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    30年创新实践,为地基处理开出“良方”

    天津时时彩开奖 www.8hs9.com.cn 发布时间:2019-01-08来源:浙大新闻办作者:柯溢能 吴雅兰 卢绍庆943

    广佛高速,我国最早的高速公路之一,是广州到佛山的陆运大通道。

    不曾想,因为车流量实在太大,原有的四车道在运行仅8年后,就无法满足运力。拓宽公路,第一步就是新旧地基的融合及处理。如何最少时间、最低成本、最大效果地实现六至八车道拓宽,成为当时横亘在这条高速公路上的重要卡口。

    这个卡脖子难题最终被浙江大学建筑工程学院教授、中国工程院院士龚晓南及其团队创建的地基处理“良方”——复合地基处理技术所攻克。

    地基是工程建设项目的重中之重。地基稳不稳,牢不牢,不仅直接关系到项目的安全和使用,而且对建设速度、工程造价有着不小的影响。因此,地基处理是土木工程建设中最活跃的领域之一,研发高性能地基处理新技术是工程建设的重大需求。

    “国家的需要就是我们的研究方向?!惫ㄏ霞捌渫哦映稍?,历时30年的理论研究和工程实践,从基础理论到设计和施工指南,再到技术标准、工程应用,形成了一套完整的工程应用体系,极大地推动了复合地基新技术的发展和在各工程建设领域的广泛应用。

    这套复合地基理论与技术始终处于国际领先地位,被广泛应用于建筑工程、高速公路、高速铁路、市政道路、港航、机场等工程建设领域,包括京津城际高速铁路、京沪高速铁路、杭宁高速公路、乍嘉苏高速公路等重大工程。近3年里,仅提供应用证明的工程就新增利润和节约工程造价达35.38亿元。 

    一个定义打开研究死结

    我国地域辽阔,工程地质条件复杂,改革开放以来,工程建设规模日益扩大,因而在具体建设中,遇到越来越多的软弱地基或不良地基问题。

    传统地基处理方法难以满足高承载力与稳定性、低工后沉降和快速的地基处理要求,而桩基础的承载力高、沉降小,但造价高,难以在大面积地基处理中使用。

    有没有价廉物美的地基处理方法呢?也不是没有。在此之前的20世纪60年代,国外将采用碎石桩等散体材料桩加固的人工地基称为复合地基。随着我国工程建设的发展,国内工程界和学术界对于复合地基的认识不断深入和发展。与此同时,随着水泥土等柔性桩和钢筋混凝土等刚性桩技术在工程中的应用,什么是复合地基在当时引起了很大的争论。

    焦点问题是,水泥土桩和钢筋混凝土桩的弹性模量比地基土体高了几个数量级,桩和土还能共同作用形成复合地基吗?在复合地基技术应用初期还存在荷载传递机理不明,设计方法欠妥,工程安全度差,工程事故多发等问题急需解决,基础理论研究仿佛打了个死结。这个时候,龚晓南站出来打开了这个结。1990年,龚晓南通过荷载传递机理分析,首次总结出复合地基的本质是在荷载的作用下,桩和桩间土能够共同直接承担上部荷载,这也是复合地基与浅基础和桩基础之间的主要区别。

    1992年,龚晓南出版复合地基领域第一部专著,正式提出复合地基的科学定义——天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基。

    “桩基础,荷载通过基础先传递给桩体,再通过桩体传递给地基土体。而复合地基,一部分荷载通过基础直接传递给地基土体,另一部分通过桩体传递给地基土体”龚晓南说。

    那么,复合地基中如何让土能“直接”参与到荷载呢?龚晓南进一步研究发现,关键的一点是要实现“桩与土变形协调”。

    具体有两个办法。对于建筑物等刚性基础下的复合地基,可通过在基础下合理设置垫层,或合理选择持力层来保证桩土变形协调,共同承担上部荷载。在刚性基础下复合地基中设置砂石等柔性垫层,一方面可增加桩间土承担荷载的比例,较充分利用桩间土的荷载潜能;另一方面也可改善桩体上端的受力状态,这对水泥搅拌桩复合地基很有意义。

    对于类似路堤工程等柔性基础下的复合地基,桩间土和桩体一般可共同承担上部荷载。但在荷载作用下地基土体首先承受较大荷载,并随荷载增加率先进入极限状态,而桩的承载力较难得到充分发挥。在路堤下复合地基中设置刚度较大的垫层,可有效增加复合地基中的桩体所承担荷载的比例,发挥桩体的承载能力,提高复合地基承载力,有效减小复合地基的沉降。龚晓南多次强调,在采用桩体复合地基加固路堤工程时一定要重视设置刚度较大的垫层,没有设置刚度较大垫层的桩体复合地基在路堤工程中应慎用。

    在复合地基理论方面,龚晓南对复合地基的定义、形成条件和分类做了明确的规定,揭示了复合地基的荷载传递机理和位移场特性,提出了承载力和沉降分析理论,创建了复合地基理论体系,为复合地基的工程设计和应用提供了关键的理论支撑,被誉为我国复合地基发展的第一个里程碑。

    新理论一出,立马在业界引起了震动。1996年,由龚晓南组织的全国复合地基理论与实践学术讨论会在浙江杭州召开并将相关论文集出版,出版社定价80元一本,而当时城镇职工一个月的工资也就六七百元?!拔颐嵌季醯枚厶罅?,但出乎意料的是,会议开完已经买不着了?!惫ㄏ纤?,“当时人们不怕贵,因为这个是新东西,在工程中有用?!?/p>

    一个工程,一个“方子”

    从1990年到本世纪初的十多年里,复合地基的理论和技术随着研究不断深化。工程中遇到什么瓶颈难题,龚晓南团队就研究什么,从需求出发,一步步解决,一步步突破。

    这个理论指导实践的过程,也让建设方看到了复合地基的显著优点,复合地基的应用从最初的建筑工程慢慢拓展到了公路、铁路建设。但是单纯的“复制粘贴”,直接把建筑中复合地基的计算方法应用到路堤工程中,也出现过一些安全事故。

    问题症结在哪里?团队做了深入细致的研究,从模型试验、数值分析,发现了路堤工程与建筑工程中复合地基的承载机理和变形特性有显著差异。

    随后,团队开展了大量理论研究,揭示了基础刚度对复合地基工作性状的影响机理,建立了路堤下复合地基计算分析理论,成功将复合地基应用从建筑工程拓宽到公路、铁路等领域,可以说龚晓南的研究引领了整个行业发展。

    “土是自然和历史的产物,形成年代不同、区域不同,土体的成分构造不同。每一个工程所面临的地质条件是千差万别的,在大的理论框架下,我们还要对症下药,一个工程,一个‘方子’?!惫ㄏ纤?。

    作为长三角一体化的重要大动脉,杭宁高速公路浙江段于2000年建造,跨越杭嘉湖平原,大部分地区为河相、湖相沉积,软土分布范围广,软土层厚度变化大。高速公路建设中既要处理好地基稳定性问题、有效控制工后沉降和沉降差,又要尽量减小在施工期对当地群众交通的影响,难度很大。

    由于特殊的地质地貌,这一路段一般线路多采用堆载预压法处理,工程在对涵洞和通道地基如何处理上产生了困难。如果还是采用堆载预压法处理,预压完成后再进行开挖不仅工期长而且影响当地群众交通;但如果采用桩基础,虽然施工时间缩短,但是工程费用较大,而且与填土路堤连接处容易产生沉降差,形成颠簸出现“跳车”现象。

    为了解决这一难题,龚晓南团队提出,将原来涵洞和通道堆载预压法处理改用低强度混凝土桩复合地基处理;同时在涵洞和通道二侧设置采用复合地基处理的过渡段,通过改变复合地基的桩长和置换率,实现了复合地基和堆载预压二种地基处理方法之间差异沉降的平缓过渡。龚晓南带着团队成员一起现场设计、实施、检测与科研。这比原设计的塑料排水板堆载预压处理方案的工期缩短了1年左右,而且不需要进行二次开挖,处理后路基工后沉降和不均匀沉降较小,有效地控制了“桥头跳车”现象。

    在杭宁高速上的防“跳车”经验,如今普遍运用于软土地基高速公路的路堤与桥头连接处,通过复合地基处理过渡段,缓解差异沉降。

    为什么在中国,复合地基这么受到欢迎?这是因为软土地基承载力低、沉降量大,无法满足工程建设要求;桩基础在技术上可满足要求,但造价高,难以在大面积地基处理中使用。我国作为一个发展中国家,建设资金短缺,这给复合地基理论和实践的发展提供了很好的机遇。

    经过长期研究,龚晓南团队研发出系列高性能新型复合地基技术,满足了不同类型的工程建设需要;研发了承载力高、沉降小、固结快的系列高性能复合桩体,单桩承载力提高30%~100%,造价降低30%~50%;研发了可实现桩土刚度与强度沿竖向优化的长短桩复合地基技术和刚柔性桩复合地基技术,比桩基础降低造价20%~25%。

    团队还解决了软弱黄土地区高速公路的路基工后差异沉降控制难题,已经应用于兰海高速公路、尹中高速公路、巉柳高速公路等。

    “复合地基技术已成为我省高速公路建设不可或缺的一项关键技术,得到了大面积的推广和应用,取得了显著的经济效益和社会效益?!备仕嗍〗煌ㄔ耸涮芄こ淌ρ罨萘衷诮邮懿煞檬彼?。

    为了能让复合地基理论及关键技术更方便地应用于各类工程,龚晓南团队建立了复合地基设计方法和技术标准,形成了复合地基工程应用体系,主编了复合地基领域第一部国家标准《复合地基技术规范》及其他主要规范,为复合地基设计、施工和检测提供了全面的依据和支撑。同时,龚晓南非常重视应用推广工作。他常说,自己是浙大教授,也是岩土工程师,以解决实际中的问题为自己的兴趣?!叭绻衷谟腥怂的掣龅胤接惺裁次侍?,龚老师你来一下,我再忙也会去的?!?/p>

    承担了珠江三角洲大部分高速公路建设的广东省公路建设有限公司总工程师吴玉刚在接受采访时说,在珠江三角洲高速公路的建设中,复合地基得到了广泛应用,在解决软基高填方路堤的稳定、沉降及扩建公路路堤加宽沉降控制等方面发挥了巨大作用,有效提高了公路建设质量,缩短了建设工期,降低了工程造价。

    30年如一日为工程服务

    龚晓南是浙江省培养的第一位博士,也是中国岩土工程界培养的第一位博士。1986年,他前往德国Karlsruhe大学土力学与地下工程研究所进行博士后研究,1988年回国。

    当回国后的龚晓南看到国家建设急需发展高效、经济和快速的地基处理新技术时,就将研究重点转到了复合地基。龚晓南说:“国家需要什么,我就研究什么?!?/p>

    从1990年申请到国家自然科学基金项目“柔性桩复合地基承载力和变形计算与上部结构共同作用研究”开始,龚晓南就一头扎了进去,勤勤恳恳地研究了近30年。从理论到实践,再从实践中凝练问题,理论再研究,这段路重复了无数次。

    1992年龚晓南团队来到位于宁波北仑的宁波善高化学有限公司工地现场上,团队通过足尺试验,研究了水泥搅拌桩的荷载传递规律。研究成果于1994年发表,至今已被他引480次。作为从工地里“跑出来”的理论成果,已经成为复合地基领域引用排名第一的论文。

    此外,龚晓南在教学方面也投入了大量精力,他用30年来的理论研究和工程实践成果改写了教科书,使复合地基成为与浅基础、桩基础并列的土木工程三种主要地基基础形式之一,并成为本科生和研究生教材与教学的重要内容、基础类各种设计手册和指南的重要章节,为行业人才培养发挥了重要作用。

    龚晓南的学生、浙江大学建筑工程学院俞建霖博士说:“在指导过程中,龚老师非常强调的一点是要解决工程建设中的问题,实实在在地为工程建设服务?!?/p>

    在研究生课程方面,龚晓南主讲过六门课,其中有四五门课程是他开设的。这些课程建设过程中,龚晓南先上课,后逐步形成自己的教材。如《高等土力学》这一教材出版以后,十年后才陆续有其他老师出版相关教材。

    很多教材是在点滴积累中汇聚而成的。1978年龚晓南到浙大读研,导师曾国熙先生要求写小论文,龚晓南一直坚持,读研时写读书笔记,工作后结合工程写“一题一议”?!拔业睦鲜Ρ冉锨康餍绰畚?,鼓励我们多写读书笔记?!锻了苄粤ρА肪褪怯晌以诙敛┦渴钡亩潦楸始腔愫隙??!惫ㄏ纤?,曾先生也非常重视工程实践,常带学生去工地,教会大家结合工程去学习。

    谈到这次获奖,龚晓南说,团队围绕复合地基已经开展了30年的研究和实践,这期间他本人指导关于复合地基领域的博士论文26篇,硕士论文28篇。这次获奖,浙大方面的老师虽然只有3个人,但这26位博士、28位硕士,还有龚晓南的老师和同事都有贡献?!拔颐侨鲋皇谴?,功劳是属于整个大团队的”。

    土力学创始人太沙基在晚年曾说过这样一句话:“土力学与其说是科学,不如说是艺术?!惫ㄏ弦踩衔?,岩土工程分析在很大程度上取决于工程师的判断,具有很高的艺术性,岩土工程分析中应将艺术和技术美妙地结合起来。

    与土打了大半辈子交道的龚晓南,深深爱着脚下的这片土地,他用他的艺术与技术让这片土地能发挥更大的作用。他说:“这次拿奖了以后还要继续做复合地基,因为研究是不可穷尽的,还会有新的问题等着我们去解决?!?/p>

    (文 柯溢能 吴雅兰/摄影 卢绍庆)

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