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)計了干欄式房屋,，既能夠臨水而居,，同時也能通風(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)院周同和團隊卻在這一傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域進行了十余年探索,，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(xiàn)代化水平，填補了多項國內(nèi)空白,。近年來,，項目研究成果在全國23個省（市,、自治區(qū)）得到快速推廣應(yīng)用,，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益超過116億元，累計減少碳排放量312萬噸,。系列成果先后榮獲2019-2020年中國建筑學(xué)會科技進步獎一等獎,，2021年建華工程獎一等獎,，2021年河南省科技進步獎一等獎，并被國際土力學(xué)和巖土工程學(xué)會主席評價為“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？這其中的一個關(guān)鍵點就是“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。這種樁造價高,、工期長,，且孔壁松弛、泥皮,、沉渣等都會影響承載效力,。預(yù)制樁是提前預(yù)制好樁基，施工時利用打樁設(shè)備打入土中,。然而,，遇到硬土層時阻力大難以打入土層，樁身也會損傷或者斷裂等,。遇到軟土層時會產(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,、安全適用、節(jié)約優(yōu)先的樁基,？周同和團隊另辟蹊徑,，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：根固樁和擴體樁。

“根固樁就是根部加固的意思,。”周同和生動地說,，“舉個例子,，從人站立時的受力來看，我們的腿是樁,，我們腿上穿個棉褲就是擴體的概念,，我們腳底下穿個大頭鞋，那就是根固的概念,?！痹跇扼w的端部設(shè)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(diào)動樁端好土層承載力，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,，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(jié)合使用,?！皵U體樁，實際也是一種根固樁,。擴體樁即根部和上部都要加固,，給樁身也設(shè)置擴體，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)制樁打進去,。這樣一來,，高強度、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?，有了連續(xù)界面做過渡,，“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(tǒng)擴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,。”團隊介紹說,。擴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，實現(xiàn)了廢棄物資源化利用,，替代砂石料用量70%,，達到經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一。

據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)估算,，2020年用樁量達十億延米以上,，總造價超過1萬億元。但與傳統(tǒng)灌注樁相比,，根固樁和擴體樁綜合造價降低了約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,，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隊成員張景偉教授說。2010年以來，周同和團隊開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機遇?！敝芡徒榻B,。當(dāng)時，團隊受邀參與樁基工程建設(shè)方案的研究和咨詢工作,，其中他們主要負責(zé)實驗樁的承載力試驗咨詢和內(nèi)力測試工作,。通過參與該項目的研究，周同和團隊發(fā)現(xiàn),，國內(nèi)的樁設(shè)計理念太落后,，雖然理論成果較多，但工程應(yīng)用跟不上,。

“當(dāng)時國內(nèi)最長的樁已經(jīng)長達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)動深度土層的承載力,。樁基工程領(lǐng)域，有一個經(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)計越長。樁不一定要長的理念難以被接受,，實踐到工程應(yīng)用上就是工程浪費,、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,。“我們有責(zé)任,，也有能力解決這個問題,。”周同和團隊由此意識到研究推廣新理論對生產(chǎn)實踐的重要性,。

鄭州三環(huán)快速化項目應(yīng)用再次成為團隊研究并推廣技術(shù)的一大機遇,。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個億的項目,，其中18個億是樁基的造價,，占總造價20%左右。

項目指揮部領(lǐng)導(dǎo)提出來,，“樁的造價占比如此高,？有沒有可能把造價適當(dāng)下降？”周同和團隊參與了項目咨詢會,，會議結(jié)束以后,，專家們已形成意見，認為：“根固樁技術(shù)可行,，可以實施,。”然而,，實施時,，卻沒有設(shè)計院愿意采用。周同和團隊決定用實驗數(shù)據(jù)去說服他們,。

于是,，團隊在三環(huán)設(shè)立了8個實驗點?！拔矣∠蠓浅Ｉ羁痰钠渲幸粋€試驗點是新鄭路試驗點,，無水無電。為了做試驗,，我們每天早上向灑水車師傅借水,、拉發(fā)電機發(fā)電?！睆埦皞セ貞浀?。其中一個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?nèi)〉谝桓緯r,，三天三夜沒有取出來，不是沒有取成功,，就是打偏了,，或者鉆頭都壞了?！睆埦皞セ貞洰?dāng)時的艱難說,。7月酷暑，炎熱的天氣和試驗瓶頸考驗著團隊的每一個成員,。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,。

除了試驗困難,，試驗的危險性也是考驗團隊的問題。在做樁體水平和豎向承載力試驗時,，為了能夠模擬實際受力狀態(tài)試驗時,，樁既要承載豎向幾千噸的承載力，也要負荷橫向幾百噸的水平力,，一旦出現(xiàn)試驗裝置失穩(wěn),，后果不堪設(shè)想。拿出多項實驗的結(jié)果,，多次說服,，根固樁設(shè)計理念才得以被設(shè)計單位接受。承擔(dān)了三環(huán)快速樁基工程優(yōu)化的工作后,，團隊獲得研究經(jīng)費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個月時間,，共節(jié)省工程造價6個多億,。

該項目完成后，團隊還先后承擔(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”

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

十年前,，團隊沒有實驗室,，成為研究的一大困難。缺乏實驗條件,，團隊就自主創(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為這個技術(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,?！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,，團隊項目成果在全國23個省,、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,，京滬高速公路改擴建項目,、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……

面對時代賦予的創(chuàng)新重任，團隊靜心篤志,、心無旁騖,，甘坐“冷板凳”，付出了十年磨一劍的苦功夫,。團隊預(yù)測,，未來5-10年,，根固樁,、擴體樁將占整個市場的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新的局面,，必然會引起工程界的極大興趣！”

如今,，周同和團隊獲得國家授權(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,，其中國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項,，國家級團體標(biāo)準(zhǔn)3項。然而,，在國內(nèi)全面應(yīng)用并不是團隊的最終目標(biāo),，“我們希望根固樁和擴體樁走向世界,！”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)用項目之一鄭州金融島