中交集團破解世界級巖土理論難題

曹煦

中交天津港灣工程研究院教授級高級工程師黃傳志

“基礎(chǔ)不牢，地動山搖”，不要說超級工程港珠澳大橋，就算是任何一個小碼頭，解決地基承載力問題都是最基礎(chǔ)卻又最重要的課題。由于巖土的復(fù)雜性，土坡穩(wěn)定、地基承載力等問題，困擾著百余年來世界各地的巖土工程師。

在這樣一個相對冷僻的領(lǐng)域，中交天津港灣工程研究院（下稱“港研院”）教授級高級工程師黃傳志花了30年時間，提出了“土體廣義極限平衡理論”。這一理論解決了不同類別、不同狀態(tài)地基承載力的計算難題，提出的計算方法適用范圍更廣泛、計算結(jié)果更可靠，它可以使工程設(shè)計更科學(xué)、更完善。

雖然該理論不直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益，但對社會貢獻不可小覷。現(xiàn)在，中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院（下稱“中交一航院”）幾乎每天都在應(yīng)用該理論，有近3億的產(chǎn)值都與此相關(guān)。

從理論走向?qū)嵺`，在中國所有水運工程設(shè)計中使用

在黃傳志的理論面世前，工程師們計算土坡穩(wěn)定、地基承載力的傳統(tǒng)方法，是根據(jù)半經(jīng)驗、半理論的分析確定所設(shè)計建造工程的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)方法雖然直觀方便，但卻存在一個天然缺陷，那就是靠假定值估算而獲得的結(jié)果并不精確。有時候，加大了安全考慮，會增加成本;有時候，對承載力估計不足，有可能會留下安全隱患。

比如，在某深水航道治理工程中，按照傳統(tǒng)計算方法，工程是安全的，可按照黃傳志的方法計算，工程接近了安全臨界狀態(tài)，這樣施工是不安全的。后來，這個工程在遇到寒潮極端惡劣天氣的狀況下，由于出現(xiàn)地基承載力方面的問題，造成工程結(jié)構(gòu)的破壞。

再比如，在某防波堤施工過程中，傳統(tǒng)方法計算的結(jié)論是，按照常規(guī)施工速率，會導(dǎo)致工程不安全。最終，工程設(shè)計單位采取了降低施工速率的措施。這讓業(yè)主和施工單位大為撓頭，上百人的施工隊伍因為“不安全”而窩工。可工期不等人，緊急中，他們找到了黃傳志。

黃傳志用他的理論計算，確定“正常的施工速率不影響工程安全”。他主動找設(shè)計單位溝通，最終工程進展終于恢復(fù)正常，工程如期完工。如今，這條防波堤依然在茫茫大海上巋然不動。

一項新的理論需要在實踐中得到精確驗證才能全面推廣。據(jù)中交第一航務(wù)工程局副總工程師、港研院總工程師葉國良介紹，港研院采用“廣義極限平衡理論”和傳統(tǒng)方法對50余項實際工程資料分別進行了計算，分析結(jié)果表明，前者的計算方法比后者更為科學(xué)合理，適用條件更廣泛。

如今，在中國水運工程建設(shè)的每一項工程設(shè)計中，設(shè)計師們都根據(jù)黃傳志的理論選擇更加經(jīng)濟合理、安全可靠的設(shè)計方案。而且該項理論不僅僅適用于水運工程。

2010年，經(jīng)過專家的充分論證評審，采用“廣義極限平衡理論”的邊坡穩(wěn)定、地基承載力的計算方法被納入《港口工程地基規(guī)范》（JTS147-1-2010），該規(guī)范獲得2012年中國水運建設(shè)行業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。這標志著“廣義極限平衡理論”在實踐層面得到確立和肯定。

帶動近3億產(chǎn)值

隨著我國港口建設(shè)深水化、大型化發(fā)展，港口建設(shè)過程中挖出的海底軟土多被吹送到岸，填造土地。這既滿足了港口建設(shè)的需求，增加了寶貴的國土面積，又避免了軟土的亂排亂拋造成的環(huán)境污染。而吹填軟土的地基處理和其上的工程建設(shè)，地基的安全穩(wěn)定是非常重要的。

隨著《港口工程地基規(guī)范》（JTS147-1-2010）的頒布實施，“廣義極限平衡理論”已經(jīng)在大量的工程設(shè)計和建設(shè)中得到應(yīng)用。

根據(jù)該理論，港研院組織開發(fā)了“港口工程地基計算系統(tǒng)2008版”軟件，目前已全面推廣到全國各大水運工程設(shè)計院和大專院校港航專業(yè)使用，為一座座碼頭、橋梁、大廈的設(shè)計安全奠定堅實的理論基礎(chǔ)。現(xiàn)在，中交一航院幾乎每天都在用這套軟件，近3億的產(chǎn)值都和此軟件有關(guān)。

長期使用該軟件作為設(shè)計工具的中交一航院副總工程師李元音告訴《中國經(jīng)濟周刊》：“廣義極限平衡理論”已在國內(nèi)大連港、天津港、青島港、洋山港、廣州港等沿海港口的建設(shè)中得到全面應(yīng)用和驗證，可以說支撐和引領(lǐng)了我國“十一五”以來的離岸深水港建設(shè)。

專家點評

天津大學(xué)巖土工程研究所所長閆澍旺：

工程領(lǐng)域的理論探索更需要堅持和耐力

巖土工程學(xué)科自誕生以來，一直都是以“極限平衡理論”作為解決問題的理論基礎(chǔ)，多少年來，無數(shù)名家、智者在這方面已經(jīng)殫思極慮。各種傳統(tǒng)的計算邊坡穩(wěn)定的方法中，由于未知數(shù)個數(shù)多于方程個數(shù)，不得不做某些假定。黃傳志提出的理論方法成功地解決了這個問題，不需要做這些容易帶來誤差的假定，因而成為一種精確的方法。他不但取得了理論上的創(chuàng)新性的成果，而且將其應(yīng)用到工程設(shè)計中，使水運工程的邊坡設(shè)計方法更加精確。

在冷門學(xué)科進行理論上的探索而欲有所收獲，近乎漁于竭澤、獵于沙丘，需要承受孤獨和失敗，需要抵御市場經(jīng)濟環(huán)境中的物質(zhì)誘惑。而且，工程領(lǐng)域科學(xué)難題的解決不像解決自然科學(xué)難題那樣具有轟動效應(yīng)，而且認知度也比較低。竭畢生之力做一件名不彰利不厚之事，確實是需要一點精神的，探索者黃傳志成功了。