罗伟玲，刘启林

(1.广东冠粤路桥有限公司，广州 511450；
2.广东交科检测有限公司，广州 510550)

桥梁基础是桥梁结构的主要受力构件之一，承担了上部结构及墩台传来的全部荷载。由于基础往往深埋于地下或水下，桥梁施工中容易出现质量问题，桥梁建成后也难以对其状况进行检查评估。随着服役时间的延长，受周边环境和运营条件的影响，不同桥位的基础状况必然会出现较大的差异，因此有必要对不同状况的基础采取不同的养护和专项检查措施，即进行分级养护。

美国联邦公路管理局(FHWA)[1]将桥梁划分为下部结构、上部结构、桥面三个子系统，对每座桥梁收集90个项目的数据，将桥梁结构缺陷划分成10级来评估桥梁的缺陷状态，但未制订对应的养护对策。H.G.Melhem和Senaka Aturaliya[2]采用专家系统工具CLIPS建立了桥梁总体评价程序，基于重要性两两比较矩阵得到的权重，提出了采用模糊加权向量法对桥梁状况进行评估。该系统将桥梁结构状况分为9级，并按照各级指标的权重及评价结果制订检测和维修策略，但没有专门针对基础进行评价。

我国现行公路和城市桥梁养护规范中[4-5]，将公路桥梁养护等级划分为3级，没有专门对基础养护分级。其中桥梁养护分级主要考虑桥梁跨径和技术状况两个因素，而桥梁技术状况的评定侧重于上部结构和墩台，且评价结果对整桥的类别评定影响很小。李涛[3]对桥梁桩基础的抗力衰减情况进行了研究，建立了基于现状的安全性评估指标体系及评判标准，但仍将其作为下部结构评估的一个子项。陈亮[6]参照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H 21-2011)，提出了桥梁水下结构基础冲刷、基础变形和混凝土表面病害严重程度的评定标准，为现有桥梁结构评估体系提供补充。

综上所述，目前尚没有专门的在役桥梁基础养护分级标准。由于桥梁基础所处环境及自身特点与上部结构差异较大，有必要建立一套专用的在役桥梁基础养护分级方法。

在役桥梁基础分级的目标是根据桥梁基础总体状况确定对应的养护等级，由于目前尚没有专门针对桥梁基础养护分级的相关规范，可参照《城市桥梁养护技术标准》(JCJJ 99-2017)，将在役桥梁基础划分为5个养护等级。具体的养护等级根据评估因素的打分值乘以相应权重后求和确定，各等级的分值区间见表1，满分为100分。对不同养护等级的桥梁基础应采取针对性的养护对策，需要说明的是此养护对策仅是指导性意见，具体的养护措施还需通过专项检查的结果，根据相关规范要求和专家意见确定。

表1 在役桥梁基础养护等级划分

对在役桥梁基础进行分级主要具有以下几方面的意义：(1)明确各桥梁基础总体状况，便于管养单位有针对性地采取相应的养护措施；
(2)在专项检查时可以针对不同级别确定相应的抽检比例，有利于节省检测费用和检测效益的最大化；
(3)为改扩建工程基础再利用提供设计和施工依据。

由于在役桥梁基础深埋于地下或水下，有许多指标不能通过检测直接得到，对在役桥梁基础总体状况的评价可以从竣工后的初始状态、基础所服役的环境条件以及基础目前状况(分别对应原始状态、服役环境、运营状况)3个维度来考虑。考虑到目标是确定基础的养护等级，并不需要像技术状况或承载能力评定那样进行非常细致的分析，只要抓住影响分级的主要因素即可。

2.1 基础的原始状态

原始状态是指结构物施工完成后的状态。对于桥梁上部结构，可以很容易地通过测量来确定结构尺寸是否满足设计要求；
而桥梁基础由于深埋于地下，检测手段受到很大限制，往往需要借助竣工资料来确认其各项指标是否达到设计要求，因此竣工资料的完整性和准确性非常重要。对于施工年代较早的桥梁，由于当时对工程资料的收集、归档不规范，往往存在竣工资料缺失的情况，导致无法追溯基础的原始状态，因此竣工资料的完整性可作为基础养护分级评定的一个主要因素。

竣工资料的类型众多，而桥梁基础形式以桩基础为主，其中与基础原始状态关系最大的是基桩检测的桩身完整性，因此把桩身完整性检测结果单独作为基础养护分级评定的一个主要因素。此外，如施工图、施工记录、地质资料等作为基础养护分级评定的另一个主要因素。工程实践中还有一种情况经常遇到，一些运营多年的桥梁在后期补充勘察中，发现实际的地质情况与建设期地勘资料差异较大，出现按竣工桩长验算的部分单桩承载力不满足设计要求的情况，因此将地勘资料的差异性也作为桥梁基础养护分级评定的一个主要因素。

2.2 基础的服役环境

桥梁基础服役的环境与上部结构差别较大，上部结构暴露于大气中，基础埋于地表以下，一般情况下其服役状态是相对稳定的。但当发生比较大的地表(或河床)变位，如不平衡填土或开挖时，容易造成基础滑移、失稳等严重的病害，因此地表变位是基础养护分级评定的一个重要因素。水中基础面临的主要病害是冲刷，由于桩周土体被水流冲刷掉，桩基础水平承载能力明显降低，如遇到船舶撞击，可能造成桥墩失稳倒塌的严重后果，因此冲刷也是水中基础养护分级评定的一个主要因素。此外，氯离子等化学腐蚀环境对桥梁基础有长期不利的影响，特别是在基础本身带有混凝土开裂、露筋等损伤的情况下，对桥梁基础的耐久性影响更大，因此将腐蚀列为基础养护分级评定的一个主要因素。

2.3 基础的运营状况

经过多年的服役，桥梁基础往往会产生一些病害，其病害的类型与上部结构也不一样。其中容易观测并且常见的病害是沉降和倾斜，过大的不均匀沉降和倾斜会造成上部结构开裂，严重的可导致整个结构失稳破坏，失去承载能力，因此沉降和倾斜是基础养护分级评定的两个主要因素。此外承台和水中桩基的干湿交替区还容易产生混凝土开裂、破损、露筋等结构损伤，由于结构损伤的类型较多，可将各种损伤类型统一考虑，列为基础养护分级评定的一个重要因素。

分析了在役桥梁基础总体状况进行养护分级需要考虑的主要因素后，在分级评估时首先要确定各因素所占的权重，然后根据各因素的实际状况进行打分，将打分值乘以对应的权重后求和，确定养护等级。由于需考虑的因素较多，直接确定各因素的权重较难，但是比较两个因素的相对重要程度较易做到。基于以上特点，为尽量减少人为的主观影响，本文采用层次分析法(AHP)确定各因素的权重。

3.1 AHP法简介

层次分析法[7]( Analytic Hierarchy Process，简称AHP)由美国匹兹堡大学的T.L.Saaty教授在20世纪70年代提出，是一种多层次权重分析的决策方法，其基本原理是将复杂问题中的各因素划分成相互关联的有序层次，使之条理化，根据一定的客观判断，对每一层次中每两元素的相对重要性给出定量表示，计算出每一层次全部元素的权重并加以排序，最终可以得到最底层元素对分析目标的权重值。

AHP法一般可以分为4个步骤：(1)建立层次结构分析模型；
(2)采用1～9标度法对评价因素进行两两比较，构造判断矩阵；
(3)进行层次单排序和层次总排序，获取各因素权重；
(4)一致性检验。

表2 AHP判断矩阵的9个标度

3.2 AHP法的实现

由于AHP法通过构造判断矩阵来进行矩阵计算，当考虑因素较多时计算量很大，因此一般需要编制算法或借助专业软件来实现。本文使用层次分析法专业软件yaahp进行分析计算，该软件可以在输入判断矩阵的同时实时显示一致性检验结果，帮助使用者调整判断矩阵。

3.2.1 建立层次结构分析模型

基于上文的分析，建立在役桥梁基础养护分级层次结构模型。该模型由三个层次组成，第一层是目标层，即进行在役桥梁基础养护分级评估；
第二层是分级评估考虑的三个维度；
第三层是各维度下主要的影响因素。

3.2.2 构造判断矩阵

判断矩阵即对同一层次下各因素的相对重要性进行评判，一般可以通过咨询专家意见或结合工程经验确定。本文以服役环境为例说明判断矩阵的构造方法，如图1所示，服役环境下面有腐蚀、地表变位、冲刷三个考虑因素，其中地表变位可能会造成基础倾斜的后果，冲刷一定会造成基础水平承载能力的下降，因此可认为冲刷比地表变位稍微重要。腐蚀主要是造成基础耐久性能下降，其对基础影响程度不如另两个因素，因此可认为地表变位比腐蚀比较重要，冲刷比腐蚀十分重要。这样可得到服役环境维度的判断矩阵，如图2所示。

图1 在役桥梁基础养护分级层次结构模型

图2 服役环境判断矩阵

同样地，通过咨询专家意见，可以得到其他的判断矩阵，如图3～图5所示。

图3 原始状态判断矩阵

图4 运营状况判断矩阵

图5 分级评估(目标层)判断矩阵

3.2.3 确定各因素权重

由于判断矩阵在构造过程中已经通过了一致性检验，可直接使用yaahp软件计算各因素所占的权重，而不用反复修正。图6所示为yaahp软件计算的在役桥梁基础养护分级三个维度及相应的评估因素权重值。

图6 评估因素权重值

各评估因素所占的权重确定后，下一步要获取各因素的评分值。对于规范有具体评分方法的可参照规范对相关因素进行打分，其它因素的评分值可根据相关资料或检查结果打分得到。例如对冲刷、沉降、倾斜、损伤(开裂、露筋等)可根据基础状况参照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)分5个标度进行评分，每个标度对应一个分值区间，具体分数根据实际状况确定；
地表变位可根据地表变化情况及变位后果(滑移和失稳等)，参照该评定标准进行评分；
腐蚀因素可根据基础所处环境的类别，参照《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GBT 51355-2019)[8]进行评分(表3～表8)。

表3 腐蚀评分

表4 地表变位评分

表5 冲刷评分

表6 损伤评分

表7 沉降评分

表8 倾斜评分

与基础原始状态相关的桩身完整性、竣工资料完整性、地勘资料差异性等三个因素可以通过对历史资料的收集、查找得到。由于3类桩不允许使用，在实际工程中使用的桩身完整性只有1类桩和2类桩两种情况，再加上早期工程建设中可能存在部分基桩桩身完整性没有检测或检测资料遗失的情况，可以将桩身完整性分3个标度进行评分，每个标度对应一个分值区间，具体分数根据1类桩比例确定(表9)。类似地，竣工资料完整性、地勘资料差异性也分3个标度进行评分(表10和表11)。

表9 桩身完整性评分

表10 竣工资料完整性评分

表11 地勘资料差异性评分

在初步建立了在役桥梁基础养护分级评估体系的基础上，本文结合一个工程实例，介绍该体系的具体运用方法。

莞佛高速公路太平大桥主桥位于广东珠三角地区，桥梁基础型式为钻孔桩基础，均为水中桩。

经查阅竣工资料，该桥原始状态评分计算见表12。

表12 原始状态评分计算

根据桥梁检查报告、 耐久性检测报告和河床调查报告，该桥服役环境评分计算见表13。

表13 服役环境评分计算

根据定期检查报告、水中桩基检查报告和沉降监测报告，该桥运营状况评分计算见表14。

表14 运营状况评分计算

计算总评分值为：9.67+25.628+44.647=79.945，对照表1可知评定养护等级为Ⅲ级，总体状况需要关注，建议采取针对性的专项检查或进行维修。

由于在役桥梁基础养护分级没有现成的评定标准可供对比验证，参考中路高科交通检测检验认证有限公司2021对该桥所进行的定期检查和2020年下部结构专项检查的结果及建议：该桥下部结构技术状况评定为3类；
对主墩地质情况进行专项核查，以核验基桩承载力；
对主墩及过渡墩基础采取加桩等方式进行补强或部分更换，以提升其承载能力、抗推刚度和耐久性。其结果及建议与本文养护分级评估结论基本一致，说明本文提出的在役桥梁基础养护分级方法具备合理性。

本文提出的基于AHP的在役桥梁基础养护分级方法，从原始状态、服役环境、运营状况3个维度进行评估分级。桥梁状况评价指标众多，本文结合工程经验选取了9个影响因素进行分析评价，目的在于建立在役桥梁基础养护分级评估体系的总体框架，用以指导具体的养护工作。在实践应用中，建议结合工程项目的具体情况，进一步细化并增加对其它相关因素的分析评估，使评估体系更加完善、评估结果更具有针对性。

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