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”在我們生活中的應用隨處可見(jiàn)。樁的應用，最早可追溯至河姆渡文化。7000年前，為了適應南方潮濕的環(huán)境，河姆渡人就開(kāi)始使用樁基技術(shù)設計了干欄式房屋，既能夠臨水而居，同時(shí)也能通風(fēng)、防潮、防澇。

已有數千年使用歷史，很多人覺(jué)得的樁基技術(shù)太傳統了，“樁”沒(méi)什么可研究的。然而，鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院周同和團隊卻在這一傳統技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了十余年探索，首創(chuàng )出根固樁和擴體樁技術(shù)，大幅提升了我國樁工技術(shù)現代化水平，填補了多項國內空白。近年來(lái)，項目研究成果在全國23個(gè)省（市、自治區）得到快速推廣應用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益超過(guò)116億元，累計減少碳排放量312萬(wàn)噸。系列成果先后榮獲2019-2020年中國建筑學(xué)會(huì )科技進(jìn)步獎一等獎，2021年建華工程獎一等獎，2021年河南省科技進(jìn)步獎一等獎，并被國際土力學(xué)和巖土工程學(xué)會(huì )主席評價(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，處于國際領(lǐng)先水平”。

“我們要讓‘剛’‘柔’得以相濟”

高樓、橋梁等建筑物動(dòng)輒數千萬(wàn)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(guò)樁體傳送至深部地基深層而得以穩固。“樁”承擔著(zhù)整個(gè)建筑物的重量，萬(wàn)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，傳統的樁基卻基本就兩種：灌注樁和預制樁。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(cháng)，且孔壁松弛、泥皮、沉渣等都會(huì )影響承載效力。預制樁是提前預制好樁基，施工時(shí)利用打樁設備打入土中。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”，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？如何打破傳統困境，研發(fā)技術(shù)先進(jìn)、安全適用、節約優(yōu)先的樁基？周同和團隊另辟蹊徑，將傳統樁基技術(shù)與現代樁基理論相結合，研發(fā)出兩種新樁型：根固樁和擴體樁。

“根固樁就是根部加固的意思。”周同和生動(dòng)地說(shuō)，“舉個(gè)例子，從人站立時(shí)的受力來(lái)看，我們的腿是樁，我們腿上穿個(gè)棉褲就是擴體的概念，我們腳底下穿個(gè)大頭鞋，那就是根固的概念。”在樁體的端部設置擴體，亦或注漿加固體，這樣樁體端部與土層的接觸面擴大，從而能更充分調動(dòng)樁端好土層承載力，也能保證樁側阻力發(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)常是將根固樁和擴體樁結合使用。“擴體樁，實(shí)際也是一種根固樁。擴體樁即根部和上部都要加固，給樁身也設置擴體，在預制樁與土之間灌注柔性過(guò)渡體，例如砂漿混合料、水泥土混合料等。”先在地面打孔，然后灌注砂漿混合料，再把預制樁打進(jìn)去。這樣一來(lái)，高強度、硬度的樁體和相對低硬度的土體之間就有了連續的界面，正所謂“剛柔不能相濟”，有了連續界面做過(guò)渡，“剛”性強的樁身和“柔”性強的土體得以相濟，整體的承載強度也提高許多。

團隊還發(fā)明了長(cháng)螺旋取土回拌水泥土擴體工藝、取土高壓旋噴工藝等，在工藝工法上得以創(chuàng )新，解決了傳統擴體樁施工工藝存在的質(zhì)量穩定性差、泥漿排放大、水泥浪費嚴重等問(wèn)題。“除了技術(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。”團隊介紹說(shuō)。擴體樁中灌注的材料不再是傳統的混凝土，而是優(yōu)化了水泥渣土混合料、砂漿混合料等擴體材料配方，也研發(fā)廢磚、廢玻璃混凝土作為一種新型擴體材料，實(shí)現了廢棄物資源化利用，替代砂石料用量70%，達到經(jīng)濟效益和社會(huì )效益的統一。

據國家統計局發(fā)布數據估算，2020年用樁量達十億延米以上，總造價(jià)超過(guò)1萬(wàn)億元。但與傳統灌注樁相比，根固樁和擴體樁綜合造價(jià)降低了約20%-30%，減少碳排放量50%以上。與傳統預制樁相比，擴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)，節能減排優(yōu)勢更加明顯，突破了我國樁基領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)的技術(shù)瓶頸。

“第一根樁芯三天三夜沒(méi)取出來(lái)”

“傳統學(xué)科創(chuàng )新發(fā)展是很難的。”團隊成員張景偉教授說(shuō)。2010年以來(lái)，周同和團隊開(kāi)始傾心鉆研根固樁和擴體樁技術(shù)，然而，十余年的創(chuàng )新之路中，剛開(kāi)始遇到的，大多是否定的聲音。

作為地方院校的團隊，他們面對著(zhù)持續不斷的來(lái)自業(yè)界的質(zhì)疑聲，研究阻力較大。2010年，鄭州市建設綠地中心千璽廣場(chǎng)，“這算是我們研究的一個(gè)機遇。”周同和介紹。當時(shí)，團隊受邀參與樁基工程建設方案的研究和咨詢(xún)工作，其中他們主要負責實(shí)驗樁的承載力試驗咨詢(xún)和內力測試工作。通過(guò)參與該項目的研究，周同和團隊發(fā)現，國內的樁設計理念太落后，雖然理論成果較多，但工程應用跟不上。

“當時(shí)國內最長(cháng)的樁已經(jīng)長(cháng)達100米，灌注100米，施工非常困難。”周同和說(shuō)。但是，長(cháng)樁并不一定能很好地調動(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“樁端阻力和樁側阻力相互作用理論”，國內研究成果頗豐，然而，建國以來(lái)，工程界卻很少應用，導致的結果就是樁越設計越長(cháng)。樁不一定要長(cháng)的理念難以被接受，實(shí)踐到工程應用上就是工程浪費、工期長(cháng)、樁體質(zhì)量難以保證、資源消耗大、生態(tài)環(huán)境破壞和污染嚴重。“我們有責任，也有能力解決這個(gè)問(wèn)題。”周同和團隊由此意識到研究推廣新理論對生產(chǎn)實(shí)踐的重要性。

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

項目指揮部領(lǐng)導提出來(lái)，“樁的造價(jià)占比如此高？有沒(méi)有可能把造價(jià)適當下降？”周同和團隊參與了項目咨詢(xún)會(huì )，會(huì )議結束以后，專(zhuān)家們已形成意見(jiàn)，認為：“根固樁技術(shù)可行，可以實(shí)施。”然而，實(shí)施時(shí)，卻沒(méi)有設計院愿意采用。周同和團隊決定用實(shí)驗數據去說(shuō)服他們。

于是，團隊在三環(huán)設立了8個(gè)實(shí)驗點(diǎn)。“我印象非常深刻的其中一個(gè)試驗點(diǎn)是新鄭路試驗點(diǎn)，無(wú)水無(wú)電。為了做試驗，我們每天早上向灑水車(chē)師傅借水、拉發(fā)電機發(fā)電。”張景偉回憶道。其中一個(gè)試驗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，我們取第一根芯時(shí)，三天三夜沒(méi)有取出來(lái)，不是沒(méi)有取成功，就是打偏了，或者鉆頭都壞了。”張景偉回憶當時(shí)的艱難說(shuō)。7月酷暑，炎熱的天氣和試驗瓶頸考驗著(zhù)團隊的每一個(gè)成員。周同和鼓勵大家“我們再試試，咱再努力一把，不要放棄”。于是，團隊又發(fā)明了專(zhuān)門(mén)的鉆頭，在鉆頭周邊做了定位系統，最終取出第一根樁芯，花了整整四天四夜。

除了試驗困難，試驗的危險性也是考驗團隊的問(wèn)題。在做樁體水平和豎向承載力試驗時(shí)，為了能夠模擬實(shí)際受力狀態(tài)試驗時(shí)，樁既要承載豎向幾千噸的承載力，也要負荷橫向幾百?lài)嵉乃搅Γ坏┏霈F試驗裝置失穩，后果不堪設想。拿出多項實(shí)驗的結果，多次說(shuō)服，根固樁設計理念才得以被設計單位接受。承擔了三環(huán)快速樁基工程優(yōu)化的工作后，團隊獲得研究經(jīng)費4070萬(wàn)元，最終成果是將長(cháng)樁“砍”成短樁，把原來(lái)六、七十米的樁改為四、五十米，縮短工期近3個(gè)月時(shí)間，共節省工程造價(jià)6個(gè)多億。

該項目完成后，團隊還先后承擔了鄭州南三環(huán)東延、107輔道高架等大型市政工程項目。其中，鄭州107輔道快速路工程采用團隊技術(shù)成果，共降低工程量25%，減少碳排放量7.4萬(wàn)噸，直接經(jīng)濟效益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(guò)去發(fā)表一篇論文都很困難，我博士都差點(diǎn)沒(méi)法畢業(yè)。”張景偉調侃道。長(cháng)期以來(lái)，大多數人認為“樁”過(guò)于傳統，這一傳統技術(shù)并沒(méi)有創(chuàng )新研究的價(jià)值。

十年前，團隊沒(méi)有實(shí)驗室，成為研究的一大困難。缺乏實(shí)驗條件，團隊就自主創(chuàng )造，鄭州大學(xué)北校區南門(mén)的破廠(chǎng)房就曾成為他們改造的試驗場(chǎng)地。把工程理論轉化為生產(chǎn)力，更需要人們接受這一創(chuàng )新創(chuàng )新技術(shù)。剛開(kāi)始只有一部分人模棱兩可地認為這個(gè)技術(shù)可以，但支持者甚少。面對困境，周同和態(tài)度很堅定，“做研究要有自己的研究定力。”“再難可以先放一放，但不能繞開(kāi)它，不能躲過(guò)去也不能退回去。”……成果不被認可，就反復宣講；沒(méi)有條件，就創(chuàng )造條件。在大大小小的學(xué)術(shù)會(huì )議上、各種工程項目中，他們講述團隊的創(chuàng )新理念和研究成果，逐漸贏(yíng)得了人們的認可與支持。他們不斷創(chuàng )新，披荊斬棘，走出了一條前人尚未開(kāi)拓、不愿開(kāi)拓的路，在樁基工程歷史上起到了里程碑的作用。

目前，團隊項目成果在全國23個(gè)省、市、自治區建筑與市政、鐵路與公路交通、水利、電力等工程中推廣應用，京滬高速公路改擴建項目、京雄高鐵建設、中原大數據中心、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，團隊靜心篤志、心無(wú)旁騖，甘坐“冷板凳”，付出了十年磨一劍的苦功夫。團隊預測，未來(lái)5-10年，根固樁、擴體樁將占整個(gè)市場(chǎng)的70%-80%以上。周同和也充滿(mǎn)信心“以預制樁樁為主，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，周同和團隊獲得國家授權專(zhuān)利49件，其中發(fā)明專(zhuān)利21件，主編相關(guān)技術(shù)標準7項，其中國家行業(yè)標準3項，國家級團體標準3項。然而，在國內全面應用并不是團隊的最終目標，“我們希望根固樁和擴體樁走向世界！”周同和教授自信地說(shuō)。（李艷麗 陶秋俠 撰稿）

水利與土木工程學(xué)院周同和教授

工程現場(chǎng)

成果應用項目之一鄭州金融島