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郑大故事:十余年探索,让数千年的传统桩基技术领先国际——记水利与土木学院周同和团队

发布时间:2022年09月30日 信息来源:

郑大故事:十余年探索,让数千年的传统桩基技术领先国际——记水利与土木学院周同和团队

桥梁下方的“大柱子”、隐藏在路面底部的根基、建筑物的地基层……“桩”在我们生活中的应用随处可见。桩的应用,最早可追溯至河姆渡文化。7000年前,为了适应南方潮湿的环境,河姆渡人就开始使用桩基技术设计了干栏式房屋,既能够临水而居,同时也能通风、防潮、防涝。

已有数千年使用历史,很多人觉得的桩基技术太传统了,“桩”没什么可研究的。然而,太阳成集团tyc234cc水利与土木工程学院周同和团队却在这一传统技术领域进行了十余年探索,首创出根固桩和扩体桩技术,大幅提升了我国桩工技术现代化水平,填补了多项国内空白。近年来,项目研究成果在全国23个省(市、自治区)得到快速推广应用,产生直接经济效益超过116亿元,累计减少碳排放量312万吨。系列成果先后荣获2019-2020年中国建筑学会科技进步奖一等奖,2021年建华工程奖一等奖,2021年河南省科技进步奖一等奖,并被国际土力学和岩土工程学会主席评价为“对中国乃至全球桩基工程技术的发展作出了卓有成效的贡献,处于国际领先水平”。

“我们要让‘刚’‘柔’得以相济”

高楼、桥梁等建筑物动辄数千万吨,一般土层何以能够荷载,而不深陷土中?这其中的一个关键点就是“打桩”。借助“桩”的力量,建筑物的荷载通过桩体传送至深部地基深层而得以稳固。“桩”承担着整个建筑物的重量,万丈高楼平地起,桩基的重要性不言而喻。

然而桩基技术的发展历时几千年,传统的桩基却基本就两种:灌注桩和预制桩。灌注桩是先在地上打孔,将土取出,再将混凝土灌注孔中。这种桩造价高、工期长,且孔壁松弛、泥皮、沉渣等都会影响承载效力。预制桩是提前预制好桩基,施工时利用打桩设备打入土中。然而,遇到硬土层时阻力大难以打入土层,桩身也会损伤或者断裂等。遇到软土层时会产生“挤土效应”,桩体方向易倾斜、上浮。

如何提升桩基承载力,提升其工作性能?如何打破传统困境,研发技术先进、安全适用、节约优先的桩基?周同和团队另辟蹊径,将传统桩基技术与现代桩基理论相结合,研发出两种新桩型:根固桩和扩体桩。

“根固桩就是根部加固的意思。”周同和生动地说,“举个例子,从人站立时的受力来看,我们的腿是桩,我们腿上穿个棉裤就是扩体的概念,我们脚底下穿个大头鞋,那就是根固的概念。”在桩体的端部设置扩体,亦或注浆加固体,这样桩体端部与土层的接触面扩大,从而能更充分调动桩端好土层承载力,也能保证桩侧阻力发挥,这就是根固桩。这种桩型,获得了较大承载力的同时,也减少了资源消耗。

在施工中,经常是将根固桩和扩体桩结合使用。“扩体桩,实际也是一种根固桩。扩体桩即根部和上部都要加固,给桩身也设置扩体,在预制桩与土之间灌注柔性过渡体,例如砂浆混合料、水泥土混合料等。”先在地面打孔,然后灌注砂浆混合料,再把预制桩打进去。这样一来,高强度、硬度的桩体和相对低硬度的土体之间就有了连续的界面,正所谓“刚柔不能相济”,有了连续界面做过渡,“刚”性强的桩身和“柔”性强的土体得以相济,整体的承载强度也提高许多。

团队还发明了长螺旋取土回拌水泥土扩体工艺、取土高压旋喷工艺等,在工艺工法上得以创新,解决了传统扩体桩施工工艺存在的质量稳定性差、泥浆排放大、水泥浪费严重等问题。“除了技术理论、工艺工法,我们在桩体材料创新上也下了不少功夫。”团队介绍说。扩体桩中灌注的材料不再是传统的混凝土,而是优化了水泥渣土混合料、砂浆混合料等扩体材料配方,也研发废砖、废玻璃混凝土作为一种新型扩体材料,实现了废弃物资源化利用,替代砂石料用量70%,达到经济效益和社会效益的统一。

据国家统计局发布数据估算,2020年用桩量达十亿延米以上,总造价超过1万亿元。但与传统灌注桩相比,根固桩和扩体桩综合造价降低了约20%-30%,减少碳排放量50%以上。与传统预制桩相比,扩体桩水平承载力提高了30%-50%,桩体竖向承载力提高70%-100%,承载力与抗震性能大幅提升的同时,节能减排优势更加明显,突破了我国桩基领域长期以来的技术瓶颈。

“第一根桩芯三天三夜没取出来”

“传统学科创新发展是很难的。”团队成员张景伟教授说。2010年以来,周同和团队开始倾心钻研根固桩和扩体桩技术,然而,十余年的创新之路中,刚开始遇到的,大多是否定的声音。

作为地方院校的团队,他们面对着持续不断的来自业界的质疑声,研究阻力较大。2010年,郑州市建设绿地中心千玺广场,“这算是我们研究的一个机遇。”周同和介绍。当时,团队受邀参与桩基工程建设方案的研究和咨询工作,其中他们主要负责实验桩的承载力试验咨询和内力测试工作。通过参与该项目的研究,周同和团队发现,国内的桩设计理念太落后,虽然理论成果较多,但工程应用跟不上。

“当时国内最长的桩已经长达100米,灌注100米,施工非常困难。”周同和说。但是,长桩并不一定能很好地调动深度土层的承载力。桩基工程领域,有一个经典理论“桩端阻力和桩侧阻力相互作用理论”,国内研究成果颇丰,然而,建国以来,工程界却很少应用,导致的结果就是桩越设计越长。桩不一定要长的理念难以被接受,实践到工程应用上就是工程浪费、工期长、桩体质量难以保证、资源消耗大、生态环境破坏和污染严重。“我们有责任,也有能力解决这个问题。”周同和团队由此意识到研究推广新理论对生产实践的重要性。

郑州三环快速化项目应用再次成为团队研究并推广技术的一大机遇。全长40公里的三环封闭环,其中一半以上是桥,需要建设大量桥桩、高架,总投资98个亿的项目,其中18个亿是桩基的造价,占总造价20%左右。

项目指挥部领导提出来,“桩的造价占比如此高?有没有可能把造价适当下降?”周同和团队参与了项目咨询会,会议结束以后,专家们已形成意见,认为:“根固桩技术可行,可以实施。”然而,实施时,却没有设计院愿意采用。周同和团队决定用实验数据去说服他们。

于是,团队在三环设立了8个实验点。“我印象非常深刻的其中一个试验点是新郑路试验点,无水无电。为了做试验,我们每天早上向洒水车师傅借水、拉发电机发电。”张景伟回忆道。其中一个试验需要对比测量根固桩和普通灌注桩的承载效果,需要取桩芯。

“在地下50米左右取芯非常困难,我们取第一根芯时,三天三夜没有取出来,不是没有取成功,就是打偏了,或者钻头都坏了。”张景伟回忆当时的艰难说。7月酷暑,炎热的天气和试验瓶颈考验着团队的每一个成员。周同和鼓励大家“我们再试试,咱再努力一把,不要放弃”。于是,团队又发明了专门的钻头,在钻头周边做了定位系统,最终取出第一根桩芯,花了整整四天四夜。

除了试验困难,试验的危险性也是考验团队的问题。在做桩体水平和竖向承载力试验时,为了能够模拟实际受力状态试验时,桩既要承载竖向几千吨的承载力,也要负荷横向几百吨的水平力,一旦出现试验装置失稳,后果不堪设想。拿出多项实验的结果,多次说服,根固桩设计理念才得以被设计单位接受。承担了三环快速桩基工程优化的工作后,团队获得研究经费4070万元,最终成果是将长桩“砍”成短桩,把原来六、七十米的桩改为四、五十米,缩短工期近3个月时间,共节省工程造价6个多亿。

该项目完成后,团队还先后承担了郑州南三环东延、107辅道高架等大型市政工程项目。其中,郑州107辅道快速路工程采用团队技术成果,共降低工程量25%,减少碳排放量7.4万吨,直接经济效益3.13亿元。

“做研究要有定力和韧性,耐得住寂寞,坐得住冷板凳”

“我们过去发表一篇论文都很困难,我博士都差点没法毕业。”张景伟调侃道。长期以来,大多数人认为“桩”过于传统,这一传统技术并没有创新研究的价值。

十年前,团队没有实验室,成为研究的一大困难。缺乏实验条件,团队就自主创造,太阳成集团tyc234cc北校区南门的破厂房就曾成为他们改造的试验场地。把工程理论转化为生产力,更需要人们接受这一创新创新技术。刚开始只有一部分人模棱两可地认为这个技术可以,但支持者甚少。面对困境,周同和态度很坚定,“做研究要有自己的研究定力。”“再难可以先放一放,但不能绕开它,不能躲过去也不能退回去。”……成果不被认可,就反复宣讲;没有条件,就创造条件。在大大小小的学术会议上、各种工程项目中,他们讲述团队的创新理念和研究成果,逐渐赢得了人们的认可与支持。他们不断创新,披荆斩棘,走出了一条前人尚未开拓、不愿开拓的路,在桩基工程历史上起到了里程碑的作用。

目前,团队项目成果在全国23个省、市、自治区建筑与市政、铁路与公路交通、水利、电力等工程中推广应用,京沪高速公路改扩建项目、京雄高铁建设、中原大数据中心、郑州金融岛、绿地滨湖国际城……

面对时代赋予的创新重任,团队静心笃志、心无旁骛,甘坐“冷板凳”,付出了十年磨一剑的苦功夫。团队预测,未来5-10年,根固桩、扩体桩将占整个市场的70%-80%以上。周同和也充满信心“以预制桩桩为主,以灌注桩为辅的这样一个新的局面,必然会引起工程界的极大兴趣!”

如今,周同和团队获得国家授权专利49件,其中发明专利21件,主编相关技术标准7项,其中国家行业标准3项,国家级团体标准3项。然而,在国内全面应用并不是团队的最终目标,“我们希望根固桩和扩体桩走向世界!”周同和教授自信地说。(李艳丽 陶秋侠 撰稿)

水利与土木工程学院周同和教授

工程现场

成果应用项目之一郑州金融岛


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