張建民教學(xué)課題組：讓構(gòu)造與土體的接觸面不再神秘 -編號:CM24168

2015-02-08 12:25 來源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

清華土水學(xué)院張建民教學(xué)等實現(xiàn)的“大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)試驗系統(tǒng)研制及運用”項目獲2013年度國度技術(shù)發(fā)現(xiàn)獎一等獎

　　在各種工程建設(shè)中，我們可以看到無論結(jié)構(gòu)在地面、地下或海上，都依然會波及到結(jié)構(gòu)與土體獨特工作問題，接觸面的熟習(xí)“身影”會顯現(xiàn)在各種工程結(jié)構(gòu)與土系統(tǒng)統(tǒng)之中。對張建民和他的團隊來說，路還很長，還須要不斷探索、探索，再探索。

從工程實踐中萌發(fā)的研究目的

　　在“地質(zhì)之角”西北側(cè)的一處儉樸的辦公室里，我們見到了這片“石林”的主要籌建者張建民傳授。“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”的過程，張建民和他的團隊破費了十多年時光，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設(shè)備、測試技術(shù)、基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用諸方面完成了系列翻新，并由此取得2013年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

服務(wù)于各種工程結(jié)構(gòu)設(shè)計論證

　穿過清華大學(xué)水利系泥沙實驗室的門廊，便步入了一片重疊著款式、材質(zhì)、色彩各具特點石塊的園林。園中或臥或破的逾百塊巨石講述著地質(zhì)歷史的變遷和演進——這里被稱為“地質(zhì)之角”，也是對學(xué)生進行地質(zhì)專業(yè)教導(dǎo)的特色園地，里面的石塊是近10年間逐個從祖國大江南北搜查搬運過來的。

　要找到暗藏的科學(xué)規(guī)律，需從研制精細有效的測試設(shè)備開始。十多年前，張建民和他的團隊開端著手進行接觸面力知識題研究時，國內(nèi)外還不一臺大型接觸面試驗設(shè)備。在張建民的領(lǐng)導(dǎo)下，博士生張嘎承擔(dān)起研制大型二維接觸口試驗設(shè)備的任務(wù)。剛開始時，師生倆每隔幾天就要探討一次，對手里僅有的一張概念圖紙進行重復(fù)修正、斟酌。當(dāng)概念圖根本完善，需要找機械廠進行機械設(shè)計加工時，找的多少個廠家都感到技術(shù)難、危險大而不愿承當(dāng)。輾轉(zhuǎn)一個多月，他們才終于找到了一個廠家，進入設(shè)備制作的軌道。之后，他們又發(fā)展了設(shè)備的液壓系統(tǒng)和節(jié)制電路研發(fā)等工作�？梢哉f，這臺大型二維接觸面設(shè)備是師生倆一點一點“攢”起來的，固然過程很艱難，但正由于他們主導(dǎo)并參加了設(shè)備的每個細節(jié)，因而可能聯(lián)合接觸面研究的特色，以較小的本錢研制成功一臺有特色的試驗設(shè)備。

歷經(jīng)十余載的探索之路

　　在研制裝備的基礎(chǔ)上，他們首次準(zhǔn)確測定了接觸面內(nèi)土顆粒平移與滾動及接觸面特點厚度，并通過大量試驗,銀行內(nèi)訓(xùn)，再現(xiàn)了地震等實際加載運行條件下不同土體資料與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)行動。恰是通過大批的試驗積聚和深刻探索，他們揭示了結(jié)構(gòu)與土體接觸面的物態(tài)演變律、強度律、剪切律、剪脹律和緊縮律等五項基礎(chǔ)的本構(gòu)規(guī)律。為什么會存在這樣的法則？張建民和團隊持續(xù)投入到說明物理機制和建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的工作中，構(gòu)筑了接觸面本構(gòu)建模的實踐框架和三維彈塑性本構(gòu)模型以及可滿意不同精度要求的系列本構(gòu)模式，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了系列化的接觸面數(shù)值模擬技術(shù)。

名目成員

　　經(jīng)由改造開放30多年來的發(fā)展，中國的工程建設(shè)技術(shù)在相稱多的領(lǐng)域已經(jīng)處于國際當(dāng)先水平，總體上已經(jīng)到達國際進步水平。工程實際的技術(shù)“先行一步”和缺少科學(xué)理論支撐帶來的技術(shù)難題，為像張建民這樣的團隊提供了充足發(fā)揮才智的機遇與舞臺。

　無論在城市還是城市，無論你走進地鐵、走上堤壩仍是大橋，簡直所有的建筑結(jié)構(gòu)都會涉及到土體與結(jié)構(gòu)的 “接觸面”問題。各類結(jié)構(gòu)材料與其四周土體變形才能的顯著差別，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與土體在其接觸面處產(chǎn)生應(yīng)力集中甚至非持續(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)安全最癥結(jié)的部位之一。假如不能明白懂得接觸面的特性規(guī)律，會直接影響到結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合感性。遺憾的是，因為接觸面問題處于結(jié)構(gòu)力學(xué)與土力學(xué)的接壤地帶，多年來國內(nèi)外鮮有人對這個問題進行深入研究，尚缺乏對各種接觸面力學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)認知和理論描寫，而且已有的測試設(shè)備往往小而簡略，無奈為工程實踐提供科學(xué)的測試和評價手段。

　　張建民在國內(nèi)學(xué)習(xí)時主要的研究方向是巖土工程，而在東京工業(yè)大學(xué)則傾向于結(jié)構(gòu)工程的研究，這種復(fù)合型知識體制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，開始了對結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)問題連續(xù)十多年的探究。

科學(xué)研究是一種境界

●記者程曦王冰冰實習(xí)記者宋爽

　 “大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)測試系統(tǒng)研制及應(yīng)用”項目經(jīng)專家鑒定總體達到國際領(lǐng)先水平，針對接觸面發(fā)表的論文總數(shù)和援用次數(shù)在國內(nèi)外占顯明上風(fēng)，得到普遍引用和高度評價。項目還直接推廣應(yīng)用到公伯峽和馬來西亞巴貢等地的高壩、地鐵、建筑、橋基、港航、海上風(fēng)電等國內(nèi)外大型工程結(jié)構(gòu)設(shè)計論證中，其中巴貢水電站是中國在海外已承建的最大裝機容量的水電站。它還支撐了五部設(shè)計規(guī)范尺度的修訂，為各種結(jié)構(gòu)與土體共同工作系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供了基礎(chǔ)性測評技術(shù)平臺，使接觸面力學(xué)行為的測試和評價實現(xiàn)了從以往的半經(jīng)驗到科學(xué)化、合理化、精細化水平的跨越，提高了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜動力設(shè)計和變形控制水平，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

讓結(jié)構(gòu)與土體的接觸面不再神秘

　十多年間的艱巨困苦和血汗汗水，張建民視之漠然。“對每位從事科學(xué)研究的人，都已經(jīng)習(xí)慣了不斷遇到問題、一直解決問題、進而不斷摸索的過程。在科研中不斷積累教訓(xùn)和加深認知能夠幫咱們構(gòu)成大抵的方向感，一步一步不斷有所提高和發(fā)明。”

圖為大型三維接觸面試驗機。

　　在他看來，這個歷時十多年的項目重要得益于清華良好的科學(xué)研究平臺和氣氛、優(yōu)良的研究生群體以及中國工程建設(shè)高速發(fā)展所提供的難得機會和挑釁。

　　獲獎團隊的 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跑，從原始設(shè)備的改革，再到二維的，最后到三維的，從枯燥加載到復(fù)雜輪回加載，從細粒土到粗粒土、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，不斷完美設(shè)備的更新進級和完成不同系列的試驗成果。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能源學(xué)試驗設(shè)備，彌補了海內(nèi)外在大型接觸面實驗技術(shù)范疇的空缺。國際土力學(xué)及巖土工程學(xué)會前主席平托教授評價說，他們“勝利地完成了一個有原創(chuàng)性的各種結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)性態(tài)測試技術(shù)平臺。”

項目名稱

　　張建民張嘎胡拂曉侯文峻馮大闊張雷

　　作為一個利用實例，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)化進程中，張建民團隊的研討結(jié)果施展了主要作用。擠壓式邊墻技巧有助于進步面板堆石壩的施工進度和施工品質(zhì)，但也使得大壩的構(gòu)造更為龐雜，發(fā)生了邊墻與面板、邊墻與墊層料等接觸面。張建民團隊采取項目研發(fā)的測試技術(shù)針對這些接觸面進行了體系的試驗，在此基本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的堆石壩體跟數(shù)十厘米量級的擠壓式邊墻引起的不同標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模仿的計算技術(shù)困難，明顯地提高了盤算精度和效力；另一方面，為公道評價擠壓式邊墻的保險性供給了迷信根據(jù)，通過系統(tǒng)的實驗及數(shù)值模擬剖析，他們還得出了“擠壓邊墻與混凝土面板之間的接觸面內(nèi)不涂抹乳化瀝青前提下面板應(yīng)力也在工程平安請求范疇之內(nèi)”的論斷并被實際施工采用，顯著節(jié)儉了工程用度，得到了建設(shè)單位的高度評估。

　　項目培育的5名博士畢業(yè)生，從讀博士的第一天起，就緊緊記住了張建民對學(xué)生的 “六個字、一句話”——“襟懷、目光、境界”，要求學(xué)生做學(xué)問首先要學(xué)會做人，其次作為科學(xué)工作者，襟懷胸襟、眼力、境界比常識更為重要，“進門我教你，出門你教我”，鼓勵學(xué)天生為走在各自研究領(lǐng)域前沿的專家。

　　大型結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)試驗系統(tǒng)研制及應(yīng)用

　　結(jié)構(gòu)與土體接觸面是各類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的要害基礎(chǔ)性難題和安全控制的單薄環(huán)節(jié)。該項目研發(fā)了大中小型成套接觸面力學(xué)試驗設(shè)備、精密測試技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)和試驗成果數(shù)據(jù)庫等四方面的系統(tǒng)成果，提出了由整機真三維接觸面加載技術(shù)、高精度接觸面法向掌握技術(shù)、接觸面位移變形精密量測技術(shù)、柔性接觸面及多功效測試技術(shù)和系列化接觸面數(shù)值模擬技術(shù)等五項技術(shù)發(fā)明，已應(yīng)用到高壩、修筑、港航、高鐵、地鐵、海優(yōu)勢電等國內(nèi)外大型工程及5部設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)訂正，為接觸面力學(xué)行為的測評提供了基礎(chǔ)性技術(shù)平臺，使接觸面力學(xué)行為的測評實現(xiàn)了從以往的半經(jīng)驗到科學(xué)、合理和精致化技術(shù)程度的逾越。

　　上世紀(jì)90年代，張建民從日本東京產(chǎn)業(yè)大學(xué)修建系獲得博士學(xué)位，進入日本最大的土木建造團體公司之一——凈水建設(shè)株式會社的技術(shù)研究所擔(dān)負研究工程師，他的主要工作義務(wù)就是為解決公司設(shè)計部分碰到的各種工程問題提供技術(shù)支持。在此過程中他逐步意識到，接觸面力學(xué)識題是各種結(jié)構(gòu)特殊是大型結(jié)構(gòu)的變形把持、安全評價和優(yōu)化設(shè)計中亟需解決的基礎(chǔ)性科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　“我們團隊研究的問題基本上都來自于工程實踐，最后又全體‘返回’到工程實踐中去。從實踐中來，再到實踐中去，是研究工程科學(xué)問題的必由之路。對我們發(fā)展中國家的從事工程科學(xué)研究的人來說，重要的是要保持‘需要導(dǎo)向，重點沖破，跨越發(fā)展’，才干為解決工程實踐問題作出力不勝任的奉獻。”張建民說。

　　起源：新清華　2014-02-28

　　以大量試驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，張建民和他的團隊清楚說明了土性、結(jié)構(gòu)面板和加載方法等三類十多種主要因素對結(jié)構(gòu)與土體接觸面靜動力學(xué)特征影響的基本規(guī)律和物理機制，樹立了存在適用價值的接觸面力學(xué)試驗數(shù)據(jù)庫。各種土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性終于不再神秘，有了意識、掌握和評價其變更規(guī)律的有效工具和手腕。

圖為水利系張建民教授等完成項目中，接觸面力學(xué)測試技術(shù)與典范成果。

項目先容