橋梁基礎工程2019年度研究進展

武守信 何亞東 江昕宇

摘 要：橋梁基礎是將上部結構荷載傳給地基持力層的結構，是關系到整座橋梁結構安全的最基本結構?；A工程領域的每一步進展對大跨度橋梁的發(fā)展都起著奠基性的作用。近年來，隨著中國各種跨海、跨江、跨復雜地質區(qū)域大跨度橋梁的建設，在橋梁基礎工程領域出現(xiàn)了許多新的研究成果。通過對近年文獻的調(diào)研，針對橋梁基礎沖刷、波浪作用、地震作用、基礎損傷評估、地質不良區(qū)域基礎設計與施工以及既有基礎的再利用等幾個研究方向，綜述了近年來的研究進展，分析和評述了已有的研究成果以及目前存在的問題，并指出基礎工程領域研究中需要重視的研究方向和亟待開展的研究課題，對基礎工程未來的研究趨勢進行了展望。

關鍵詞：橋梁基礎;基礎沖刷;波浪作用;地震作用;損傷評估

中圖分類號：U443.1 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0159-09

收稿日期：2020-04-07

基金項目：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司重大科技項目（KY2019-JT-22）

作者簡介：武守信（1966- ），男，博士，主要從事土結構動力相互作用、巖土材料本構關系、橋梁基礎抗震，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

橋梁基礎是將上部結構承受的荷載傳遞到地基持力層的結構。橋梁基礎位于整座橋梁結構的最底部，一般埋置于地表以下或深水中。由于橋梁結構的所有荷載都最終傳給基礎，基礎就成為控制橋梁結構安全的最基本結構。橋梁基礎工程是應用地質學、土力學、結構力學的知識進行橋梁基礎設計和施工的一門學科。橋梁基礎工程包括了基礎的結構設計和地基參數(shù)的確定，例如，地基土的承載力和基礎的沉降估計。前者屬于結構工程師的任務，后者是巖土工程師的任務。然而，基礎的設計和維護涉及到土力學、巖石力學、水力學以及結構力學之間的交叉領域，其中大部分屬于巖土工程領域。橋梁基礎不同于其他建筑物基礎，其特點是：1）承受動荷載;2）很多基礎位于河流甚至深水激流之中;3）體型較大。由此帶來的設計和施工問題構成了橋梁基礎工程領域獨特的研究課題。筆者針對橋梁基礎工程特有的突出問題進行綜述。橋梁基礎工程領域的每一進展都對大跨度橋梁的建設和安全運營起著奠基性的作用，尤其在面臨各種跨海、跨江、跨地質不良區(qū)域的橋梁建設中，基礎工程的研究尤為重要。以近年來中國橋梁基礎工程領域的科研成果為依據(jù)，總結和評述近年來在橋梁基礎沖刷、波浪作用、地震作用、基礎損傷評估以及地質不良區(qū)域基礎設計與施工方面的研究進展，并對未來的研究趨勢進行展望，以期促進橋梁基礎工程領域科學研究的不斷發(fā)展。鑒于其他國家雖然新建橋梁較少，但在橋梁基礎工程領域仍有若干值得重視的研究方向，也進行評述。

1 基礎沖刷研究

橋梁基礎的沖刷問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，隨著時間的推移，自然發(fā)育而導致河床降低的沖刷;一般沖刷是指由于墩柱的存在縮小了過水斷面，水流將河底和兩側泥沙沖走的沖刷;局部沖刷是指水流受基礎的阻攔作用在基礎附近產(chǎn)生漩渦，將泥沙從基礎周圍帶走并形成沖刷坑的過程。此外，基于沖刷坑是否能得到上游來沙的填補，局部沖刷又分為清水沖刷和動床沖刷。

1.1 沖刷機理

橋梁基礎的沖刷機理十分復雜，并與諸多因素密切相關，研究者大多以水力條件、沉積物條件、基礎形式及空間布置、基礎周圍流場等對沖刷過程的影響展開研究。

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

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

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

1.2 沖刷預測與評估

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

事實上，橋梁基礎沖刷直接對結構支承邊界條件產(chǎn)生影響，可改變上部結構的動力特性。因此，通過跟蹤結構動力特性來反演基礎沖刷狀態(tài)具有理論上的可行性。研究人員已經(jīng)提出一種基于實測模態(tài)與模型更新的沖刷動力識別方法，可以快速評估運營階段橋梁基礎沖刷的狀態(tài)。值得提到的一種方法是，通過調(diào)整數(shù)值模型中的樁側等效彈簧剛度，使數(shù)值分析得到的沖刷非敏感模態(tài)的自振頻率和實測自振頻率一致（如圖1），可以得到基礎的實際邊界條件[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際值一致（如圖2），便可完成對沖刷深度的預測。這一方法在杭州灣大橋橋塔沖刷檢測中得到了良好應用，可解決長期以來需要水下作業(yè)才能完成沖刷檢測的技術難題。這一數(shù)值方法在基礎沖刷預測方面的廣泛應用是樂觀的。

目前，對沖刷預測的研究多集中在局部沖刷，對壓縮沖刷（一般沖刷）的研究較少。但有時實際壓縮沖刷不可忽略，如三峽水庫蓄水后，下泄沙量急劇減小，加劇了長江下游河床沖刷，此時橋墩壓縮沖刷預測成為關鍵技術問題之一。在建立橋墩壓縮沖刷預測模型時，對不同尺度模型、橋墩邊界的選取應不同，水沙過程的確定也直接影響沖刷預測的結果。有的研究者在考慮上述因素后，所建立的壓縮沖刷預測模型對長江下游河段歷年沖刷結果的預測值和實際值相當符合[5]。這說明，沖刷模型的橋墩邊界條件對預測結果有重要的影響。

涉水橋梁的基礎沖刷問題普遍存在，因而對受沖刷的橋墩和基礎進行性能評估很有必要。地基條件、沖刷坑幾何形態(tài)和沖刷后土體應力歷史等，都會對受沖刷樁的性能造成影響。一項基于壽命周期可靠性的受沖刷樁的性能評估研究[6]指出，考慮側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，主要的失效模式會從沉降破壞轉為側向變形破壞。這一研究結果可以指導不同服役階段的基礎沖刷防護工作，甚至提出隨時間變化的沖刷防護措施。

1.3 沖刷防護

沖刷防護通?？煞譃橹鲃臃雷o和被動防護，主動防護是通過變水流特性來減小沖刷，如護圈、環(huán)翼式橋墩、墩前犧牲樁等，被動防護是增加床面抗沖刷能力來抵抗沖刷，如拋石、擴大基礎防護等。

實際工程中可能會采取多種防護措施相結合的方案，如墩前犧牲樁和拋石防護相結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合材料勾連體相結合的防護方案，不僅可以提高海床的抗沖刷能力，還能降低基礎附近水流流速和挾沙能力[8]，針對防護措施的失效風險分析，也讓防護效果得到了量化的比較。防護裝置的各參數(shù)，如護圈位置、尺寸及防護范圍等會對沖刷產(chǎn)生較大影響。一般護圈應采用整圈防護并埋入河床，安裝在一般沖刷面以下。有研究指出，護圈外徑為墩徑3倍時，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裝置，并在水槽單樁沖刷試驗中探究了其防沖刷效果[10]。結果表明，該防護裝置的存在改變了最大沖刷深度的位置，但存在一個適中的防護筒高度，超過一定高度，防護效果將變差，因此，對于沖刷防護措施的研究在今后是一個值得重視的課題。沖刷研究的最終目的是提出沖刷防護措施，目前這方面研究的比較弱。

2 基礎波浪作用研究

2.1 波浪力計算

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動會發(fā)生改變，形成新的波浪場，隨著入水深度的增加，結構的頻率也越來越低，當其與波浪的頻帶寬接近時，可能會引起結構的較大變形，威脅使用安全。因此，準確估計橋梁基礎所受的波浪荷載對跨海橋梁的設計施工具有重要意義。

由于波浪自由液面隨時間忽高忽低來回變化，使得作用于結構上的水平波浪合力（矩）也隨時間變化，尤其當波高相對水深是較大的數(shù)值時，自由液面變化對結構所受的波浪合力（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）的計算公式（如圖4）[11]。這一公式反映了不同水深與波長比、波高條件下波浪自由液面對柱體所受的水平波浪合力（矩）的影響。祝兵等[11]對比了基于修正的Airy波浪理論和Stokes波浪理論的數(shù)值計算結果，探討了波浪非線性的影響。

海洋中的波浪和水流往往共同存在，水流的存在會改變波浪原來的運動特性，影響樁體的受力。此外，沖刷的存在也會影響波流力[12]。沖刷坑的深度變化對樁基順橋向波浪力的影響有限，對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，計算值與試驗值吻合較好?？梢?，對于受沖刷較嚴重的跨海橋梁，其波流力計算不能忽略沖刷的影響。

采用邊界元法也可計算基礎上的波浪力和力矩，研究者將數(shù)值結果與實驗結果進行比較，通過將結構產(chǎn)生的衍射效應考慮到慣性分量中，得到適當?shù)膽T性系數(shù)，從而建立波浪力和力矩的簡單估計方法[13]。

海床介質、結構物埋深等都會對海工結構物所受波浪力產(chǎn)生影響。研究表明，基于修正的RANS方程，采用非線性Forchheimer方程可描述多孔介質海床內(nèi)部孔隙流動。通過建立的波浪多孔介質海床結構物相互作用耦合模型（如圖5），可以模擬多孔介質海床對波面的衰減作用以及多孔介質海床特性條件下結構物所受波浪力。設計施工中不可忽略多孔介質海床特性的影響，且波浪參數(shù)應結合實際合理選取[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，對橋墩基礎沖刷、結構受力等產(chǎn)生嚴重影響，因而研究這些影響機制和結果對結構設計具有重要意義。劉茜茜等[15]通過波流水槽模型試驗，研究了波浪作用下桶形基礎的沖刷坑形態(tài)與尺寸變化，分析了結構的抗沖刷性能。研究表明，桶形基礎周圍沖刷坑的尺寸主要受波高和結構尺寸控制，桶形基礎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構設計優(yōu)化提供了依據(jù)。

波浪荷載作用下群樁基礎的承臺高度、樁數(shù)、樁徑等參數(shù)對基礎受力性能都有影響，采用合適的設計方案尤為重要[16]。低承臺群樁基礎雖然有利于減小基礎的波浪荷載，但施工圍堰入水深度和承受的波浪荷載將急劇增大，會帶來巨大的施工難度和風險。采用高承臺群樁基礎時，增大樁徑并適當減少樁數(shù)的方式可以更有效地改善基礎在波浪荷載下的受力性能。

3 橋梁基礎的抗震研究

3.1 橋梁基礎的地震響應

在橋梁抗震研究方面，過去20多年結合大跨度橋梁和高速鐵路的建設，對于上部結構的地震響應進行了非常多的研究，具有豐富的成果。但對橋梁基礎的抗震研究則相對較少。在橋梁抗震設計中，多采用將基礎與地基用彈簧連接或更簡單地假定基礎和地基直接固結。直接固結的假定除了對位于巖石地基上的基礎適合外，對其他地基條件來說，顯然不符合實際行為，而采用彈簧連接需要確定半無限地基土的動力阻抗。目前，基礎的抗震設計多數(shù)忽略了地基土和基礎動力的相互作用（soil-structure interaction，簡稱SSI）[17-19]。

土結構動力相互作用問題的研究方法分為原型測試法、理論分析法以及模型試驗法[17]。通過采用不同的基礎模型（旋轉彈簧模型和分布彈簧模型）、不同粘性阻尼模型對擴展基礎動力響應的模擬試驗表明，對于剛度較小的地基，土結構動力相互作用對基礎的地震響應不可忽略[17-18]。對于大跨度的斜拉橋和懸索橋，已有的數(shù)值模擬表明，如果考慮土結構動力相互作用，則結構的自振頻率降低，結構整體剛度下降。但由于大跨度橋梁的基礎一般為樁基礎，土結構動力相互作用對結構地震響應的影響并不大。一些計算表明，不考慮土結構動力相互作用，結構設計可能偏于不安全，但有時也可能導致結構設計過于保守[19]。這方面的理論分析結果有待試驗驗證。

Dong等[20]使用人工質量模型和大尺寸振動臺模型試驗測試了在0.15g～0.60g地震烈度范圍內(nèi)嵌巖樁基礎的動力響應，并研究了慣性土樁相互作用機制。試驗研究表明，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，說明樁土相互作用增加了地震加速度，但這一結論仍然需要更多的試驗驗證。劉苗等[21]基于OpenSees平臺建立了考慮群樁基礎影響的自復位高墩地震反應分析模型，研究結果表明，橋梁樁基應將樁嵌入一定深度的穩(wěn)定基巖中才能發(fā)揮抗震效果，這一結論似乎表明，基礎和地基之間的剛性連接有利于基礎的抗震，但仍然需要進一步的試驗驗證、數(shù)值分析。已有文獻表明，土基礎動力相互作用對橋梁的抗震并不總是偏于不利，因為土具有一定的耗能機制，在地震作用下可以消耗一部分能量，這對結構抗震有利[22]。需要指出的是，采用彈簧模型模擬土結構動力相互作用實際上是簡化子結構法，這種方法建模直觀簡單、計算效率高，是很受歡迎的一種方法。其中，主要的問題是彈簧的動力剛度不易確定，因為動力剛度是結構的振動頻率函數(shù)，而結構振動頻率在計算之前未知。因此，基于彈簧模型的土結構動力相互作用的分析在理論上只能給出線性分析結果。對于非線性的土結構動力相互作用是將來值得重點研究的課題[17，19，22]。

3.2 抗震性能評估

基礎抗震性能的評估與結構安全性直接相關。動力分析一般給出地震作用下結構的最大內(nèi)力和變形，但難以給出直觀的破壞分析結果。非線性靜力pushover分析被認為是評估結構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合的綜合方法來考慮靜力pushover分析中的非線性變形，對不同沖刷深度和不同土質的多跨樁基橋梁進行抗震評估[23]。研究表明，對于位于密砂中的基礎，在沖刷深度達到某一臨界值之前，橋梁的抗震性能指標隨沖刷深度增加而有所增加，而對于位于松散砂中的基礎，橋梁的抗震性能指標隨沖刷深度增加而降低，但地震荷載下基礎的橫向位移較大，可能會出現(xiàn)失穩(wěn)問題，這一結論仍然有待更多的試驗驗證。不同土質條件下基礎的沖刷對結構抗震性能的影響是今后值得研究的問題。

已有的一些研究表明，結構本身特性及地基土特性都會對抗震性能產(chǎn)生影響，有的研究者將14個結構參數(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抗震性能評估[24]。結果表明，沖刷深度的增加會降低墩柱相關參數(shù)和土體相關參數(shù)的相對敏感性。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度，適當減小墩柱直徑和樁中心距，能減輕沖刷和液化對樁基橋梁抗震性能的影響。但仍然缺乏定量的試驗研究，尤其是基礎附近的沖刷深度對地震作用下土結構動力相互作用的影響尚不明確。

4 基礎損傷分析研究

橋梁基礎所受荷載及所處環(huán)境條件的復雜性決定了它是橋梁結構中最易產(chǎn)生損傷的部分。由于基礎屬于隱蔽工程，基礎的損傷和病害不易發(fā)現(xiàn)。目前，關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件和結構層次，直接對橋梁基礎的損傷分析研究不多。橋梁損傷分析多數(shù)針對梁或橋梁結構。然而，有研究表明，基于變速行駛車輛激勵的橋梁下部結構損傷診斷方法可實現(xiàn)下部結構損傷的準確識別[25]，如支座損傷、橋墩損傷及基礎沖刷，但對基礎沖刷的損傷識別最為敏感。這一方法為橋梁基礎損傷的診斷和評估提供了一個簡便快捷的方法，但這一方法只能給出宏觀的判斷，無法提供基礎病害和損傷的具體形態(tài)。

跨海大橋基礎長期處在海水介質中，受到的腐蝕、沖擊作用容易導致基礎損傷而影響結構耐久性。近年來，跨海大橋基礎損傷的評估受到重視，一些研究者在評估跨海大橋基礎損傷狀況時，建立了基礎損傷分析模型和指標體系，為損傷等級評定提供了分級依據(jù)?；诮Y構耐久性、基礎沖刷、不均勻沉降及基礎船撞等提出安全預警指標，并據(jù)此劃分預警等級、指標權重[26]（如圖6），可以為跨海大橋運營期維養(yǎng)及安全監(jiān)測提供技術支持。但是，對水中基礎的損傷機理和隨時間的演化過程仍然缺乏定量的、系統(tǒng)的研究，尤其是對于水下基礎材料的劣化機理和損傷的發(fā)展過程，還缺乏長期的、系統(tǒng)的監(jiān)測。

5 地質不良區(qū)域基礎的設計和施工

地質不良區(qū)域基礎的設計和施工一直是橋梁基礎設計的難題。中國西南山區(qū)地質條件惡劣，但由于交通建設規(guī)劃的要求，部分橋梁不得不經(jīng)過巖溶、陡坡等地質條件不良地段。解決這些地段橋梁基礎的施工設計問題成為近年來橋梁基礎工程面臨的艱巨挑戰(zhàn)之一。

巖溶地段基礎施工技術研究在近年來有較快的進展。巖溶地段樁基施工，成孔過程中易出現(xiàn)漏漿、塌孔、卡鉆等事故，風險較大，中國技術人員提出了許多關于巖溶處理方面的創(chuàng)新技術[27-30]。支承嵌巖樁的設計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，而摩擦樁的關鍵是合理選取樁側土的極限摩阻力。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)定性研究的關鍵問題。針對目前樁端巖溶頂板穩(wěn)定性分析平面假設的不完善，張永杰等[31]考慮溶洞空間形態(tài)特征進行巖溶樁基穩(wěn)定性分析，將樁端巖溶頂板分別簡化為固支梁、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的長期研究課題，近幾年來也有較快的進展。對于坡度、臨坡距等影響，有研究顯示[32]，同一臨坡距時，樁基承載力與坡度負相關，隨坡度增加，承載力最大降幅達30%;同一坡度時，樁基承載力與臨坡距正相關，且在坡度較大時，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置穩(wěn)定樁[33]。研究表明，樁前穩(wěn)定樁只有設在樁基附近時才能有效發(fā)揮作用;樁后穩(wěn)定樁可以顯著減小土體運動對樁基的作用力，其最佳位置取決于界面抗剪強度。這些研究為陡坡地區(qū)橋梁基礎的安全設計提供了新的理論依據(jù)。

6 既有橋梁基礎的再利用

橋梁的老化、荷載等級的提高、以及交通線路的改建或擴建使既有線路上的橋梁基礎面臨著兩個選擇：利用或改建。由于橋梁基礎的施工工期長、施工費用高，新建橋梁基礎不僅投資大，而且還必須長時間中斷交通，對橋梁周邊的社會經(jīng)濟和環(huán)境影響較大。但是，如果既有基礎能有效利用，不僅可以節(jié)約大量投資，還能加快上部結構的施工速度，降低施工對環(huán)境的影響。有鑒于此，美國和歐洲一些國家近年來開始重視基礎的再利用[34-35]。美國國家工程院2017年發(fā)表的一份關于舊橋基礎再利用的報告表明[35]，在美國的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年開始啟動了一項研究計劃——RuFUS，研究建筑物基礎再利用的可行性，并發(fā)表了建筑物基礎的再利用指南[36]。中國在20世紀60年代開展的舊橋承載力評估科研工作中包括了既有下部結構的加固和再利用，但對基礎的再利用研究并沒有形成一個獨立的科研領域。

橋梁基礎的再利用面臨的問題包括：對當前既有基礎狀況的探測和評估;基礎承載力的確定;基礎剩余壽命的確定;根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對既有基礎的適用性評估。既有基礎再利用首先面臨的問題是很多基礎的設計數(shù)據(jù)缺失，例如基礎的類型、尺寸、深度等數(shù)據(jù)，由于無法找到當時的設計圖紙而無法確定，因此，需要采用有效的探測技術進行現(xiàn)場測量。目前，無數(shù)據(jù)基礎的探測技術已經(jīng)成為一個研究方向[37-38]，聲波透射法、平行地震法和感應場法（Induction field method）等無損檢測技術在基礎深度檢測方面得到廣泛的應用，但單一無損檢測方法的準確性仍然難以保證，對于這些檢測方法的準確性仍然在不斷的研究之中。采用地球物理方法和電化學方法對基礎特征和狀況進行準確探測是基礎再利用方面的研究重點。目前，其他國家研究較多，中國研究較少。既有基礎承載力的評估和基礎的剩余使用壽命是目前研究的難點。目前，歐美等國也正在開展研究，但進展并不大[37]。中國對于新建橋梁基礎研究較多，但對于既有基礎承載力的研究相對較少。由于既有基礎承載力的評估涉及到多個領域，研究難度很大。但如果中國盡早開展這方面的研究，有可能在基礎再利用技術方面走在西方國家前面。

7 結論

針對近年來橋梁基礎工程研究的若干新進展進行了扼要的述評，隨著中國高速鐵路和公路交通的快速發(fā)展，橋梁基礎工程領域新的研究成果也越來越多。近年來的研究進展表明，進行不同條件下的基礎沖刷試驗模擬，進一步揭示沖刷機理及沖刷預測仍然是橋梁基礎沖刷的研究重點;波浪與多因素耦合作用下橋梁結構動力行為應結合跨海大橋的建設持續(xù)研究。各種不同類型橋梁基礎的地震響應試驗研究是未來需要重視的方向。在試驗研究中應重點量化土基礎動力相互作用對橋梁上部結構地震響應的影響。結合川藏鐵路的建設和西部地區(qū)交通發(fā)展戰(zhàn)略，未來橋梁基礎研究應重視以下幾個方面：

1）復雜橋梁基礎水流沖刷動力學的試驗研究和三維數(shù)值模擬。對于不同幾何形狀基礎的水流沖刷機理需要通過試驗給予詳細的解釋并量化表達。三維數(shù)值模擬結果的準確性需要通過試驗予以驗證。

2）地震作用下土基礎橋梁動力相互作用的試驗研究應針對典型橋梁基礎，通過精細設計的振動臺試驗進行，對土的動力阻抗函數(shù)的理論結果進行驗證。并通過試驗明確土基礎結構動力相互作用對于結構安全性的影響。

3）橋梁基礎失效機理的試驗研究和數(shù)值仿真。在試驗室模擬橋梁基礎的失效過程以及失效后橋梁的倒塌機理是未來一個重要的研究方向，地震作用下基礎的失效過程和橋梁倒塌機制是其中的一個重點研究課題。

4）地震區(qū)已損橋梁基礎的剩余壽命預測、承載力評估和再利用技術。首先，需要中國交通部門對全國范圍內(nèi)的舊橋基礎狀況和技術檔案進行調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結果制定系統(tǒng)的再利用方案和技術指南。地球物理技術和電化學技術在評估基礎狀況和基礎承載力方面的應用是本方向的重點和難點。參考文獻：

[1] 楊萬理， 吳承偉， 朱權龍， 等. 橋梁墩柱三維繞流特性精細化研究[J]. 西南交通大學學報， 2020， 55（1）： 134-143.

YANG W L， WU C W， ZHU Q L. Refined study on 3D flow characteristics around bridge piers [J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2020， 55（1）： 134-143. （in Chinese）

[2] LIANG F Y， WANG C， YU X. Widths， types， and configurations： Influences on scour behaviors of bridge foundations in non-cohesive soils [J]. Marine Georesources& Geotechnology， 2019， 37（5）： 578-588.

[3] YU T S， ZHANG Y T， ZHANG S B， et al. Experimental study on scour around a composite bucket foundation due to waves and current [J]. Ocean Engineering， 2019， 189： 106302.

[4] 熊文， 魏樂永， 張學峰， 等. 大跨度纜索支承橋梁基礎沖刷動力識別方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報， 2019， 51（3）： 92-98.

XIONG W， WEI L Y， ZHANG X F， et al. Dynamic-based bridge scour identification of super-span cable-supported bridges [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2019， 51（3）： 92-98.（in Chinese）

[5] 陳述， 李雨晨， 許慧， 等. 長江下游河段橋墩壓縮沖刷預測研究[J]. 水利水運工程學報， 2019（3）： 16-24.

CHEN S， LI Y C， XU H， et al. Prediction of bridge pier compression scour in lower reaches of Yangtze River [J]. Hydro-Science and Engineering， 2019（3）： 16-24. （in Chinese）

[6] WU Z Y， LUO Z. Life-cycle system reliability-based approach for bridge pile foundations under scour conditions [J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2020， 24（2）： 412-423.

[7] 吳迪， 陳學軍， 黃翔， 等. 海水環(huán)境下橋墩抗沖刷技術研究 [J]. 公路工程， 2019， 44（5）： 93-98.

WU D， CHEN X J， HUANG X， et al. Study on anti-scour technology of pier foundation in seawater environment [J]. Highway Engineering， 2019， 44（5）： 93-98. （in Chinese）

[8] 陳述. 東海大橋橋墩基礎沖刷防護方案研究 [J]. 世界橋梁， 2019， 47（4）： 17-21.

CHEN S. Study of scouring protection schemes for pier foundation of Donghai Bridge [J]. World Bridges， 2019， 47（4）： 17-21. （in Chinese）

[9] WANG S Y， WEI K， SHEN Z H， et al. Experimental investigation of local scour protection for cylindrical bridge piers using anti-scour collars [J]. Water， 2019， 11（7）： 1515. （in Chinese）

[10] 段瑋瑋， 孫佳， 朱海芬， 等. 波浪作用下跨海橋梁樁基沖刷防護裝置特性研究[J]. 浙江海洋大學學報（自然科學版）， 2019， 38（5）： 447-452.

DUAN W W， SUN J， ZHU H F， et al. Properties of novel local scour protective equipment around pile of bridge under wave action [J]. Journal of Zhejiang Ocean University （Natural Science）， 2019， 38（5）： 447-452. （in Chinese）

[11] 祝兵， 楊志瑩， 康啊真， 等. 自由液面效應對跨海橋梁樁基波浪力的影響[J]. 鐵道科學與工程學報， 2019， 16（11）： 2734-2741.

ZHU B， YANG Z Y， KANG A Z， et al. Free surface effect on wave forces of the pile foundation for sea-crossing bridge [J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2019， 16（11）： 2734-2741. （in Chinese）

[12] 孫天霆， 王樹鵬， 潘軍寧， 等. 考慮局部沖刷的跨海橋梁樁基基礎波流力[J]. 水科學進展， 2019， 30（6）： 863-871.

SUN T T， WANG S P， PAN J N， et al. Study on wave-current force for pile foundation of sea-crossing bridge considering local scouring [J]. Advances in Water Science， 2019， 30（6）： 863-871.（in Chinese）

[13] WEI C X， ZHOU D C， OU J P. Wave forces and moments on a gravity pier foundation [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University （Science）， 2019， 24（3）： 305-312.

[14] 陳林雅， 鄭東生， 王盼娣， 等. 基于波浪多孔介質海床結構物耦合模型的單樁基礎波浪力分析[J]. 工程力學， 2019， 36（11）： 72-82.

CHEN L Y， ZHENG D S， WANG P D， et al. Analysis of wave force acting on the monopile based on wave-porous seabed-structure coupled model [J]. Engineering Mechanics， 2019， 36（11）： 72-82. （in Chinese）

[15] 劉茜茜， 陳旭光， 馮濤， 等. 波浪作用下桶形基礎沖刷特性試驗研究[J]. 海洋工程， 2019， 37（6）： 104-113， 121.

LIU X X， CHEN X G， FENG T， et al. Experimental study on scouring characteristics of bucket foundation in wave [J]. The Ocean Engineering， 2019， 37（6）： 104-113， 121. （in Chinese）

[16] 何海峰， 魏凱， 張明金. 波浪荷載作用下跨海橋梁群樁基礎方案研究 [J]. 鐵道建筑， 2019， 49（4）： 48-52.

HE H F， WEI K， ZHANG M J. Study on group pile foundation scheme of sea-crossing bridge under wave loading [J]. Railway Engineering， 2019， 49（4）： 48-52.（in Chinese）

[17] 薛素鐸， 劉毅， 李雄彥. 土結構動力相互作用研究若干問題綜述 [J]. 世界地震工程， 2013， 29（2）： 1-9.

XUE S D， LIU Y， LI X Y. Review of some problems about research on soil-structure dynamic interaction [J]. World Information on Earthquake Engineering， 2013， 29（2）： 1-9.（in Chinese）

[18] CHIOU J， JHENG Y， HUNG H. Numerical simulation of bridge piers with spread footingsunder earthquake excitation [J]. Earthquakes and Structures， 2019， 16（6）： 691.

[19] 董江華. 土樁基礎橋梁動力相互作用的計算模型研究[D]. 成都： 西南交通大學， 2017.

DONG J H. Modeling of dynamic soil-pile-bridge interaction [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017. （in Chinese）

[20] DONG Y X， FENG Z J， HE J B， et al. Seismic response of a bridge pile foundation during a shaking table test [J]. Shock and Vibration， 2019， 2019： 1-16.

[21] 劉苗， 夏修身. 群樁基礎對自復位高墩地震反應的影響[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2019， 40（12）： 2000-2004.

LIU M， XIA X S.Influence of group pile foundation on seismic response of self-centering tall pier [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2019， 40（12）： 2000-2004. （in Chinese）

[22] 謝宏明. 考慮土結構動力相互作用的三塔懸索橋地震響應分析[D]. 成都： 西南交通大學， 2015.

XIE H M. Seismic response of a three-tower suspension bridge with dynamic soil-structure interaction [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015. （in Chinese）

[23] HE L G， HUNG H H， CHUANG C Y， et al. Seismic assessments for scoured bridges with pile foundations [J]. Engineering Structures， 2020， 211： 110454.

[24] WANG X W， YE A J， JI B H. Fragility-based sensitivity analysis on the seismic performance of pile-group-supported bridges in liquefiable ground undergoing scour potentials [J]. Engineering Structures， 2019， 198： 109427.

[25] 楊婷婷. 基于變速行駛車輛激勵的橋梁下部結構損傷診斷方法研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2019.

YANG T T. Damage detection method for substructure of bridges based on vechicle excitation with variable velocity [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2019. （in Chinese）

[26] 鄧廣繁， 金秀男， 孫小飛. 跨海大橋主墩基礎安全預警指標體系及預警模型研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2019， 15（3）： 149-151.

DENG G F， JIN X N， SUN X F. Study on the alerting indexes and alerting models for the safety of pier foundations of the sea-crossing bridges [J]. Highway Trasportation Science and Technology （Applied Technology）， 2019， 15（3）： 149-151.

[27] 魏小兵. 山區(qū)巖溶區(qū)域橋梁基礎設計方案研究[J]. 工程建設與設計， 2019（11）： 143-145.

WEI X B. Study on design scheme of bridge foundation in karst area in mountainous area [J]. Construction & Design for Project， 2019（11）： 143-145.（in Chinese）

[28] 黃政， 歐陽旺， 曹俊益， 等. 南方巖溶地區(qū)橋梁基礎方案比選[J]. 安徽建筑， 2019， 26（5）： 122-124.

HUANG Z， OUANG W， CAO， J Y， et al. Selection of the bridge foundation plans in southern karst areas [J]. Anhuai Architecture， 2019， 26（5）： 122-124.

[29] 謝甲閏. 巖溶地區(qū)橋梁樁基施工技術的應用[J]. 交通世界， 2019（36）： 114-115.

XIE， J R. Application of the construction techniques for brideg pile foundations to karst areas [J]. Transportation World， 2019（36）： 114-115.

[30] 黃智國. 巖溶地區(qū)樁基施工中的溶洞地基處理分析[J]. 西部資源， 2019（4）： 97-98.

HUANG Z G. Analysis of the ground base on caves in karst areas for pile foundations [J]. West Resources， 2019（4）： 97-98.

[31] 張永杰， 鄧俊強， 楊興山， 等. 考慮溶洞空間形態(tài)的巖溶樁基穩(wěn)定性分析方法[J]. 中國公路學報， 2019， 32（1）： 37-45.

ZHANG Y J， DENG J Q， YANG X S， et al. Stability analysis method of pile foundation in karst area base on cavern spatial form [J]. China Journal of Highway and Transport， 2019， 32（1）： 37-45.（in Chinese）

[32] 王旭東， 郝憲武， 吳文濤. 黃土地區(qū)斜陡坡對群樁基礎承載力的影響[J]. 沈陽大學學報（自然科學版）， 2019， 31（4）： 331-337.

WANG X D， HAO X W， WU W T. Influence of steep slope on bearing capacity of pile group foundation in loess area [J]. Journal of Shenyang University （Natural Science）， 2019， 31（4）： 331-337.（in Chinese）

[33] FU Z D， JIANG G L， YUAN S Y， et al. Lateral behavior of piled bridge foundation and stabilizing piles on steep slope [J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2019， 23（10）： 4223-4236.

[34] AGRAWAL A K， JALINOOS F， DAVIS N， et al. Foundation Reuse for Highway Bridges [R]. Federal Highway Administration， U.S. Department of Transportation. 2018.

[35] DAVIS N， SANAYEI M， AGRAWAL A， et al. Determining the capacity of reused bridge foundations from limited information [J]. Journal of Bridge Engineering， 2018， 23（12）： 04018090.

[36] CHAPMAN T， ANDERSON S， WINDLE J. Reuse of foundations： Report C653 [R]. London， United Kingdom： Construction Industry Research and Information Association， 2007.

[37] BOECKMANN A Z， LOEHR J E. Current practices and guidelines for the reuse of bridge foundations[M]. Washington， D.C.： Transportation Research Board， 2017.

[38] RASHIDYAN S. Characterization of unknown bridge foundations [D]. Albuquerque， USA： The University of New Mexico， 2017.

（編輯 胡玲）