清華土水學(xué)院張建民教授等完成的“大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用”項(xiàng)目獲2013年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)
讓結(jié)構(gòu)與土體的接觸面不再神秘
●記者 程 曦 王冰冰 實(shí)習(xí)記者 宋 爽
項(xiàng)目名稱
大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用
項(xiàng)目成員
張建民 張嘎 胡黎明 侯文峻 馮大闊 張雷
項(xiàng)目介紹
結(jié)構(gòu)與土體接觸面是各類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)性難題和安全控制的薄弱環(huán)節(jié)。該項(xiàng)目研發(fā)了大中小型成套接觸面力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備、精密測(cè)試技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)和試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)庫(kù)等四方面的系統(tǒng)成果，提出了由整機(jī)真三維接觸面加載技術(shù)、高精度接觸面法向控制技術(shù)、接觸面位移變形精密量測(cè)技術(shù)、柔性接觸面及多功能測(cè)試技術(shù)和系列化接觸面數(shù)值模擬技術(shù)等五項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，已應(yīng)用到高壩、建筑、港航、高鐵、地鐵、海上風(fēng)電等國(guó)內(nèi)外大型工程及5部設(shè)計(jì)規(guī)范修訂，為接觸面力學(xué)行為的測(cè)評(píng)提供了基礎(chǔ)性技術(shù)平臺(tái)，使接觸面力學(xué)行為的測(cè)評(píng)實(shí)現(xiàn)了從以往的半經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)、合理和精細(xì)化技術(shù)水平的跨越。
圖為水利系張建民教授等完成項(xiàng)目中，接觸面力學(xué)測(cè)試技術(shù)與典型結(jié)果。
圖為大型三維接觸面試驗(yàn)機(jī)。
穿過(guò)清華大學(xué)水利系泥沙實(shí)驗(yàn)室的門廊，便步入了一片堆疊著樣式、材質(zhì)、顏色各具特色石塊的園林。園中或臥或立的逾百塊巨石講述著地質(zhì)歷史的變遷和演進(jìn)——這里被稱為“地質(zhì)之角”，也是對(duì)學(xué)生進(jìn)行地質(zhì)專業(yè)教育的特色園地，里面的石塊是近10年間逐一從祖國(guó)大江南北搜尋搬運(yùn)過(guò)來(lái)的。
在“地質(zhì)之角”西北側(cè)的一處簡(jiǎn)樸的辦公室里，我們見到了這片“石林”的主要籌建者張建民教授。“地質(zhì)之角”的建設(shè)只是他的“副業(yè)”，然而正如多年如一日一塊一塊為這里 “添磚加瓦”的過(guò)程，張建民和他的團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了十多年時(shí)間，從設(shè)備研制的基礎(chǔ)工作做起，在各種結(jié)構(gòu)與土體接觸面的試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試技術(shù)、基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用諸方面完成了系列創(chuàng)新，并由此獲得2013年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
從工程實(shí)踐中萌生的研究目標(biāo)
無(wú)論在城市還是鄉(xiāng)村，無(wú)論你走進(jìn)地鐵、走上堤壩還是大橋，幾乎所有的建筑結(jié)構(gòu)都會(huì)涉及到土體與結(jié)構(gòu)的 “接觸面”問(wèn)題。各類結(jié)構(gòu)材料與其周圍土體變形能力的顯著差異，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與土體在其接觸面處發(fā)生應(yīng)力集中甚至非連續(xù)剪切大變形，所以結(jié)構(gòu)與土體接觸面成為控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全最關(guān)鍵的部位之一。如果不能清楚了解接觸面的特性規(guī)律，會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)使用的安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。遺憾的是，由于接觸面問(wèn)題處于結(jié)構(gòu)力學(xué)與土力學(xué)的交界地帶，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外鮮有人對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，尚缺乏對(duì)各種接觸面力學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)知和理論描述，而且已有的測(cè)試設(shè)備往往小而簡(jiǎn)單，無(wú)法為工程實(shí)踐提供科學(xué)的測(cè)試和評(píng)價(jià)手段。
上世紀(jì)90年代，張建民從日本東京工業(yè)大學(xué)建筑系取得博士學(xué)位，進(jìn)入日本最大的土木建筑集團(tuán)公司之一——清水建設(shè)株式會(huì)社的技術(shù)研究所擔(dān)任研究工程師，他的主要工作任務(wù)就是為解決公司設(shè)計(jì)部門遇到的各種工程問(wèn)題提供技術(shù)支撐。在此過(guò)程中他逐漸意識(shí)到，接觸面力學(xué)問(wèn)題是各種結(jié)構(gòu)特別是大型結(jié)構(gòu)的變形控制、安全評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中亟需解決的基礎(chǔ)性科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。
張建民在國(guó)內(nèi)學(xué)習(xí)時(shí)主要的研究方向是巖土工程，而在東京工業(yè)大學(xué)則偏向于結(jié)構(gòu)工程的研究，這種復(fù)合型知識(shí)體系為他日后的研究打下了良好基礎(chǔ)。在日本工作5年后，張建民回到清華水利系任教，開始了對(duì)結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)問(wèn)題持續(xù)十多年的探究。
歷經(jīng)十余載的探索之路
要找到隱藏的科學(xué)規(guī)律，需從研制精密有效的測(cè)試設(shè)備開始。十多年前，張建民和他的團(tuán)隊(duì)開始著手進(jìn)行接觸面力學(xué)問(wèn)題研究時(shí)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一臺(tái)大型接觸面試驗(yàn)設(shè)備。在張建民的指導(dǎo)下，博士生張嘎承擔(dān)起研制大型二維接觸面試驗(yàn)設(shè)備的任務(wù)。剛開始時(shí)，師生倆每隔幾天就要討論一次，對(duì)手里僅有的一張概念圖紙進(jìn)行反復(fù)修改、推敲。當(dāng)概念圖基本完善，需要找機(jī)械廠進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)加工時(shí)，找的幾個(gè)廠家都覺(jué)得技術(shù)難、風(fēng)險(xiǎn)大而不愿承擔(dān)。輾轉(zhuǎn)一個(gè)多月，他們才終于找到了一個(gè)廠家，進(jìn)入設(shè)備制造的軌道。之后，他們又開展了設(shè)備的液壓系統(tǒng)和控制電路研發(fā)等工作。可以說(shuō)，這臺(tái)大型二維接觸面設(shè)備是師生倆一點(diǎn)一點(diǎn)“攢”起來(lái)的，雖然過(guò)程很艱苦，但正因?yàn)樗麄冎鲗?dǎo)并參與了設(shè)備的每個(gè)細(xì)節(jié)，因此能夠結(jié)合接觸面研究的特點(diǎn)，以較小的成本研制成功一臺(tái)有特色的試驗(yàn)設(shè)備。
獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)的 6位成員中 5位都曾是清華水利系本科畢業(yè)的直博生，十多年間他們一棒接一棒地接力長(zhǎng)跑，從原始設(shè)備的改造，再到二維的，最后到三維的，從單調(diào)加載到復(fù)雜循環(huán)加載，從細(xì)粒土到粗粒土、從鋼材結(jié)構(gòu)面到混凝土和巖石結(jié)構(gòu)面，從硬性接觸面到柔性接觸面，從小變形到大變形，不斷完善設(shè)備的更新升級(jí)和完成不同系列的試驗(yàn)成果。他們發(fā)明研制的這套以大型為主、大中小型配套的高精度接觸面靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在大型接觸面實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的空白。國(guó)際土力學(xué)及巖土工程學(xué)會(huì)前主席平托教授評(píng)價(jià)說(shuō)，他們“成功地完成了一個(gè)有原創(chuàng)性的各種結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)性態(tài)測(cè)試技術(shù)平臺(tái)。”
在研制設(shè)備的基礎(chǔ)上，他們首次精確測(cè)定了接觸面內(nèi)土顆粒平移與轉(zhuǎn)動(dòng)及接觸面特征厚度，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了地震等實(shí)際加載運(yùn)行條件下不同土體材料與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)行為。正是通過(guò)大量的試驗(yàn)積累和深入探究，他們揭示了結(jié)構(gòu)與土體接觸面的物態(tài)演化律、強(qiáng)度律、剪切律、剪脹律和壓縮律等五項(xiàng)基本的本構(gòu)規(guī)律。為什么會(huì)存在這樣的規(guī)律？張建民和團(tuán)隊(duì)繼續(xù)投入到解釋物理機(jī)制和建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的工作中，構(gòu)筑了接觸面本構(gòu)建模的理論框架和三維彈塑性本構(gòu)模型以及可滿足不同精度要求的系列本構(gòu)模式，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了系列化的接觸面數(shù)值模擬技術(shù)。
以大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，張建民和他的團(tuán)隊(duì)清晰闡明了土性、結(jié)構(gòu)面板和加載方式等三類十多種主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)與土體接觸面靜動(dòng)力學(xué)特性影響的基本規(guī)律和物理機(jī)制，建立了具有實(shí)用價(jià)值的接觸面力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。各種土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性終于不再神秘，有了認(rèn)識(shí)、把握和評(píng)價(jià)其變化規(guī)律的有效工具和手段。
服務(wù)于各種工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論證
“大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)研制及應(yīng)用”項(xiàng)目經(jīng)專家鑒定總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，針對(duì)接觸面發(fā)表的論文總數(shù)和引用次數(shù)在國(guó)內(nèi)外占明顯優(yōu)勢(shì)，得到廣泛引用和高度評(píng)價(jià)。項(xiàng)目還直接推廣應(yīng)用到公伯峽和馬來(lái)西亞巴貢等地的高壩、地鐵、建筑、橋基、港航、海上風(fēng)電等國(guó)內(nèi)外大型工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論證中，其中巴貢水電站是中國(guó)在海外已承建的最大裝機(jī)容量的水電站。它還支撐了五部設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的修訂，為各種結(jié)構(gòu)與土體共同工作系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)性測(cè)評(píng)技術(shù)平臺(tái)，使接觸面力學(xué)行為的測(cè)試和評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)了從以往的半經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)化、合理化、精細(xì)化水平的跨越，提高了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜動(dòng)力設(shè)計(jì)和變形控制水平，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，在黃河上游兩座高面板堆石壩的擠壓式邊墻技術(shù)的論證和優(yōu)化過(guò)程中，張建民團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)揮了重要作用。擠壓式邊墻技術(shù)有助于提高面板堆石壩的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，但也使得大壩的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，產(chǎn)生了邊墻與面板、邊墻與墊層料等接觸面。張建民團(tuán)隊(duì)采用項(xiàng)目研發(fā)的測(cè)試技術(shù)針對(duì)這些接觸面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上提出了有效的擠壓式邊墻等效數(shù)值模型及算法。一方面，較好地解決了百米量級(jí)的堆石壩體和數(shù)十厘米量級(jí)的擠壓式邊墻引起的不同尺度數(shù)值模擬的計(jì)算技術(shù)難題，顯著地提高了計(jì)算精度和效率；另一方面，為合理評(píng)價(jià)擠壓式邊墻的安全性提供了科學(xué)依據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，他們還得出了“擠壓邊墻與混凝土面板之間的接觸面內(nèi)不涂抹乳化瀝青條件下面板應(yīng)力也在工程安全要求范圍之內(nèi)”的結(jié)論并被實(shí)際施工采納，顯著節(jié)約了工程費(fèi)用，得到了建設(shè)單位的高度評(píng)價(jià)。
科學(xué)研究是一種境界
十多年間的艱難困苦和心血汗水，張建民視之淡然。“對(duì)每位從事科學(xué)研究的人，都已經(jīng)習(xí)慣了不斷遇到問(wèn)題、不斷解決問(wèn)題、進(jìn)而不斷探索的過(guò)程。在科研中不斷積累經(jīng)驗(yàn)和加深認(rèn)知可以幫我們形成大致的方向感，一步一步不斷有所進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)。”
在他看來(lái)，這個(gè)歷時(shí)十多年的項(xiàng)目主要得益于清華良好的科學(xué)研究平臺(tái)和氛圍、優(yōu)秀的研究生群體以及中國(guó)工程建設(shè)高速發(fā)展所提供的難得機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
項(xiàng)目培養(yǎng)的5名博士畢業(yè)生，從讀博士的第一天起，就牢牢記住了張建民對(duì)學(xué)生的 “六個(gè)字、一句話”——“胸懷、眼光、境界”，要求學(xué)生做學(xué)問(wèn)首先要學(xué)會(huì)做人，其次作為科學(xué)工作者，胸懷、眼光、境界比知識(shí)更為重要，“進(jìn)門我教你，出門你教我”，勉勵(lì)學(xué)生成為走在各自研究領(lǐng)域前沿的專家。
經(jīng)過(guò)改革開放30多年來(lái)的發(fā)展，中國(guó)的工程建設(shè)技術(shù)在相當(dāng)多的領(lǐng)域已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，總體上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。工程實(shí)踐的技術(shù)“先行一步”和缺乏科學(xué)理論支撐帶來(lái)的技術(shù)難題，為像張建民這樣的團(tuán)隊(duì)提供了充分發(fā)揮才智的機(jī)遇與舞臺(tái)。
“我們團(tuán)隊(duì)研究的問(wèn)題基本上都來(lái)自于工程實(shí)踐，最后又全部‘返回’到工程實(shí)踐中去。從實(shí)踐中來(lái)，再到實(shí)踐中去，是研究工程科學(xué)問(wèn)題的必由之路。對(duì)我們發(fā)展中國(guó)家的從事工程科學(xué)研究的人來(lái)說(shuō)，重要的是要堅(jiān)持‘需求導(dǎo)向，重點(diǎn)突破，跨越發(fā)展’，才能為解決工程實(shí)踐問(wèn)題作出力所能及的貢獻(xiàn)。”張建民說(shuō)。
在各種工程建設(shè)中，我們可以看到無(wú)論結(jié)構(gòu)在地面、地下或海上，都仍然會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)與土體共同工作問(wèn)題，接觸面的熟悉“身影”會(huì)浮現(xiàn)在各種工程結(jié)構(gòu)與土體系統(tǒng)之中。對(duì)張建民和他的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，路還很長(zhǎng)，還需要不斷探索、探索，再探索。
來(lái)源：新清華 2014-02-28
