讓構造與土體的接觸面不再神秘 - 清華大學消息網

2014-06-15 20:32 來源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

　　項目名稱：大型結構與土體接觸面力學試驗系統(tǒng)研制及應用

　　一日千里的中國工程建設范疇，有太多要害性的技術問題正等候著不斷加以探索和解決。在各種工程建設中，我們可以看到無論結構在地面、地下或海上，都依然會波及到結構與土體獨特工作問題，接觸面的熟習“身影”會顯現在各種工程結構與土體制統(tǒng)之中。對張建民和他的團隊來說，路還很長，還需要不斷探索、探索，再探索。

　　在研制設備的基礎上，他們首次準確測定了接觸面內土顆粒平移與滾動及接觸面特點厚度，并通過大批實驗,清華工商培訓班，再現了地震等實際加載運行條件下不同土體資料與結構接觸面的力學行為。恰是通過這樣大量的試驗積累和深刻探究，他們揭示了結構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本的本構規(guī)律。這還遠遠不夠。為什么會存在這樣的規(guī)律？張建民和團隊持續(xù)投入到說明物理機制和建構數學模型的工作中，他們構筑了接觸面本構建模型理論框架和三維彈塑性本構模型以及可滿意不同精度要求的系列本構模式，在此基礎上發(fā)明了系列化的接觸面數值模擬技術。

　　在張建民看來，這個歷時十多年的項目之所以可以持續(xù)推動并獲得一系列創(chuàng)新成果，主要得益于清華很好的科學研究平臺和氣氛、無比優(yōu)秀的研究生群體以及中國工程建設高速發(fā)展所提供的難得機會和挑釁。

　　張建民在國內學習時重要的研究方向是巖土工程，而在東京產業(yè)大學則傾向于結構工程的研究，這樣的復合型常識系統(tǒng)為他著手研究結構與土體接觸面力學問題打下了良好的基本。在凈水建設工作5年后，張建民回到清華水利系任教，開始了對結構與土體接觸面力學問題連續(xù)十多年的探索。

　　這個項目培育的5名博士畢業(yè)生中，既有目前清華水利系最年青的傳授，也有當年的清華優(yōu)良博士論文失掉者，還有在建設部和中建總公司工作、直接為中國工程建設事業(yè)作著貢獻的清華學子。從他們讀博士的第一天起，就緊緊記住了老師對自己“六個字、一句話”的要求——“六個字”就是襟懷、目光、境界，做學問首先要學會做人，科學工作者應有的襟懷胸襟、眼力、境界甚至比學識和創(chuàng)新能力更重要；“一句話”就是“進門我教你，出門你教我”，以此鼓勵學生在本人研究的領域成為走在學科前沿的專家。

　　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，十多年間他們先后一棒接一棒的接力長跑，他們的設備逐漸改造完善。從原始設備的改革，再到二維的，最后到三維的，從枯燥加載到復雜輪回加載，從細粒土到粗粒土、從鋼材結構面到混凝土和巖石結構面，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試驗設備彌補了國內外在大型接觸面實驗技術領域的空缺。國際土力學及巖土工程學會前主席Pinto評價說，他們“成功地完成了一個有原創(chuàng)性的各種結構與土體接觸面力學性態(tài)測試技術平臺。”

　　上世紀90年代，張建民從日本東京工業(yè)大學建筑系取得博士學位，進入日本最大的土木建筑團體公司之一——清水建設株式會社的技術研究所擔負研究工程師，主要工作任務之一是為解決公司設計部分遇到的各種工程問題提供技術支持，在此過程中他逐步意識到，接觸面力學問題是各種結構、特殊是大型結構的變形控制、安全評價和優(yōu)化設計中急需解決的基礎性科學難題和技術挑戰(zhàn)。

對于2013年度國家技術發(fā)現獎一等獎的話題

科學研究是一種境界

從工程實踐中萌發(fā)的研究目標

　　“咱們團隊研究的問題根本上都來自于工程實踐，最后又全體‘返回’到工程實際中去。從實踐中來，再到實踐中去，是研究工程科知識題的必由之路。對發(fā)展中國度從事工程科學研究的人來說，十分主要的是要保持‘需要導向，重點沖破，逾越發(fā)展’，才干有所作為，為解決工程實踐問題做出力不勝任的奉獻。” 張建民說。

服務于各種工程結構設計論證

　　十多年中遇到的艱巨困苦、付出的血汗汗水，張建民視之漠然。他說：“對每位從事科學研究的人，都已經習慣了不斷碰到問題、不斷解決問題、進而不斷探索的過程。我們也并不認為這些問題是如許難以超越的艱苦，遇到問題不斷摸索、努力解決就是了。在科研中不斷積聚經驗和加深認知可以幫我們構成大抵的方向感，一步一步一直有所提高和發(fā)明。”

　　作為一個運用實例，在黃河上游兩座高面板堆石壩的擠壓式邊墻技術的論證和優(yōu)化過程中，張建民團隊的研究結果施展了重要作用。擠壓式邊墻技術有助于進步面板堆石壩的施工進度和施工品質，但也使得大壩的結構更為龐雜，發(fā)生了邊墻與面板、邊墻與墊層料等接觸面。張建民團隊采取名目研發(fā)的測試技術針對這些接觸面進行了系統(tǒng)的試驗，在此基礎上提出了有效的擠壓式邊墻等效數值模型及算法，一方面，較好地解決了百米量級的堆石壩體和數十厘米量級的擠壓式邊墻引起的不同標準數值模仿的計算技術困難，顯著地提高了盤算精度和效力；另一方面，為合理評估擠壓式邊墻的平安性供給了科學根據，通過系統(tǒng)的試驗及數值模擬剖析，他們還得出了“擠壓邊墻與混凝土面板之間的接觸面內不涂抹乳化瀝青前提下面板應力也在工程保險請求范疇之內”的論斷并被實際施工采用，明顯節(jié)儉了工程用度，得到了建設單位的高度評價。

　　無論在城市還是城市，無論你走進地鐵、走上堤壩仍是大橋，簡直所有的修筑結構都會涉及到土體與結構的“接觸面”問題。各類結構材料與其四周土體變形能力的顯著差別，會導致結構與土體在其接觸面處產生應力集中甚至非持續(xù)剪切大變形，所以結構與土體接觸面成為控制結構系統(tǒng)安全最關鍵的部位之一。假如不能明白懂得接觸面的特征規(guī)律，會直接影響到結構應用的安全性和結構設計的合感性。遺憾的是，因為接觸面問題處于結構力學與土力學的接壤地帶，多年來國內外鮮少有人對這個問題進行深入的研究，尚缺少對各種接觸面力學規(guī)律的系統(tǒng)認知和理論描寫，而且已有的測試設備往往小而簡略，無奈為工程實踐提供科學的測試和評價手腕。

歷經十余載的探索之路

　　要找到暗藏的迷信法則，需從研制精細有效的測試設備開始。十多年前，張建民跟他的團隊開始著手進行接觸面力學識題研究時，海內外還沒有一臺大型接觸口試驗設備，不現成的試驗技巧及研討教訓可以鑒戒。在張建民的領導下，博士生張嘎承擔起研制大型二維接觸面實驗設備的義務。剛開端的時候，師生倆每隔多少天就要探討一次，對手里僅有的一張概念圖紙進行重復修正、斟酌，力爭每個部件都最公道、有所翻新。而當概念圖基礎完美、進入詳細設計環(huán)節(jié)時，他們須要找機械廠進行機械設計和加工。然而找了幾個廠家，都感到技術難、危險大而不愿承當。張建民沒有廢棄，在他的激勵下，張嘎手捧一本北京電話黃頁，逐個給北京的機械廠打電話訊問。一旦對方表示出必定的才能和動向，他就立刻趕從前探討配合的可能性。輾轉歷時一個多月，才終于找到了一家機械廠，進入設備制作的軌道。之后，他又發(fā)展了設備的液壓體系和把持電路研發(fā)等工作。能夠說，這臺大型二維接觸面設備是師生倆一點一點“攢”起來的，固然進程很艱難，但正由于他們主導并參加了設備的每個細節(jié)，因而可能聯(lián)合接觸面研究的特色，以較小的本錢研制勝利一臺有特點的試驗裝備。

起源：科技日報 2014-1-11 程曦王冰冰宋爽

　　項目先容：結構與土體接觸面是各類工程結構設計中的癥結基礎性難題和安全掌握的單薄環(huán)節(jié)。該項目研發(fā)了大中小型成套接觸面力學試驗設備、精密測試技術、數值模擬技術和試驗成果數據庫等四方面的系統(tǒng)成果，提出了由整機真三維接觸面加載技術、高精度接觸面法向節(jié)制技術、接觸面位移變形精密量測技術、柔性接觸面及多功效測試技術和系列化接觸面數值模擬技術等五項技術發(fā)明，已應用到高壩、建造、港航、高鐵、地鐵、海優(yōu)勢電等國內外大型工程及5部設計標準訂正，為接觸面力學行動的測評提供了基礎性技術平臺，使接觸面力學行為的測評實現了從以往的半經驗到科學、合理和精致化技術程度的跨越。

　　經由改造開放30多年的發(fā)展，中國的工程建設技術在相稱多的領域已經處于國際當先水平，總體上已經到達國際進步水平。工程實踐的技術“先行一步”和缺乏科學理論支撐帶來的技術難題，為像張建民團隊這樣的科研工作者提供了發(fā)揮聰慧才智的良好機遇和舞臺。

讓構造與土體的接觸面不再神秘

　　在“地質之角”西北側的一處儉樸的辦公室里，我們見到了這片石叢的主要籌建者張建民教學。“地質之角”的建設當然只是他的“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，從設備研制的基礎工作做起，在各種結構與土體接觸面的試驗設備、測試技術、基礎實踐和工程利用諸方面實現了系列立異，并由此取得2013年度國家技術創(chuàng)造獎一等獎。

　　帶著這樣的目的，博士生們追隨張建民投身高壩、地鐵、高層修建基礎、港航工程等大型項目標研究和實踐，在試驗設備研制、測試技術開發(fā)、基本規(guī)律發(fā)現、數學模型構建、試驗數據庫樹立等各環(huán)節(jié)中切實領會到“求實、求真、求新”的樂趣，感悟科研工作自身的境界。

　　穿過清華大學水利系泥沙實驗室的門廊，便步入了一片重疊著款式、材質、色彩各具特色的石塊的園林，園中或臥或立的逾百塊巨石講述著地質歷史的變遷和演進——這里被稱為“地質之角”，也是對學生進行地質專業(yè)教導的特色園地，里面的石塊是近10年間一一從祖國大江南北搜查搬運過來的。

　　完成人：張建民、張嘎、胡拂曉、侯文峻、馮大闊、張雷

　　以大量試驗數據和數學模型為依據，張建民和他的團隊清楚說明了土性、結構面板和加載方法等三類十多種主要因素對結構與土體接觸面靜動力學特性影響的基本規(guī)律和物理機制，建破了存在適用價值的接觸面力學試驗數據庫。各種土與結構接觸面的力學特性終于不再神秘，有了意識、掌握和評價其變更規(guī)律的有效工具和手段。

　　“大型結構與土體接觸面力學測試系統(tǒng)研制及應用”項目經專家鑒定總體達到國際領先水平，針對接觸面發(fā)表的論文總數和援用次數在國內外占顯明上風，得到普遍引用和高度評價。除了學術上的創(chuàng)新成果，項目更直接推廣應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、海上風電等國內外大型工程結構設計論證中，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。它還支撐了五部設計規(guī)范尺度的修訂，為各種結構與土體共同工作系統(tǒng)的研究和設計提供了基礎性測評技術平臺，使接觸面力學行為的測試和評價實現了從以往的半經驗到科學化、合理化、精細化水平的跨越，提高了結構系統(tǒng)靜動力設計和變形控制水平，取得了顯著的社會和經濟效益。