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。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境，河姆渡人就開始使用樁基技術設計了干欄式房屋，既能夠臨水而居，同時也能通風、防潮、防澇。

已有數千年使用歷史，很多人覺得的樁基技術太傳統了，“樁”沒什么可研究的。然而，鄭州大學水利與土木工程學院周同和團隊卻在這一傳統技術領域進行了十余年探索，首創出根固樁和擴體樁技術，大幅提升了我國樁工技術現代化水平，填補了多項國內空白。近年來，項目研究成果在全國23個?。ㄊ?、自治區）得到快速推廣應用，產生直接經濟效益超過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，并被國際土力學和巖土工程學會主席評價為“對中國乃至全球樁基工程技術的發展作出了卓有成效的貢獻，處于國際領先水平”。

“我們要讓‘剛’‘柔’得以相濟”

高樓、橋梁等建筑物動輒數千萬噸，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固?！皹丁背袚麄€建筑物的重量，萬丈高樓平地起，樁基的重要性不言而喻。

然而樁基技術的發展歷時幾千年，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。這種樁造價高、工期長，且孔壁松弛、泥皮、沉渣等都會影響承載效力。預制樁是提前預制好樁基，施工時利用打樁設備打入土中。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，研發技術先進、安全適用、節約優先的樁基？周同和團隊另辟蹊徑，將傳統樁基技術與現代樁基理論相結合，研發出兩種新樁型：根固樁和擴體樁。

“根固樁就是根部加固的意思?！敝芡蜕鷦拥卣f，“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，從而能更充分調動樁端好土層承載力，也能保證樁側阻力發揮，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，經常是將根固樁和擴體樁結合使用?！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，給樁身也設置擴體，在預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的界面，正所謂“剛柔不能相濟”，有了連續界面做過渡，“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新，解決了傳統擴體樁施工工藝存在的質量穩定性差、泥漿排放大、水泥浪費嚴重等問題?！俺思夹g理論、工藝工法，我們在樁體材料創新上也下了不少功夫?！眻F隊介紹說。擴體樁中灌注的材料不再是傳統的混凝土，而是優化了水泥渣土混合料、砂漿混合料等擴體材料配方，也研發廢磚、廢玻璃混凝土作為一種新型擴體材料，實現了廢棄物資源化利用，替代砂石料用量70%，達到經濟效益和社會效益的統一。

據國家統計局發布數據估算，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，節能減排優勢更加明顯，突破了我國樁基領域長期以來的技術瓶頸。

“第一根樁芯三天三夜沒取出來”

“傳統學科創新發展是很難的?！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，然而，十余年的創新之路中，剛開始遇到的，大多是否定的聲音。

作為地方院校的團隊，他們面對著持續不斷的來自業界的質疑聲，研究阻力較大。2010年，鄭州市建設綠地中心千璽廣場，“這算是我們研究的一個機遇?！敝芡徒榻B。當時，團隊受邀參與樁基工程建設方案的研究和咨詢工作，其中他們主要負責實驗樁的承載力試驗咨詢和內力測試工作。通過參與該項目的研究，周同和團隊發現，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。

“當時國內最長的樁已經長達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動深度土層的承載力。樁基工程領域，有一個經典理論“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，工程界卻很少應用，導致的結果就是樁越設計越長。樁不一定要長的理念難以被接受，實踐到工程應用上就是工程浪費、工期長、樁體質量難以保證、資源消耗大、生態環境破壞和污染嚴重?！拔覀冇胸熑?，也有能力解決這個問題?！敝芡蛨F隊由此意識到研究推廣新理論對生產實踐的重要性。

鄭州三環快速化項目應用再次成為團隊研究并推廣技術的一大機遇。全長40公里的三環封閉環，其中一半以上是橋，需要建設大量橋樁、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。

項目指揮部領導提出來，“樁的造價占比如此高？有沒有可能把造價適當下降？”周同和團隊參與了項目咨詢會，會議結束以后，專家們已形成意見，認為：“根固樁技術可行，可以實施?！比欢?，實施時，卻沒有設計院愿意采用。周同和團隊決定用實驗數據去說服他們。

于是，團隊在三環設立了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、拉發電機發電?！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，我們取第一根芯時，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?！睆埦皞セ貞洰敃r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，團隊又發明了專門的鉆頭，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，一旦出現試驗裝置失穩，后果不堪設想。拿出多項實驗的結果，多次說服，根固樁設計理念才得以被設計單位接受。承擔了三環快速樁基工程優化的工作后，團隊獲得研究經費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，共節省工程造價6個多億。

該項目完成后，團隊還先后承擔了鄭州南三環東延、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成果，共降低工程量25%，減少碳排放量7.4萬噸，直接經濟效益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”

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

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，團隊就自主創造，鄭州大學北校區南門的破廠房就曾成為他們改造的試驗場地。把工程理論轉化為生產力，更需要人們接受這一創新創新技術。剛開始只有一部分人模棱兩可地認為這個技術可以，但支持者甚少。面對困境，周同和態度很堅定，“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?！薄晒槐徽J可，就反復宣講；沒有條件，就創造條件。在大大小小的學術會議上、各種工程項目中，他們講述團隊的創新理念和研究成果，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……

面對時代賦予的創新重任，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專利49件，其中發明專利21件，主編相關技術標準7項，其中國家行業標準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。（李艷麗 陶秋俠 撰稿）

水利與土木工程學院周同和教授

工程現場

成果應用項目之一鄭州金融島