岩土工程技术创新方法与实践

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-05-07 09:31 热度：

　　摘 要：岩土工程学科发展，创新是灵魂。基于笔者与其创新团队对近年来开展的岩土工程新技术研发工作，从技术创新的角度进行了归纳，并力求从技术创新过程中探讨产学研实践方面的研究问题。首先介绍了岩土工程技术创新的内涵和分类，围绕集成、逻辑推理和联想等思路，着重探讨了优缺点互补创新法、逆向思维创新法、组合技术创新法、希望点列举创新法、触类旁通创新法、强制联想创新法和扩散(发散)思维创新法 7 种方法，基于笔者近年来研发的系列创新技术，围绕上述的 7 种创新方法，分别阐述每种新技术的研发背景、研发过程和技术内容。以现浇混凝土大直径管桩(即 PCC 桩)技术创新为例，阐述了产学研的研究思路和研究过程。

　　关键词：岩土工程;技术创新;创新方法;创新思维;工程科学问题

　　0 引 言

　　科技创新分为原始创新和跟踪创新两种。两种创 新的思维方式有很大不同，可以分别比喻为啄木鸟方式和蜜蜂酿蜜方式[1]。要把科学严谨化、科技兴国、科技为国家建设和经济发展服务，就需要原始创新。各个层次、各个方面都有它的原始性创新的问题，都有一个源头的问题、探索的问题。不仅在理论上，技术上也是如此。技术上的属于技术创新，学术上则是知识创新，建设上有工程创新[2]。技术创新最早起源于美籍奥地利人、经济学家约瑟夫•A•熊彼特 1912 年所创立的“创新理论”。熊彼特在《经济发展理论》[3] 一书中认为创新的内容包括 5 种情况：一是引入新产品;二是引用新的生产方法和工艺;三是开辟新市场;四是获得原材料或半成品的新供给来源;五是实现新的企业组织形式。

　　技术创新主要是指新产品和新工艺构想的产生、研究开发、投入或应用于生产、进入市场销售并实现商业利益过程的技术经济活动。技术创新活动主要由产品创新和工艺创新两部分构成。产品创新主要是指技术上有变化的产品的研究开发生产及商业化，包括全新产品、显著改进产品。工艺创新主要是指对全新的或有显著改进的生产方法的研究开发及应用，包含新工艺、新设备等。技术创新的基本特征：它是技术经济概念，强调技术与经济的结合，是一个技术经济过程;强调技术变化，并以新技术(新产品、新工艺等)的投入为前提，注重新技术的首次应用;强调企业是技术创新的主体;判断技术创新成功与否的主要标志是其市场实现程度，而不是技术上的完善程度。

　　近年来，随着我国基础设施建设的快速发展、岩土工程技术创新进入到了一个欣欣向荣的阶段，新技术、新工艺和新产品层出不穷，显示出我国在技术创新方面引领国际态势。岩土工程新技术只有在工程应用中才能体现出它的价值，这就需要企业、高校、科研院所相互结合、分工合作，共同完成一项新发明从技术开发、科学研究到推广应用的整个过程，这就是产学研合作的发展方向。

　　岩土工程技术创新的内涵丰富，本文拟着重探讨优缺点互补创新法、逆向思维创新法、组合技术创新法、希望点列举创新法、触类旁通创新法、强制联想创新法和扩散(发散)思维创新法 7 种创新方法，并基于笔者近年来研发的一系列创新技术，围绕上述的 7 种创新方法，分别阐述了其创新背景、创新思路与方法、创新内容等。以 PCC 桩技术为例，阐述了产学研一体化的研究思路。

　　1 优缺点互补创新法

　　优缺点互补创新方法内涵是：将两种或多种技术结合，克服其缺点，结合其优点，取长补短，从而得到新的技术发明。我们生活中常发生这样的趣事：当某物的缺点移用到别一物时，有可能成为该物的优势;将两物的缺陷进行叠加，也会产生出一个很有特点的事物。一项发明创造能不能采用优缺点互补创新法创造成功，关键取决于所选取的两个对象之间的优缺点是否具有互补性(如图 1)。如果所选取的两个对象的优缺点类似，或者两个对象之间的优缺点毫无关联，一个对象的缺点不能被另一个对象的优点克服，则这项发明创造很难采用优缺点互补创新法发明成功。因此在发明创造之前，对象的选取非常重要，必须选取优缺点互补的两个对象，才可能创造一个有用的新对象。

　　1.1 现浇混凝土大直径管桩(PCC 桩)技术[4-13]

　　(1)研发背景

　　目前，随着我国经济建设的高速发展，大规模的高速公路、高速铁路、市政工程、大型港口和机场工程等建设进入了新的快速发展时期。而我国沿海和内地湖泊地区存在大量的软弱土环境问题，在软土地基上修建以上构造物对沉降变形提出了更高的要求，迫切需要开发新的优质高效的地基沉降控制技术。复合地基是目前国内外软土地基加固的主要方法，它包括柔性桩复合地基和刚性桩复合地基两大类。总体上来说，柔性桩技术优点是造价低且普及性广，但缺点是桩身强度低、加固深度有限且工后沉降控制较难，而刚性桩桩身强度高、加固深度大，但缺点是费用成本高，大面积推广投资大。因此如何吸收柔性桩和刚性桩两种技术的优点，克服其相应的缺点，研制开发出具有刚性桩的加固效果却仅有柔性桩的加固成本的新的优质桩型技术具有重要的工程意义。

　　(2)研发思路与方法

　　桩基的承载力来源于侧摩阻力和桩端阻力，对于图 2 所示的两种类型桩，一个是左侧小直径的实心混凝土桩，另一个是右侧具有同等截面积的大直径空心管桩。从图中可见，由于空心管桩的桩侧面积和桩端阻力面积明显增大，其侧摩阻力 P2 和端承力 Q2 都远大于实心桩 P1 和 Q1，且大直径空心管桩还有内侧摩阻力 P3，因此，在使用同等混凝土量的前提下，大直径空心管桩的承载力远大于实心桩。PCC 桩就是利用该思路开发的，通过研发新的关键设备技术和施工工艺，可以充分发挥单方混凝土的效能，大量节省混凝土用量并有效地提高基桩承载力且减少地基沉降量。

　　本发明采用的方法主要来源于优缺点互补创新法的思路。其目的是针对目前复合地基处理中上述柔性桩和刚性桩的优缺点，克服两种桩型的缺点，结合两者的优点，寻求一种具有加固效果好、加固费用低的新桩型，即采用柔性桩的成本达到刚性桩的加固效果。所谓加固效果好，是指桩的承载力高，也就是桩基侧摩阻力或桩端阻力高，沉降控制效果好;所谓加固费用低，是指混凝土材料用量少。为达此目的，需开发一种桩基承载力高且混凝土用量少的新桩型。此外，作为软土地基处理复合地基中的桩基，一般是以摩擦为主型桩，因此要提高承载力，必须尽量提高基桩侧摩阻力，提高侧摩阻力又可以通过增大基桩的侧表面积实现，而增大桩的周长可达到增大侧表面积的效果。显然，桩径越大，桩周长就越大，然而混凝土用量也相应增大，因此，既要增大周长、又要减少混凝土用量，只有将桩的形式变成空心管桩，故大直径空心混凝土管桩应运而生。本发明通过列举柔性桩和刚性桩的优缺点，以取长补短作为发明的思路，使 PCC 桩这一优质桩型的发明水到渠成。图 2 PCC 桩开发原理图 Fig. 2 Schematic diagram of PCC pile invention

　　(3)技术内容

　　为实现本发明的思路，研发了 PCC 桩桩机设备系统(如图 3 所示)，由底盘、塔架和卷扬机、加压振动头、沉模装置、防水活瓣桩靴、成模造浆器、混凝土分流器 7 个部分组成。沉模桩外径 1000～1500 mm，壁厚 120～150 mm，沉模长度 25 m。本设备创新性地采用了两个固定同心的大直径钢管组成环形桩基沉模装置，该沉模装置底端内外侧设置成模造浆器以减少沉桩时阻力，沉模装置上端进料口内部设置混凝土分流器使浇筑混凝土均匀，沉模装置下端内外钢管之间设置活瓣桩靴，该桩靴在沉模装置下沉地基时闭合，阻止地基中的泥水进入管腔，在沉模上拔时自动打开。该桩机系统自动化程度高，操作方便，可控性强。

　　在大量的工艺试验研究基础上，研发了 PCC 桩及复合地基施工工艺(如图 4 所示)。首先进行场地平整和定位等准备工作，然后通过 PCC 桩桩机上部振动头将特制两个固定同心的大直径钢管组成的环形沉模装置在活瓣桩靴的保护下打入地基设计深度，通过混凝土分流器向该沉模装置的环形域均匀注入混凝土，然后振动拨出该沉模装置，在沉入和拨出过程中，成模造浆器向该沉模装置内、外侧壁注入润滑泥浆，活瓣桩靴结构在该沉模装置进入地基时闭合，拨出时自动分开，使之形成混凝土管桩。

　　1.2 复合桩靴结构装置[14]

　　(1)研发背景

　　沉管灌注桩的桩尖有活瓣桩尖和预制桩尖两种形式(图 5)。活瓣桩靴施工方便，可反复使用，经济性好，但由于是三角形分布，在实际工程施工过程中，三角形钢片的尖部存在应力集中现象，从而导致活瓣闭合不严、活瓣钢片容易变形或者卡住不能及时打开等缺点，容易导致水或泥砂进入桩管影响成桩质量，或者无法成桩。另外在套管沉入地基之前，一般需要用铅丝或草绳将活瓣临时绑扎。预制桩靴可以有效地克服闭合和开启问题，但由于需要在工厂预制，体积大(一般灌注桩直径至少 50 cm)，运输和施工不便，且不能回收，造价太高。本发明试图研发一种能克服活瓣桩尖和预制桩尖的缺点且能结合两者优点的新桩尖结构形式。

　　(2)研发思路与方法

　　要克服活瓣桩尖顶部尖角的应力集中和闭合不严的缺点，就必须对活瓣桩尖的尖角部分进行改造，设置成非尖角形的形式。容易想到，将桩尖部分的尖角剔除即可，这时桩尖的每块活瓣变成了梯形活瓣。由于预制桩尖具有强度高、不存在闭合和开启问题等优点，因此剔除的桩靴尖角部分可用预制的小桩尖代替。通过梯形活瓣桩靴与预制小桩靴组合而成了复合结构形式。这种复合桩靴结构利用圆锥形闭合稳定严密的特点，活瓣桩靴采用上大下小的梯形片闭合时形成的多棱锥台形结构与预制小桩靴相结合，构成整体呈三角形的复合桩靴结构。本发明充分结合了原有的活瓣桩靴和预制桩靴的优点，克服了其各自的缺陷，并使二者结合产生协同作用，取得了意想不到的独特效果。图 5 活瓣桩尖和预制桩尖示意图 Fig. 5 Schematic diagram of valve and precast pile shoes 本发明采用的创新方法为优缺点互补创新法。图 6 给出了本发明创新方法示意图，图中分别列举了活瓣桩尖和预制桩尖的 3 个优点和 3 个缺点。活瓣桩尖的优点正好和预制桩尖的缺点互补，而预制桩尖的优点也正好和活瓣桩尖的缺点互补。预制桩尖需要预制、运输不便的缺点正好可以通过设置成部分活瓣的桩尖来解决;预制桩尖不能回收利用的缺点正好和活瓣桩尖可重复使用的优点互补;预制桩尖体积大、造价高的缺点正好可被活瓣桩尖经济性好的优点克服;活瓣桩尖应力集中、易变形的问题与预制桩尖强度高、变形小的优点互补;活瓣桩尖闭合不严、开启不便的缺点正好可被预制桩尖不存在闭合、开启问题的优点解决;活瓣桩尖需要绑扎的缺点正好和预制桩尖不需绑扎的优点互补。找到了两个对象之间优缺点互补的规律，就可以将优点结合、将缺点克服，形成部分活瓣部分预制的复合桩靴形式。形成复合桩靴之后，具有施工方便、大部分可重复使用、桩尖不存在应力集中、不卡管、不需绑扎、经济性好等优点，同时两种桩尖的缺点完全得到了克服。

　　(3)技术内容

　　本发明的技术原理如图 7 所示。图中，钢制桩套管通过锁轴与梯形活瓣桩靴铰接，梯形活瓣桩靴由多个上大下小的梯形钢片组成，锁轴活动连接各梯形钢片的上端;梯形活瓣桩靴未闭合时其多个梯形钢片各自分开，闭合时各梯形钢片上端在锁轴内转动，其下端向中间聚拢，整体呈多棱锥台状形，这样各梯形钢片的下端不会碰撞在一起，也就不会碰坏，也不会互相咬死而影响浇注混凝土。预制小桩靴结构呈圆锥形，其上部断面为圆形、中间有带把;上部断面由里向外斜向突起，形成中间凹陷，即形成凹口;在凹口上设置一层橡胶垫圈，以防止水和砂土渗漏，加强密封，在整个用混凝土制成的预制小桩靴中加入钢筋，以加强刚性。梯形活瓣桩靴闭合后，其下端嵌入预制小桩靴上部的凹口，这样，梯形活瓣桩靴与预制小桩靴结合成一体，下面呈圆锥形，上面是多棱锥台形，整体却呈三角形。

　　1.3 抗液化排水刚性桩[15-16]

　　(1)研发背景

　　地震作用下砂性土地基中将产生超静的孔隙水压力，由于不能快速消散从而导致地基液化破坏。一般工程场地采用碎石桩作为竖向排水通道来抵抗地基液化，同时，碎石桩本身也具有承载性能，能使(构造物)地基得到加固。碎石桩孔隙大，排水速度快，还对周围土体有挤密作用，因此其抗液化效果好，但碎石桩是一种柔性桩，桩基承载力不高，桩体变形大，因此不能承担较大的上部荷载，对房屋建筑等地基不适应。工程中对于房屋等建筑物地基，普遍采用刚性桩来提高地基承载力，刚性桩承载力高，变形小，但不能排水，在液化地基中容易丧失承载力而引起刚性桩基础的破坏，继而导致房屋破坏，这种灾害实例在每次大地震中都有记录。本发明力求开发一种具有碎石桩抗液化能力和刚性桩承载能力的新桩型。

　　(2)研发思路与方法

　　要发明一种桩型，既具有碎石桩的排水效果，又具有刚性桩的承载性能，要结合两者的优点，可有两种思路：思路一是在碎石桩的基础上进行改进，即设法提高碎石桩的承载能力，但又不降低其排水效果。目前提高桩基承载能力的常用方法为注浆加固，可以采用注浆法使碎石桩加固，形成浆固碎石桩，这种方法能提高桩基承载力，减小桩基变形，但是碎石桩注浆后，桩基的排水能力丧失，显然这种思路行不通。另一种思路是在刚性桩的基础上进行改进，即要在尽量不减少刚性桩承载力的基础上，使刚性桩具有排水能力，有了这个想法之后，创新思路就很明显了，只要人为地在刚性桩中设置一排水通道即可。

　　本发明采用的创新方法也为优缺点互补创新法。创新始于对两种桩型优缺点的分析。碎石桩为柔性桩，承载力较低，桩身压缩变形大，但具有排水效果，可抗液化，而刚性桩则相反，其承载力高，桩身压缩变形小，但缺乏排水功能，不适应于液化土层。可以看出，这两种桩型的优缺点正好可以互补，一种桩型的缺点正好是另一种桩型的优点，两者可以相互克服、相互补充。有了这个想法之后，就需要寻求一种实现该创新思路的桩型。从前面的分析可知，可以从提高碎石桩承载力或增加刚性桩排水性能两个方面着手，但前者较难实现，而后者比较容易实现。通过在刚性桩侧壁设置凹槽，在凹槽里面放置排水能力大的材料，即可实现刚性桩的排水性能，同时，由于开设的凹槽尺寸本身不要求很大，因此桩基并未丧失多少承载能力。通过优缺点互补创新法，就发明了这种抗液化效果好的具有排水性能的刚性桩。(3)技术内容如图 8 所示，刚性桩为钢筋混凝土预制桩，在预制时，在其侧面设置圆形凹槽或方形凹槽。在圆形凹槽内放置圆形排水钢丝软管，在方形凹槽内放置方形塑料排水板，形状互相匹配即可，大小、尺寸以不超出刚性桩侧面为准。当然，也可两侧同时设置圆形凹槽及圆形排水钢丝软管，或两侧同时设置方形凹槽及方形塑料排水板。当刚性桩侧面设置圆形凹槽时，该圆形凹槽呈开环状，也即不闭环，但只有整个圆形的少部分，圆形排水钢丝软管仍然不突出至刚性桩的侧面，以利于超静孔隙水进入圆形排水钢丝软管中。在开始实施过程中，通过常规的打桩设备将抗液化排水刚性桩打入到地基的预定深度，地震时产生的超静孔隙水可以迅速地通过圆形凹槽中的圆形钢丝软管，或者通过方形凹槽中的方形塑料排水板进行消散，从而达到消除液化的目的。

　　2 逆向思维创新法

　　逆向思维是一种求异思维，即不按照一般常理思考问题，而是采用与一般常理相反的方法进行思考。我国有很多谚语都含有逆向思维的观点，例如“反其道而行之”，“明知不可为而为之”，“明知山有虎、偏向虎山行”，“最危险的地方就是最安全的地方”等。

　　生活中或者童话故事中也有很多故事含有逆向思维的思想。例如小学语文课本里面有一个关于“乌鸦喝水”的故事，故事讲的是一只乌鸦想喝瓶子里面的水，但是瓶子里面水位较低，而瓶口太小，乌鸦的嘴伸不进去，因此喝不到水。按照正常的思维方式，就是将瓶子倾斜，把水倒出来就能喝到了，但是聪明的乌鸦却不这么想，它往瓶子里放很多小石头，使瓶子里面的水位上升，这样就能喝到水了。这种不动瓶子，而动里面水位的方法就是一种逆向思维。此外，“司马光砸缸救人”的故事在中国也广为流传，这其中也包含了逆向思维的思想。按照正向思维，一个小孩掉到水缸里面了，最容易想到的办法就是把小孩从水缸里面捞出来，水是不动的。而司马光当时也是小孩，没有能力从水缸里捞出落水小孩，于是采用逆向思维，要救小孩，只要水流出来即可，因此灵机一动，用石头将水缸砸一个缺口，水流出来了，小孩得救了。

　　2.1 消除桥头跳车的装置[17-18]

　　(1)研发背景

　　目前高速公路桥头跳车问题依然是一个世界性的难题。其原因一是地基土软弱，压缩性大;二是由于路堤填土高，而土的重度又大。两者均会造成过大的工后沉降，而桥梁基础一般均采用桩基础，沉降较小，从而导致桥与路之间产生不均匀沉降，造成桥头跳车。解决这一问题时，常用的方法是对地基进行加固以消除桥头跳车现象，但收效甚微。

　　(2)研发思路与方法

　　为了克服目前解决桥头跳车问题常用方法中存在只能降，不能升，且精度很难控制等问题，本发明提出一种精度更高、技术更全面的可以准确进行桥面标高降低或升高调节的消除桥头跳车的技术装置;即螺栓的底座与隔振垫连接，螺栓上端的固定件与隔振垫连接，固定件下端面上设置有凹槽，与活动螺母上端面的凹槽对应，形成一个圆圈，两个凹槽咬合处设置活动滚珠。与常规凹槽技术相比，该技术方案调节桥面标高的准确性高，能降能升，可方便地降低桥面标高，也可方便地提高桥面标高，使桥面标高随时适应路基的沉降变化，有效地解决桥头跳车难题，可适应于不同地质条件下的各种桥梁结构，且整体平衡和协调性好。

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　　本发明的思想来源于逆向思维创新法。桥头段路堤由于土体沉降大于桥台沉降导致两者沉降差异，引起桥头跳车。传统的思维方式是桥面不能动，通过处理桥头软基路段的沉降达到控制桥头跳车的目的。本发明采用逆向思维，就是要反其道而行之，即保持桥头软基路段不动，而调节桥面标高。本发明以逆向思维的角度，通过设置可降、可升的装置来实现差异沉降的控制，在此基础上进行逆向思维作为新技术发明的思路，使消除桥头跳车的技术装置发明得以水到渠成。

　　(3)技术内容

　　本发明桥头跳车装置如图 9 所示。图中，螺栓的上和下分别是一隔振垫，用橡胶材料制成;下面的隔振垫与螺栓的底座固定连接;上面的隔振垫与固定件固定连接，该固定件专门固定隔振垫;在固定件的下端面上有一圈凹槽，与活动螺母上端面上的凹槽相对应，形成一圈圆形，两者合在一起后的凹槽内放置若干个活动滚珠。本装置放置在桥面与桥墩之间，上面的隔振垫与桥面下端面接触连接，下面的隔振垫与桥墩接触连接。当路面产生工后沉降时，只要用工具转动活动螺母，桥面即可下降。如果需要将桥面标高抬升，则反向转动活动螺母即可。也可将本装置的活动螺母与电机转轴连接，通过给电机动力，使多个装置同时升降。

　　2.2 既有高速公路桥头跳车的处理方法[19-20]

　　(1)研发背景

　　在软土地区修建高速公路，需要解决路基的不均匀沉降问题，这在桥头位置尤为重要。我国《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)规定：桥头段的工后沉降小于 10 cm。我国目前修建的高速公路，很多桥头路段由于地基处理强度不够，致使桥头软基路段和桥台之间产生较大的差异沉降，导致桥头跳车，甚至影响高速公路的正常使用。

　　(2)研发思路与方法

　　为了克服目前常用处理桥头跳车方法中需封闭施工、增铺材料导致新的沉降等问题，合理有效地、一次性地解决桥头跳车问题，本发明提出一种一次性解决既有高速公路桥头跳车问题、且施工时不影响高速公路正常使用的处理方法。要使软基路段不沉降，有两种方法：一种是传统的增加地基土体强度;另一种是采用轻质土减轻路堤荷载，但主要应用于在建的路堤。对于已通车的高速公路路堤，要在不影响通车情况下将轻质土置换原来的路堤土，需要解决一系列的技术难题。本发明就是基于该思路进行创新。

　　本发明的思想来源于逆向思维创新法。桥头段路堤由于土体沉降大于桥台沉降导致两者沉降差异，引起桥头跳车;通常情况下，通过增加填筑材料，使桥头段路基的标高新填筑到与桥台齐平。这种方法可以暂时消除桥头现象，但是不能从根本上解决桥头跳车问题，往往由于新增填筑的材料，引起新的附加应力和新的沉降。此外，新填筑材料需要道路封闭施工，影响道路正常运营。本发明采用逆向思维，不是将路堤荷载增加，反而将路堤荷载减小，从而减少地基上部应力、减少整体路基沉降，一次性有效地解决桥头段路基与桥台差异沉降问题;通过路堤两侧钻杆施工，不影响道路正常运营。从而发明了既有桥头路段差异沉降的控制方法。

　　(3)技术内容

　　既有高速公路桥头跳车处理方法的原理如图 10 和图 11 所示。采用拌和机在现场拌和轻质材料，拌和机在底部开孔通过软管与增压泵相连，再通过软管连接到钻杆上端部，形成轻质材料的输送通道。采用螺栓钻杆分别在高速公路桥头路段左、右两侧路堤边坡处倾斜钻孔，钻杆旋转钻进并通过螺纹口向外自动排土，钻孔深度接近路堤填土中心。边旋转边缓慢外拔长螺旋钻机的钻杆，同时开启增压泵，通过钻杆中心管将轻质材料泵送到钻孔。轻质材料通过钻杆中心的孔洞喷出，从下而上逐渐填满孔洞，置换掉了原来的路堤填土。与常规增铺材料处理桥头差异沉降方法相比，该技术方案具有处治效果好、施工便捷、且不影响道路正常运营等显著优势。——论文作者：刘汉龙

文章名称：岩土工程技术创新方法与实践

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