情迷岩土 砥砺创新

——记公司首席科学家、名誉董事长、兼职总工程师刘松玉教授

南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司

走进东南大学教授、公司首席科学家、名誉董事长、兼职总工程师刘松玉老师的办公室,映入眼帘的是书架上排得满满的一本本厚厚的书籍,还有书桌上一摞摞的杂志、稿件以及等待他阅审的学生论文,不过最吸引我眼球的,一是放在墙角的一双高筒雨靴和一双运动鞋,二是摆放在工作台上的擦拭得亮亮的CPTU探头,三是放在橱窗里那一张今年5月到北京才领回来的“全国创新争先奖”奖状。刘老师注意到我的视线落在雨靴和运动鞋上,我们的话题便从雨靴和运动鞋开始了。

两双鞋,道出了教授的岩土心

“我们做工程研究的,面向工程,是为工程现场服务的。工地现场千变万化,不管刮风下雨还是烈日炎炎,工地一旦出现问题,一个电话随时可能下工地。我在办公室里放着两双鞋就是应对不同的天气的。比如河西中央公园深大基坑采用了TRD新工法,墙体深度达50多米,施工难度很大,施工当时正值雨季,我就是穿着这双雨鞋下工地的”。“我们生活在一个日新月异的时代,相对比我的老师那一辈我们各方面条件好的太多了,因为“文化大革命”加上当时国家实力不强等原因,他们一辈子也难得碰到一两项大工程,我们现在不过五十多岁,但参加的高速公路、高速铁路、跨江大桥、城市地铁、标志性的高层建筑达数百项,这是时代赋予我们的机遇,也是责任,我们做研究,就是要通过工程一线发现问题,努力开拓,创新思维,为民族复兴大业贡献青春和才华。”

创新的火花,来源于坚实的理论基础和丰富的实践经验

谈到创新,刘老师的话匣子更加打开了;2012年他领衔的“钉形双向搅拌桩和排水粉喷桩复合地基新技术与应用”研究,喜获2012年度国家技术发明二等奖。不过围绕这个国家二等奖,还有许多故事呢。

2001年,江苏省高速公路建设指挥部委托东南大学交通学院岩土工程研究所承担连徐高速公路连云港段地基处理技术咨询和检测,检测过程中发现部分粉喷桩桩身质量差,8~10m以下几乎不成形,需要查明原因,提出对策。

这年夏初的一天下午,刘老师跟课题组同事来到江苏连云港连徐高速公路粉喷桩地基处理工地实地调查原因,并跟粉喷桩施工工人师傅们交流,倾听他们对粉喷桩质量问题的看法,其中一师傅告诉刘老师,粉喷桩施工时在周边的原有勘察钻孔中经常喷水,有时会喷到2~3m高,这句话一下惊住了刘老师并引起他的高度重视,是什么原因导致喷水现象?喷水现象是否与粉喷桩质量有关?如何解决这一问题?

这一问题一直萦绕在他的脑海里。带着这一问题,2001年8月刘老师去美国密执根大学土木与环境工程系访问研究一年,开始大量查阅国外粉喷桩发展的历史,比较日本和我国粉喷桩施工设备的差异,他发现日本粉喷桩施工设备比我国粉喷桩施工设备多一个方形套管,主要功能是将传送粉体至地下的气体再排放到地面,问题就出在这儿!我国的粉喷桩设备是仿制日本的,疏忽了这一细节,导致传送至地下的高压空气无法排出,正是这些留在地下的高压气体引起地下孔隙水压力迅速增大,导致地下水从薄弱处(原钻孔)向地面喷水!粉喷桩施工中经常出现的其他问题如边坡失稳、地面开裂、粉喷桩下沉现象等均与此有关。

那么留存于地下的高压空气如何运移传递?如何解决这一问题?日本技术是把气体排出地表,我国的设备能否改造增加排气管,是否还有其他方法?经过几个月的思考,2002年4月的一天晚上,刘老师突然想到排水固结技术不就是利用排水板把地下水排出地表吗?如果先在软土地基中设置排水板,再打粉喷桩,利用排水板主动排出粉喷桩高压空气引起的超静孔压水,同时排出气体,这样不就解决我国粉喷桩施工的问题了吗!想到这个主意,刘老师兴奋异常,立即到办公桌画了一个方案草图,后经不断补充完善,形成了“排水粉喷桩”的概念和思路。

带着这个技术思路,2002年8月刘老师回到了东南大学。当时的江苏省高速公路建设如火如荼,软土地基处理是江苏省高速公路建设的关键技术,江苏省高速公路建设指挥部领导们十分重视地基处理技术,开展了系列研究。9月份刘老师带着排水粉喷桩的技术方案找到了指挥部有关领导,向他们介绍推荐这个技术思路,并争取进行现场试验。一开始有的领导不理解这个思路,认为粉喷桩是复合地基,排水板与复合地基是完全不相同的技术,有点“火烧冰淇淋”的感觉!后来有一位领导听了刘老师的介绍后,手一拍桌子,说了声“妙”!并立即指示马上开始在他分管的盐城—淮安高速公路淮安段进行试验研究。

2003年江苏高速公路建设指挥部正式批准江苏交通科技项目“排水粉喷桩复合地基法加固软土地基试验研究”,以淮盐高速公路为依托,进行了为期两年多的系统现场试验监测和理论研究,论证了排水粉喷桩技术的有效性,取得了圆满成功,形成了省级工法(2D工法),并于2005年通过鉴定,2006年获得交通部中国公路学会科技进步一等奖。

创新,靠的是自信和坚持

“不做重复研究,做别人没做过的研究。”这是刘老师奉行的准则。

2003年,刘老师在国内外首次提出钉形搅拌桩技术原理。把原理变成设备,再完成现场试验,需要几十万元资金,而按程序申请工程应用项目经费,那要一两年。“不能等!”刘老师提出,“先把自家的钱拿出来垫上。”

乍一听到这个主意,课题组成员都被“雷”住了:万一不成功,这钱不就扔到水里了?不过震撼之后,大家还是被他的超级自信所打动。

认准的事不放弃。有一次,在南京河西滨江大道工地,试验钉形搅拌桩技术失败,有技术人员当场泼起冷水:“别再试验了,这个思路做不通。”而刘老师用一年多时间再探索,硬是把“不可能”变成可能。2011年,钉形搅拌桩施工法被批准为国家一级工法。

终于,功夫不负有心人,2012年刘老师领衔完成的“钉形双向搅拌桩和排水粉喷桩复合地基新技术与应用”成果获得国家技术发明二等奖,颁奖理由是这样写的:该项目属于软土工程领域,根据软土固化机理和复合地基最优化原理,经过十余年的研究,发明了系列搅拌桩处理新技术、自主研制了施工机械设备、建立了相应的施工工法,实现了对我国传统搅拌桩及其复合地基技术的根本变革,从而攻克了我国土木工程建设中因为长期存在中厚层、成层分布、高含水量软土难处理、处理效果不稳定、桩土变形难协调、技术经济性较差等导致的工后沉降大、稳定性低、环境扰动影响大、工程造价和管理成本高等难题。该项技术发明已在沪苏浙高速公路、上海崇启通道、汉宜高速铁路、南京青奥城、宁波地铁、晋江机场等我国主要软土分布区的150余项工程中得到成功推广应用,据统计,至2011年底累计施工超过6000万延米,节资总额逾7.5亿元。目前,该发明已获授权专利20项,其中发明专利11项,实用新型专利9项;编制了《钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程》(苏JG/T024-2007);获得国家一级工法1项、上海市和江苏省工法各1项;在美国土木工程学会(ASCE)、美国交通研究会(TRB)等主办的国际权威期刊和会议上发表学术论文95篇,其中SCI检索15篇、EI 检索55篇,出版著作2部。该项目主要成果曾获2010年教育部科学技术进步一等奖。

创新,永远在路上

我们从事岩土工程的,都知道地质勘察有钻探、物探、原位测试等多种手段,原位测试与钻探、取样、室内实验的传统方法比较起来具有下列明显优点:一是可在拟建工程场地进行测试,无需取样,避免了因取样带来的一系列问题,如原状样扰动问题。二是原位测试所涉及的岩土尺寸较室内试验样品要大得多,因而更能反映岩土的宏观结构(如裂隙等)对岩土性质的影响。以上优点决定了岩土体原位测试所提供的岩土的物理力学性质指标更具有代表性和可靠性。此外,大部分岩土体原位测试技术具有快速、经济、可连续性等优点,因而,岩土原位测试技术应用越来越广。

刘老师在美国访问学者期间,美国多功能孔压静力触探(CPTU)的原位测试技术发展与应用水平引起了他的极大关注。CPTU除了跟一般的静力触探一样能测试土的侧阻力和锥尖阻力以外,它还能测试土的孔隙水压力、土层波速等指标,由此可以分析土的各项物理特性和力学特性,所以刘老师在美国的时候就下决心要把CPTU技术引进国内,以提高国内的岩土勘察水平。

CPTU技术的引进经历了一个引进、消化吸收到再创新的过程,而这个过程中遇到的困难甚至超过了刘老师最初的想象;事实上,他后来才知道,国内许多科学家在他之前就曾做过大量的引进工作,但因这样那样的原因都最终没有能够引进成功。

为了推广应用CPTU技术,刘老师先是申请160万元经费购置了一套美国原装车载CPTU系统,最初该系统在国内项目的应用中同样遇到了“水土不服”的问题,刘老师带领团队苦思冥想,从内因、外因两个方面思考问题:一是美国的探头是好,但与我国的静力触探探头及测试成果之间如何衔接?所以必须解决探头的国产化问题;二是美国的系统是成熟了,但其内在固化的参数计算公式对于中国的土质不一定适用,就像“马克思主义在中国的革命实践中不能生搬硬套,要结合实际发展形成毛泽东思想才能取得中国革命胜利”一样。刘老师带领团队一方面与东南大学仪器学院和国内仪器厂家合作,研制具有自主知识产权的CPTU探头,另一方面在国内不同的地区、不同的地质环境进行测试分析,通过数百个工程实例,研发出来我们自己的CPTU测试装备和应用系统。2016年春天,刘老师参加了江苏省科技奖励大会,会上他牵头完成的“高精度多功能岩土工程原位测试技术研发与工程应用体系”(应用类)荣获2015年度江苏省科学技术一等奖。

介绍到这里,刘老师离开座位,拿起工作台上的CPTU探头,高兴地向我介绍说“我们采用了现代信息技术、数字技术和计算技术,自主研发新一代高精度多功能岩土工程原位测试技术——数字式孔压静力触探测试系统(CPTU),建立了基于CPTU的工程设计应用体系。拥有了我们自己的CPTU测试应用成套技术。”

今年5月,刘老师荣获“全国创新争先奖”,该项目是仅次于国家最高科技奖的个人奖,而得知这一消息的时候,他正在俄罗斯参加岩土界的国际研讨会呢!

刘老师十分繁忙,但兼职公司总工程师的他仍不忘公司工程项目的质量提升;勘察纲要、方案把关,特别是对CPTU现场测试应用提出明确技术要求,甚至亲自赴现场掌握第一手资料。

刘老师办公桌上有一本书,书名是“新中国66周年岩土工程的人和事”,书中是这样介绍刘老师的:刘松玉教授是东南大学知名教授、博士生导师。曾分别赴比利时根特大学土木系,美国密执根大学土木与环境工程系,美国堪萨斯大学开展合作研究或担任高级访问学者;曾任东南大学交通学院副院长、东南大学研究生院副院长,现任东南大学岩土工程重点学科首席带头人,东南大学城市地下空间研究中心主任,江苏省城市地下空间重点实验室主任,主要从事交通土木工程领域的岩土工程—地下工程研究。获全国百篇优秀博士学位论文指导教师,“百千万人才工程”国家级人选,国家级有突出贡献的中青年专家、茅以升土力学及岩土工程青年奖、江苏省中青年科技领军人才、享受国务院特殊津贴专家,全国优秀科技工作者、江苏省创新创业人才等称号。

我想,踩在我们脚下的岩和土,拿句话说就是“低到尘埃里”的东西,一个从事岩土研究的科学家,能得到这么多的荣誉、顶着这么多的光环,该是付出了多少的劳动和汗水呀!难怪他在办公室要放两双鞋,因为他时刻准备着再出发!

离开刘老师办公室的时候已经是中午十二点了,没有想到从九点到十二点时间过得这么快。走出刘老师的办公室,正午的阳光照在脸上,暖暖的,伴着和风,看到远处正在建设的大楼,心想不正是因为有刘老师这样的专家,还有我们东大岩土工程技术有限公司这么多的同仁们在孜孜以求,努力创新,不断改变着这个世界,才带来祖国的日新月异和我们的生活欣欣向荣吗!