duì)沖刷過(guò)程的影響展開(kāi)研究。

基礎(chǔ)周?chē)牧鲌?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?chē)木植繘_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。

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。

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(xiàn)性的影響。

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]。

海床介質(zhì)、結(jié)構(gòu)物埋深等都會(huì)對(duì)海工結(jié)構(gòu)物所受波浪力產(chǎn)生影響。研究表明，基于修正的RANS方程，采用非線(xiàn)性Forchheimer方程可描述多孔介質(zhì)海床內(nèi)部孔隙流動(dòng)。通過(guò)建立的波浪多孔介質(zhì)海床結(jié)構(gòu)物相互作用耦合模型（如圖5），可以模擬多孔介質(zhì)海床對(duì)波面的衰減作用以及多孔介質(zhì)海床特性條件下結(jié)構(gòu)物所受波浪力。設(shè)計(jì)施工中不可忽略多孔介質(zhì)海床特性的影響，且波浪參數(shù)應(yīng)結(jié)合實(shí)際合理選取[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?chē)鷽_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(lèi)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(chēng)SSI）[17-19]。

土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)題的研究方法分為原型測(cè)試法、理論分析法以及模型試驗(yàn)法[17]。通過(guò)采用不同的基礎(chǔ)模型（旋轉(zhuǎn)彈簧模型和分布彈簧模型）、不同粘性阻尼模型對(duì)擴(kuò)展基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的模擬試驗(yàn)表明，對(duì)于剛度較小的地基，土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)基礎(chǔ)的地震響應(yīng)不可忽略[17-18]。對(duì)于大跨度的斜拉橋和懸索橋，已有的數(shù)值模擬表明，如果考慮土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用，則結(jié)構(gòu)的自振頻率降低，結(jié)構(gòu)整體剛度下降。但由于大跨度橋梁的基礎(chǔ)一般為樁基礎(chǔ)，土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不大。一些計(jì)算表明，不考慮土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能偏于不安全，但有時(shí)也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守[19]。這方面的理論分析結(jié)果有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

Dong等[20]使用人工質(zhì)量模型和大尺寸振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)測(cè)試了在0.15g～0.60g地震烈度范圍內(nèi)嵌巖樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)，并研究了慣性土樁相互作用機(jī)制。試驗(yàn)研究表明，樁底輸入地震波以后，從樁底部到頂部，地震峰值加速度是增加的，說(shuō)明樁土相互作用增加了地震加速度，但這一結(jié)論仍然需要更多的試驗(yàn)驗(yàn)證。劉苗等[21]基于OpenSees平臺(tái)建立了考慮群樁基礎(chǔ)影響的自復(fù)位高墩地震反應(yīng)分析模型，研究結(jié)果表明，橋梁樁基應(yīng)將樁嵌入一定深度的穩(wěn)定基巖中才能發(fā)揮抗震效果，這一結(jié)論似乎表明，基礎(chǔ)和地基之間的剛性連接有利于基礎(chǔ)的抗震，但仍然需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值分析。已有文獻(xiàn)表明，土基礎(chǔ)動(dòng)力相互作用對(duì)橋梁的抗震并不總是偏于不利，因?yàn)橥辆哂幸欢ǖ暮哪軝C(jī)制，在地震作用下可以消耗一部分能量，這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利[22]。需要指出的是，采用彈簧模型模擬土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用實(shí)際上是簡(jiǎn)化子結(jié)構(gòu)法，這種方法建模直觀簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高，是很受歡迎的一種方法。其中，主要的問(wèn)題是彈簧的動(dòng)力剛度不易確定，因?yàn)閯?dòng)力剛度是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率函數(shù)，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率在計(jì)算之前未知。因此，基于彈簧模型的土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的分析在理論上只能給出線(xiàn)性分析結(jié)果。對(duì)于非線(xiàn)性的土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用是將來(lái)值得重點(diǎn)研究的課題[17，19，22]。

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(xiàn)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(xiàn)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。

已有的一些研究表明，結(jié)構(gòu)本身特性及地基土特性都會(huì)對(duì)抗震性能產(chǎn)生影響，有的研究者將14個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和土體參數(shù)的敏感性排序，用于液化地基中受沖刷的群樁基礎(chǔ)抗震性能評(píng)估[24]。結(jié)果表明，沖刷深度的增加會(huì)降低墩柱相關(guān)參數(shù)和土體相關(guān)參數(shù)的相對(duì)敏感性。此外，采用較大的樁徑、柱高、縱橫向配筋率和鋼筋混凝土材料強(qiáng)度，適當(dāng)減小墩柱直徑和樁中心距，能減輕沖刷和液化對(duì)樁基橋梁抗震性能的影響。但仍然缺乏定量的試驗(yàn)研究，尤其是基礎(chǔ)附近的沖刷深度對(duì)地震作用下土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的影響尚不明確。

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(chē)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)。

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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)路的改建或擴(kuò)建使既有線(xiàn)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(lèi)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

針對(duì)近年來(lái)橋梁基礎(chǔ)工程研究的若干新進(jìn)展進(jìn)行了扼要的述評(píng)，隨著中國(guó)高速鐵路和公路交通的快速發(fā)展，橋梁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域新的研究成果也越來(lái)越多。近年來(lái)的研究進(jìn)展表明，進(jìn)行不同條件下的基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)?zāi)M，進(jìn)一步揭示沖刷機(jī)理及沖刷預(yù)測(cè)仍然是橋梁基礎(chǔ)沖刷的研究重點(diǎn);波浪與多因素耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為應(yīng)結(jié)合跨海大橋的建設(shè)持續(xù)研究。各種不同類(lèi)型橋梁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)試驗(yàn)研究是未來(lái)需要重視的方向。在試驗(yàn)研究中應(yīng)重點(diǎn)量化土基礎(chǔ)動(dòng)力相互作用對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。結(jié)合川藏鐵路的建設(shè)和西部地區(qū)交通發(fā)展戰(zhàn)略，未來(lái)橋梁基礎(chǔ)研究應(yīng)重視以下幾個(gè)方面：

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。

2）地震作用下土基礎(chǔ)橋梁動(dòng)力相互作用的試驗(yàn)研究應(yīng)針對(duì)典型橋梁基礎(chǔ)，通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)土的動(dòng)力阻抗函數(shù)的理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。并通過(guò)試驗(yàn)明確土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性的影響。

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)。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡玲）