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30年創新實踐,為地基處理開出“良方”

發布時間:2019-01-08來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 吳雅蘭 盧紹慶943

廣佛高速,我國最早的高速公路之一,是廣州到佛山的陸運大通道。

不曾想,因為車流量實在太大,原有的四車道在運行僅8年后,就無法滿足運力。拓寬公路,第一步就是新舊地基的融合及處理。如何最少時間、最低成本、最大效果地實現六至八車道拓寬,成為當時橫亙在這條高速公路上的重要卡口。

這個卡脖子難題最終被浙江大學建筑工程學院教授、中國工程院院士龔曉南及其團隊創建的地基處理“良方”——復合地基處理技術所攻克。

地基是工程建設項目的重中之重。地基穩不穩,牢不牢,不僅直接關系到項目的安全和使用,而且對建設速度、工程造價有著不小的影響。因此,地基處理是土木工程建設中最活躍的領域之一,研發高性能地基處理新技術是工程建設的重大需求。

“國家的需要就是我們的研究方向。”龔曉南及其團隊成員,歷時30年的理論研究和工程實踐,從基礎理論到設計和施工指南,再到技術標準、工程應用,形成了一套完整的工程應用體系,極大地推動了復合地基新技術的發展和在各工程建設領域的廣泛應用。

這套復合地基理論與技術始終處于國際領先地位,被廣泛應用于建筑工程、高速公路、高速鐵路、市政道路、港航、機場等工程建設領域,包括京津城際高速鐵路、京滬高速鐵路、杭寧高速公路、乍嘉蘇高速公路等重大工程。近3年里,僅提供應用證明的工程就新增利潤和節約工程造價達35.38億元。 

一個定義打開研究死結

我國地域遼闊,工程地質條件復雜,改革開放以來,工程建設規模日益擴大,因而在具體建設中,遇到越來越多的軟弱地基或不良地基問題。

傳統地基處理方法難以滿足高承載力與穩定性、低工后沉降和快速的地基處理要求,而樁基礎的承載力高、沉降小,但造價高,難以在大面積地基處理中使用。

有沒有價廉物美的地基處理方法呢?也不是沒有。在此之前的20世紀60年代,國外將采用碎石樁等散體材料樁加固的人工地基稱為復合地基。隨著我國工程建設的發展,國內工程界和學術界對于復合地基的認識不斷深入和發展。與此同時,隨著水泥土等柔性樁和鋼筋混凝土等剛性樁技術在工程中的應用,什么是復合地基在當時引起了很大的爭論。

焦點問題是,水泥土樁和鋼筋混凝土樁的彈性模量比地基土體高了幾個數量級,樁和土還能共同作用形成復合地基嗎?在復合地基技術應用初期還存在荷載傳遞機理不明,設計方法欠妥,工程安全度差,工程事故多發等問題急需解決,基礎理論研究仿佛打了個死結。這個時候,龔曉南站出來打開了這個結。1990年,龔曉南通過荷載傳遞機理分析,首次總結出復合地基的本質是在荷載的作用下,樁和樁間土能夠共同直接承擔上部荷載,這也是復合地基與淺基礎和樁基礎之間的主要區別。

1992年,龔曉南出版復合地基領域第一部專著,正式提出復合地基的科學定義——天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強,或被置換,或在天然地基中設置加筋材料,加固區是由基體和增強體兩部分組成的人工地基。

“樁基礎,荷載通過基礎先傳遞給樁體,再通過樁體傳遞給地基土體。而復合地基,一部分荷載通過基礎直接傳遞給地基土體,另一部分通過樁體傳遞給地基土體”龔曉南說。

那么,復合地基中如何讓土能“直接”參與到荷載呢?龔曉南進一步研究發現,關鍵的一點是要實現“樁與土變形協調”。

具體有兩個辦法。對于建筑物等剛性基礎下的復合地基,可通過在基礎下合理設置墊層,或合理選擇持力層來保證樁土變形協調,共同承擔上部荷載。在剛性基礎下復合地基中設置砂石等柔性墊層,一方面可增加樁間土承擔荷載的比例,較充分利用樁間土的荷載潛能;另一方面也可改善樁體上端的受力狀態,這對水泥攪拌樁復合地基很有意義。

對于類似路堤工程等柔性基礎下的復合地基,樁間土和樁體一般可共同承擔上部荷載。但在荷載作用下地基土體首先承受較大荷載,并隨荷載增加率先進入極限狀態,而樁的承載力較難得到充分發揮。在路堤下復合地基中設置剛度較大的墊層,可有效增加復合地基中的樁體所承擔荷載的比例,發揮樁體的承載能力,提高復合地基承載力,有效減小復合地基的沉降。龔曉南多次強調,在采用樁體復合地基加固路堤工程時一定要重視設置剛度較大的墊層,沒有設置剛度較大墊層的樁體復合地基在路堤工程中應慎用。

在復合地基理論方面,龔曉南對復合地基的定義、形成條件和分類做了明確的規定,揭示了復合地基的荷載傳遞機理和位移場特性,提出了承載力和沉降分析理論,創建了復合地基理論體系,為復合地基的工程設計和應用提供了關鍵的理論支撐,被譽為我國復合地基發展的第一個里程碑。

新理論一出,立馬在業界引起了震動。1996年,由龔曉南組織的全國復合地基理論與實踐學術討論會在浙江杭州召開并將相關論文集出版,出版社定價80元一本,而當時城鎮職工一個月的工資也就六七百元。“我們都覺得定價太貴了,但出乎意料的是,會議開完已經買不著了。”龔曉南說,“當時人們不怕貴,因為這個是新東西,在工程中有用。”

一個工程,一個“方子”

從1990年到本世紀初的十多年里,復合地基的理論和技術隨著研究不斷深化。工程中遇到什么瓶頸難題,龔曉南團隊就研究什么,從需求出發,一步步解決,一步步突破。

這個理論指導實踐的過程,也讓建設方看到了復合地基的顯著優點,復合地基的應用從最初的建筑工程慢慢拓展到了公路、鐵路建設。但是單純的“復制粘貼”,直接把建筑中復合地基的計算方法應用到路堤工程中,也出現過一些安全事故。

問題癥結在哪里?團隊做了深入細致的研究,從模型試驗、數值分析,發現了路堤工程與建筑工程中復合地基的承載機理和變形特性有顯著差異。

隨后,團隊開展了大量理論研究,揭示了基礎剛度對復合地基工作性狀的影響機理,建立了路堤下復合地基計算分析理論,成功將復合地基應用從建筑工程拓寬到公路、鐵路等領域,可以說龔曉南的研究引領了整個行業發展。

“土是自然和歷史的產物,形成年代不同、區域不同,土體的成分構造不同。每一個工程所面臨的地質條件是千差萬別的,在大的理論框架下,我們還要對癥下藥,一個工程,一個‘方子’。”龔曉南說。

作為長三角一體化的重要大動脈,杭寧高速公路浙江段于2000年建造,跨越杭嘉湖平原,大部分地區為河相、湖相沉積,軟土分布范圍廣,軟土層厚度變化大。高速公路建設中既要處理好地基穩定性問題、有效控制工后沉降和沉降差,又要盡量減小在施工期對當地群眾交通的影響,難度很大。

由于特殊的地質地貌,這一路段一般線路多采用堆載預壓法處理,工程在對涵洞和通道地基如何處理上產生了困難。如果還是采用堆載預壓法處理,預壓完成后再進行開挖不僅工期長而且影響當地群眾交通;但如果采用樁基礎,雖然施工時間縮短,但是工程費用較大,而且與填土路堤連接處容易產生沉降差,形成顛簸出現“跳車”現象。

為了解決這一難題,龔曉南團隊提出,將原來涵洞和通道堆載預壓法處理改用低強度混凝土樁復合地基處理;同時在涵洞和通道二側設置采用復合地基處理的過渡段,通過改變復合地基的樁長和置換率,實現了復合地基和堆載預壓二種地基處理方法之間差異沉降的平緩過渡。龔曉南帶著團隊成員一起現場設計、實施、檢測與科研。這比原設計的塑料排水板堆載預壓處理方案的工期縮短了1年左右,而且不需要進行二次開挖,處理后路基工后沉降和不均勻沉降較小,有效地控制了“橋頭跳車”現象。

在杭寧高速上的防“跳車”經驗,如今普遍運用于軟土地基高速公路的路堤與橋頭連接處,通過復合地基處理過渡段,緩解差異沉降。

為什么在中國,復合地基這么受到歡迎?這是因為軟土地基承載力低、沉降量大,無法滿足工程建設要求;樁基礎在技術上可滿足要求,但造價高,難以在大面積地基處理中使用。我國作為一個發展中國家,建設資金短缺,這給復合地基理論和實踐的發展提供了很好的機遇。

經過長期研究,龔曉南團隊研發出系列高性能新型復合地基技術,滿足了不同類型的工程建設需要;研發了承載力高、沉降小、固結快的系列高性能復合樁體,單樁承載力提高30%~100%,造價降低30%~50%;研發了可實現樁土剛度與強度沿豎向優化的長短樁復合地基技術和剛柔性樁復合地基技術,比樁基礎降低造價20%~25%。

團隊還解決了軟弱黃土地區高速公路的路基工后差異沉降控制難題,已經應用于蘭海高速公路、尹中高速公路、巉柳高速公路等。

“復合地基技術已成為我省高速公路建設不可或缺的一項關鍵技術,得到了大面積的推廣和應用,取得了顯著的經濟效益和社會效益。”甘肅省交通運輸廳總工程師楊惠林在接受采訪時說。

為了能讓復合地基理論及關鍵技術更方便地應用于各類工程,龔曉南團隊建立了復合地基設計方法和技術標準,形成了復合地基工程應用體系,主編了復合地基領域第一部國家標準《復合地基技術規范》及其他主要規范,為復合地基設計、施工和檢測提供了全面的依據和支撐。同時,龔曉南非常重視應用推廣工作。他常說,自己是浙大教授,也是巖土工程師,以解決實際中的問題為自己的興趣。“如果現在有人說某個地方有什么問題,龔老師你來一下,我再忙也會去的。”

承擔了珠江三角洲大部分高速公路建設的廣東省公路建設有限公司總工程師吳玉剛在接受采訪時說,在珠江三角洲高速公路的建設中,復合地基得到了廣泛應用,在解決軟基高填方路堤的穩定、沉降及擴建公路路堤加寬沉降控制等方面發揮了巨大作用,有效提高了公路建設質量,縮短了建設工期,降低了工程造價。

30年如一日為工程服務

龔曉南是浙江省培養的第一位博士,也是中國巖土工程界培養的第一位博士。1986年,他前往德國Karlsruhe大學土力學與地下工程研究所進行博士后研究,1988年回國。

當回國后的龔曉南看到國家建設急需發展高效、經濟和快速的地基處理新技術時,就將研究重點轉到了復合地基。龔曉南說:“國家需要什么,我就研究什么。”

從1990年申請到國家自然科學基金項目“柔性樁復合地基承載力和變形計算與上部結構共同作用研究”開始,龔曉南就一頭扎了進去,勤勤懇懇地研究了近30年。從理論到實踐,再從實踐中凝練問題,理論再研究,這段路重復了無數次。

1992年龔曉南團隊來到位于寧波北侖的寧波善高化學有限公司工地現場上,團隊通過足尺試驗,研究了水泥攪拌樁的荷載傳遞規律。研究成果于1994年發表,至今已被他引480次。作為從工地里“跑出來”的理論成果,已經成為復合地基領域引用排名第一的論文。

此外,龔曉南在教學方面也投入了大量精力,他用30年來的理論研究和工程實踐成果改寫了教科書,使復合地基成為與淺基礎、樁基礎并列的土木工程三種主要地基基礎形式之一,并成為本科生和研究生教材與教學的重要內容、基礎類各種設計手冊和指南的重要章節,為行業人才培養發揮了重要作用。

龔曉南的學生、浙江大學建筑工程學院俞建霖博士說:“在指導過程中,龔老師非常強調的一點是要解決工程建設中的問題,實實在在地為工程建設服務。”

在研究生課程方面,龔曉南主講過六門課,其中有四五門課程是他開設的。這些課程建設過程中,龔曉南先上課,后逐步形成自己的教材。如《高等土力學》這一教材出版以后,十年后才陸續有其他老師出版相關教材。

很多教材是在點滴積累中匯聚而成的。1978年龔曉南到浙大讀研,導師曾國熙先生要求寫小論文,龔曉南一直堅持,讀研時寫讀書筆記,工作后結合工程寫“一題一議”。“我的老師比較強調寫論文,鼓勵我們多寫讀書筆記。《土塑性力學》就是由我在讀博士時的讀書筆記匯合而成。”龔曉南說,曾先生也非常重視工程實踐,常帶學生去工地,教會大家結合工程去學習。

談到這次獲獎,龔曉南說,團隊圍繞復合地基已經開展了30年的研究和實踐,這期間他本人指導關于復合地基領域的博士論文26篇,碩士論文28篇。這次獲獎,浙大方面的老師雖然只有3個人,但這26位博士、28位碩士,還有龔曉南的老師和同事都有貢獻。“我們三個只是代表,功勞是屬于整個大團隊的”。

土力學創始人太沙基在晚年曾說過這樣一句話:“土力學與其說是科學,不如說是藝術。”龔曉南也認為,巖土工程分析在很大程度上取決于工程師的判斷,具有很高的藝術性,巖土工程分析中應將藝術和技術美妙地結合起來。

與土打了大半輩子交道的龔曉南,深深愛著腳下的這片土地,他用他的藝術與技術讓這片土地能發揮更大的作用。他說:“這次拿獎了以后還要繼續做復合地基,因為研究是不可窮盡的,還會有新的問題等著我們去解決。”

(文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶)

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