国家需要什么 我就研究什么
——记2019年国家科技进步奖一等奖获得者龚晓南院士
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。
中国工程院院士龚晓南及其团队成员,历经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其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。
第一部专著,复合地基发展的第一个里程碑
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,已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。
特别是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,基础理论研究仿佛打了个死结。这时候,龚晓南站出来了,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。
在复合地基理论方面,龚晓南对复合地基的定义、形成条件和分类作了明确的规定,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。“我们都觉得定价太贵了,但出乎意料的是,会议开完已经买不到了。”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。”
对症下药,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’。”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。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遇到了困难。为了解决这一难题,龚晓南带着团队成员一起现场设计、实施、检测与科研。提出的方案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。
经过长期研究,龚晓南团队还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,比桩基础的造价降低了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,该研究成果已经应用于兰海高速公路、尹中高速公路、巉柳高速公路等。
龚晓南还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。”
重视实践,工地里“跑出来”的理论成果
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。
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。”
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,再研究理论,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,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,至今已被引用480次。作为从工地里“跑出来”的理论成果,其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多年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。其中,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”。“我的老师比较强调写论文,鼓励我们多写读书笔记。《土塑性力学》就是由我在读博士时的读书笔记汇合而成。”龚晓南说,曾国熙也非常重视工程实践,常带学生去工地,教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。“我们三个只是代表,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。”龚晓南也认为,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。
通讯员 柯溢能 吴雅兰 本报记者 姚俊英 文
卢绍庆 摄