橋梁下方的“大柱子”、隱藏在路面底部的根基、建筑物的地基層……“樁”在我們生活中的應(yīng)用隨處可見。樁的應(yīng)用，最早可追溯至河姆渡文化。7000年前，為了適應(yīng)南方潮濕的環(huán)境，河姆渡人就開始使用樁基技術(shù)設(shè)計(jì)了干欄式房屋，既能夠臨水而居，同時(shí)也能通風(fēng)、防潮、防澇。

已有數(shù)千年使用歷史，很多人覺得的樁基技術(shù)太傳統(tǒng)了，“樁”沒什么可研究的。然而，鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院周同和團(tuán)隊(duì)卻在這一傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了十余年探索，首創(chuàng)出根固樁和擴(kuò)體樁技術(shù)，大幅提升了我國樁工技術(shù)現(xiàn)代化水平，填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)空白。近年來，項(xiàng)目研究成果在全國23個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)）得到快速推廣應(yīng)用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益超過116億元，累計(jì)減少碳排放量312萬噸。系列成果先后榮獲2019-2020年中國建筑學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，2021年建華工程獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，2021年河南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，并被國際土力學(xué)和巖土工程學(xué)會(huì)主席評(píng)價(jià)為“對中國乃至全球樁基工程技術(shù)的發(fā)展作出了卓有成效的貢獻(xiàn)，處于國際領(lǐng)先水平”。

“我們要讓‘剛’‘柔’得以相濟(jì)”

高樓、橋梁等建筑物動(dòng)輒數(shù)千萬噸，一般土層何以能夠荷載，而不深陷土中？這其中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是“打樁”。借助“樁”的力量，建筑物的荷載通過樁體傳送至深部地基深層而得以穩(wěn)固?！皹丁背袚?dān)著整個(gè)建筑物的重量，萬丈高樓平地起，樁基的重要性不言而喻。

然而樁基技術(shù)的發(fā)展歷時(shí)幾千年，傳統(tǒng)的樁基卻基本就兩種：灌注樁和預(yù)制樁。灌注樁是先在地上打孔，將土取出，再將混凝土灌注孔中。這種樁造價(jià)高、工期長，且孔壁松弛、泥皮、沉渣等都會(huì)影響承載效力。預(yù)制樁是提前預(yù)制好樁基，施工時(shí)利用打樁設(shè)備打入土中。然而，遇到硬土層時(shí)阻力大難以打入土層，樁身也會(huì)損傷或者斷裂等。遇到軟土層時(shí)會(huì)產(chǎn)生“擠土效應(yīng)”，樁體方向易傾斜、上浮。

如何提升樁基承載力，提升其工作性能？如何打破傳統(tǒng)困境，研發(fā)技術(shù)先進(jìn)、安全適用、節(jié)約優(yōu)先的樁基？周同和團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將傳統(tǒng)樁基技術(shù)與現(xiàn)代樁基理論相結(jié)合，研發(fā)出兩種新樁型：根固樁和擴(kuò)體樁。

“根固樁就是根部加固的意思?！敝芡蜕鷦?dòng)地說，“舉個(gè)例子，從人站立時(shí)的受力來看，我們的腿是樁，我們腿上穿個(gè)棉褲就是擴(kuò)體的概念，我們腳底下穿個(gè)大頭鞋，那就是根固的概念。”在樁體的端部設(shè)置擴(kuò)體，亦或注漿加固體，這樣樁體端部與土層的接觸面擴(kuò)大，從而能更充分調(diào)動(dòng)樁端好土層承載力，也能保證樁側(cè)阻力發(fā)揮，這就是根固樁。這種樁型，獲得了較大承載力的同時(shí)，也減少了資源消耗。

在施工中，經(jīng)常是將根固樁和擴(kuò)體樁結(jié)合使用?！皵U(kuò)體樁，實(shí)際也是一種根固樁。擴(kuò)體樁即根部和上部都要加固，給樁身也設(shè)置擴(kuò)體，在預(yù)制樁與土之間灌注柔性過渡體，例如砂漿混合料、水泥土混合料等?！毕仍诘孛娲蚩?，然后灌注砂漿混合料，再把預(yù)制樁打進(jìn)去。這樣一來，高強(qiáng)度、硬度的樁體和相對低硬度的土體之間就有了連續(xù)的界面，正所謂“剛?cè)岵荒芟酀?jì)”，有了連續(xù)界面做過渡，“剛”性強(qiáng)的樁身和“柔”性強(qiáng)的土體得以相濟(jì)，整體的承載強(qiáng)度也提高許多。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了長螺旋取土回拌水泥土擴(kuò)體工藝、取土高壓旋噴工藝等，在工藝工法上得以創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)擴(kuò)體樁施工工藝存在的質(zhì)量穩(wěn)定性差、泥漿排放大、水泥浪費(fèi)嚴(yán)重等問題?！俺思夹g(shù)理論、工藝工法，我們在樁體材料創(chuàng)新上也下了不少功夫?！眻F(tuán)隊(duì)介紹說。擴(kuò)體樁中灌注的材料不再是傳統(tǒng)的混凝土，而是優(yōu)化了水泥渣土混合料、砂漿混合料等擴(kuò)體材料配方，也研發(fā)廢磚、廢玻璃混凝土作為一種新型擴(kuò)體材料，實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，替代砂石料用量70%，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一。

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)估算，2020年用樁量達(dá)十億延米以上，總造價(jià)超過1萬億元。但與傳統(tǒng)灌注樁相比，根固樁和擴(kuò)體樁綜合造價(jià)降低了約20%-30%，減少碳排放量50%以上。與傳統(tǒng)預(yù)制樁相比，擴(kuò)體樁水平承載力提高了30%-50%，樁體豎向承載力提高70%-100%，承載力與抗震性能大幅提升的同時(shí)，節(jié)能減排優(yōu)勢更加明顯，突破了我國樁基領(lǐng)域長期以來的技術(shù)瓶頸。

“第一根樁芯三天三夜沒取出來”

“傳統(tǒng)學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展是很難的?！眻F(tuán)隊(duì)成員張景偉教授說。2010年以來，周同和團(tuán)隊(duì)開始傾心鉆研根固樁和擴(kuò)體樁技術(shù)，然而，十余年的創(chuàng)新之路中，剛開始遇到的，大多是否定的聲音。

作為地方院校的團(tuán)隊(duì)，他們面對著持續(xù)不斷的來自業(yè)界的質(zhì)疑聲，研究阻力較大。2010年，鄭州市建設(shè)綠地中心千璽廣場，“這算是我們研究的一個(gè)機(jī)遇?！敝芡徒榻B。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)受邀參與樁基工程建設(shè)方案的研究和咨詢工作，其中他們主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)樁的承載力試驗(yàn)咨詢和內(nèi)力測試工作。通過參與該項(xiàng)目的研究，周同和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的樁設(shè)計(jì)理念太落后，雖然理論成果較多，但工程應(yīng)用跟不上。

“當(dāng)時(shí)國內(nèi)最長的樁已經(jīng)長達(dá)100米，灌注100米，施工非常困難?！敝芡驼f。但是，長樁并不一定能很好地調(diào)動(dòng)深度土層的承載力。樁基工程領(lǐng)域，有一個(gè)經(jīng)典理論“樁端阻力和樁側(cè)阻力相互作用理論”，國內(nèi)研究成果頗豐，然而，建國以來，工程界卻很少應(yīng)用，導(dǎo)致的結(jié)果就是樁越設(shè)計(jì)越長。樁不一定要長的理念難以被接受，實(shí)踐到工程應(yīng)用上就是工程浪費(fèi)、工期長、樁體質(zhì)量難以保證、資源消耗大、生態(tài)環(huán)境破壞和污染嚴(yán)重?！拔覀冇胸?zé)任，也有能力解決這個(gè)問題?！敝芡蛨F(tuán)隊(duì)由此意識(shí)到研究推廣新理論對生產(chǎn)實(shí)踐的重要性。

鄭州三環(huán)快速化項(xiàng)目應(yīng)用再次成為團(tuán)隊(duì)研究并推廣技術(shù)的一大機(jī)遇。全長40公里的三環(huán)封閉環(huán)，其中一半以上是橋，需要建設(shè)大量橋樁、高架，總投資98個(gè)億的項(xiàng)目，其中18個(gè)億是樁基的造價(jià)，占總造價(jià)20%左右。

項(xiàng)目指揮部領(lǐng)導(dǎo)提出來，“樁的造價(jià)占比如此高？有沒有可能把造價(jià)適當(dāng)下降？”周同和團(tuán)隊(duì)參與了項(xiàng)目咨詢會(huì)，會(huì)議結(jié)束以后，專家們已形成意見，認(rèn)為：“根固樁技術(shù)可行，可以實(shí)施?！比欢瑢?shí)施時(shí)，卻沒有設(shè)計(jì)院愿意采用。周同和團(tuán)隊(duì)決定用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去說服他們。

于是，團(tuán)隊(duì)在三環(huán)設(shè)立了8個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)?！拔矣∠蠓浅Ｉ羁痰钠渲幸粋€(gè)試驗(yàn)點(diǎn)是新鄭路試驗(yàn)點(diǎn)，無水無電。為了做試驗(yàn)，我們每天早上向?yàn)⑺噹煾到杷⒗l(fā)電機(jī)發(fā)電?！睆埦皞セ貞浀?。其中一個(gè)試驗(yàn)需要對比測量根固樁和普通灌注樁的承載效果，需要取樁芯。

“在地下50米左右取芯非常困難，我們?nèi)〉谝桓緯r(shí)，三天三夜沒有取出來，不是沒有取成功，就是打偏了，或者鉆頭都?jí)牧??！睆埦皞セ貞洰?dāng)時(shí)的艱難說。7月酷暑，炎熱的天氣和試驗(yàn)瓶頸考驗(yàn)著團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)成員。周同和鼓勵(lì)大家“我們再試試，咱再努力一把，不要放棄”。于是，團(tuán)隊(duì)又發(fā)明了專門的鉆頭，在鉆頭周邊做了定位系統(tǒng)，最終取出第一根樁芯，花了整整四天四夜。

除了試驗(yàn)困難，試驗(yàn)的危險(xiǎn)性也是考驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的問題。在做樁體水平和豎向承載力試驗(yàn)時(shí)，為了能夠模擬實(shí)際受力狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)，樁既要承載豎向幾千噸的承載力，也要負(fù)荷橫向幾百噸的水平力，一旦出現(xiàn)試驗(yàn)裝置失穩(wěn)，后果不堪設(shè)想。拿出多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，多次說服，根固樁設(shè)計(jì)理念才得以被設(shè)計(jì)單位接受。承擔(dān)了三環(huán)快速樁基工程優(yōu)化的工作后，團(tuán)隊(duì)獲得研究經(jīng)費(fèi)4070萬元，最終成果是將長樁“砍”成短樁，把原來六、七十米的樁改為四、五十米，縮短工期近3個(gè)月時(shí)間，共節(jié)省工程造價(jià)6個(gè)多億。

該項(xiàng)目完成后，團(tuán)隊(duì)還先后承擔(dān)了鄭州南三環(huán)東延、107輔道高架等大型市政工程項(xiàng)目。其中，鄭州107輔道快速路工程采用團(tuán)隊(duì)技術(shù)成果，共降低工程量25%，減少碳排放量7.4萬噸，直接經(jīng)濟(jì)效益3.13億元。

“做研究要有定力和韌性，耐得住寂寞，坐得住冷板凳”

“我們過去發(fā)表一篇論文都很困難，我博士都差點(diǎn)沒法畢業(yè)?！睆埦皞フ{(diào)侃道。長期以來，大多數(shù)人認(rèn)為“樁”過于傳統(tǒng)，這一傳統(tǒng)技術(shù)并沒有創(chuàng)新研究的價(jià)值。

十年前，團(tuán)隊(duì)沒有實(shí)驗(yàn)室，成為研究的一大困難。缺乏實(shí)驗(yàn)條件，團(tuán)隊(duì)就自主創(chuàng)造，鄭州大學(xué)北校區(qū)南門的破廠房就曾成為他們改造的試驗(yàn)場地。把工程理論轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，更需要人們接受這一創(chuàng)新創(chuàng)新技術(shù)。剛開始只有一部分人模棱兩可地認(rèn)為這個(gè)技術(shù)可以，但支持者甚少。面對困境，周同和態(tài)度很堅(jiān)定，“做研究要有自己的研究定力?！薄霸匐y可以先放一放，但不能繞開它，不能躲過去也不能退回去。”……成果不被認(rèn)可，就反復(fù)宣講；沒有條件，就創(chuàng)造條件。在大大小小的學(xué)術(shù)會(huì)議上、各種工程項(xiàng)目中，他們講述團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新理念和研究成果，逐漸贏得了人們的認(rèn)可與支持。他們不斷創(chuàng)新，披荊斬棘，走出了一條前人尚未開拓、不愿開拓的路，在樁基工程歷史上起到了里程碑的作用。

目前，團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目成果在全國23個(gè)省、市、自治區(qū)建筑與市政、鐵路與公路交通、水利、電力等工程中推廣應(yīng)用，京滬高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目、京雄高鐵建設(shè)、中原大數(shù)據(jù)中心、鄭州金融島、綠地濱湖國際城……

面對時(shí)代賦予的創(chuàng)新重任，團(tuán)隊(duì)靜心篤志、心無旁騖，甘坐“冷板凳”，付出了十年磨一劍的苦功夫。團(tuán)隊(duì)預(yù)測，未來5-10年，根固樁、擴(kuò)體樁將占整個(gè)市場的70%-80%以上。周同和也充滿信心“以預(yù)制樁樁為主，以灌注樁為輔的這樣一個(gè)新的局面，必然會(huì)引起工程界的極大興趣！”

如今，周同和團(tuán)隊(duì)獲得國家授權(quán)專利49件，其中發(fā)明專利21件，主編相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)，其中國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)，國家級(jí)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。然而，在國內(nèi)全面應(yīng)用并不是團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)，“我們希望根固樁和擴(kuò)體樁走向世界！”周同和教授自信地說。（李艷麗 陶秋俠 撰稿）

水利與土木工程學(xué)院周同和教授

工程現(xiàn)場

成果應(yīng)用項(xiàng)目之一鄭州金融島