研究地基30年,浙大这个团队拿下国家科学技术进步奖一等奖

发布时间:2019-01-09来源:浙江24小时编辑:吴雅兰 柯溢能 邱伊娜 卢绍庆 王湛38

广佛高速,我国最早的高速公路之一,1989年建成通车,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437437必赢注册建筑工程学院教授、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。

龚晓南及其团队用30年理论研究和工程实践,创建了复合地基理论体系,研发了系列高性能复合地基技术,形成了完整工程应用体系,实现了地基的快速、经济和高效处理。今年,这张“良方”获得了国家科学技术进步一等奖。

 一个定义打开研究死结

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。

传统地基处理方法如堆载预压法等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。

20世纪60年代,国外将采用碎石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,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。

1990年,龚晓南解开了这个结。他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。

“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。

两年后,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。

在复合地基中如何让土能“直接”参与到荷载分担呢?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,可以通过在基础下合理设置砂石等柔性垫层,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。

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,但地基土体首先承受较大荷载,桩的承载力较难得到充分发挥。设置刚度较大的垫层,就可以有效增加复合地基中的桩体所承担荷载的比例。

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。“大家都觉得定价太贵了,但出乎意料的是,会议开完已经买不着了。”龚晓南说,“当时人们不怕贵,因为这个是新东西,在工程中有用。”

一个工程,一个“方子”

随着复合地基理论的发展和技术研究的不断深化,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。

“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,大家还要对症下药,一个工程,一个‘方子’。”龚晓南说。

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。高速公路建设起来难度很大。

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,但这种方法在处理涵洞和通道地基上产生了困难。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,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。

工程中遇到什么瓶颈难题,龚晓南团队就研究什么。龚晓南立即带着团队成员一起现场设计、实施、检测与科研。在涵洞和通道地基上改用低强度混凝土桩复合地基处理,同时在涵洞和通道两侧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两种地基处理方法之间差异沉降的平缓过渡。

这样的方法将工期缩短了一年左右,且不需要进行二次开挖,同时有效地控制了“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。

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。

国家需要什么,我就研究什么

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。

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,急需地基处理新技术,龚晓南回国后,就将研究重点转到了复合地基。

“国家需要什么,我就研究什么。”龚晓南说。

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。

龚晓南常说,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。“如果现在有人说某个地方有什么问题,龚老师你来一下,我再忙也会去的。”

如今,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%

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、市政道路、港航、机场等领域,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。

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,这期间他本人引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。“大家三个只是代表,功劳是属于整个大团队的。”

“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大家去解决。”龚晓南说。


浙江24小时2019年1月8日

 


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