讓構(gòu)造與土體的接觸面不再神秘 - 清華大學(xué)消息網(wǎng)

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

　　項目名稱：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

　　一日千里的中國工程建設(shè)范疇，有太多要害性的技術(shù)問題正等候著不斷加以探索和解決。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)與土體制統(tǒng)之中。對張建民和他的團(tuán)隊來說，路還很長，還需要不斷探索、探索，再探索。

　　在研制設(shè)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，并通過大批實驗,清華工商培訓(xùn)班，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(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本的本構(gòu)規(guī)律。這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為什么會存在這樣的規(guī)律？張建民和團(tuán)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，他們構(gòu)筑了接觸面本構(gòu)建模型理論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，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)。

　　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(xué)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(shè)高速發(fā)展所提供的難得機會和挑釁。

　　張建民在國內(nèi)學(xué)習(xí)時重要的研究方向是巖土工程，而在東京產(chǎn)業(yè)大學(xué)則傾向于結(jié)構(gòu)工程的研究，這樣的復(fù)合型常識系統(tǒng)為他著手研究結(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)問題打下了良好的基本。在凈水建設(shè)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(dāng)年的清華優(yōu)良博士論文失掉者，還有在建設(shè)部和中建總公司工作、直接為中國工程建設(shè)事業(yè)作著貢獻(xiàn)的清華學(xué)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(xué)問首先要學(xué)會做人，科學(xué)工作者應(yīng)有的襟懷胸襟、眼力、境界甚至比學(xué)識和創(chuàng)新能力更重要；“一句話”就是“進(jìn)門我教你，出門你教我”，以此鼓勵學(xué)生在本人研究的領(lǐng)域成為走在學(xué)科前沿的專家。

　　獲獎團(tuán)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(shè)備逐漸改造完善。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(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)備的更新進(jìn)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)備彌補了國內(nèi)外在大型接觸面實驗技術(shù)領(lǐng)域的空缺。國際土力學(xué)及巖土工程學(xué)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(jié)構(gòu)與土體接觸面力學(xué)性態(tài)測試技術(shù)平臺。”

　　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團(tuán)體公司之一——清水建設(shè)株式會社的技術(shù)研究所擔(dān)負(fù)研究工程師，主要工作任務(wù)之一是為解決公司設(shè)計部分遇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)問題是各種結(jié)構(gòu)、特殊是大型結(jié)構(gòu)的變形控制、安全評價和優(yōu)化設(shè)計中急需解決的基礎(chǔ)性科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

對于2013年度國家技術(shù)發(fā)現(xiàn)獎一等獎的話題

科學(xué)研究是一種境界

從工程實踐中萌發(fā)的研究目標(biāo)

　　“咱們團(tuán)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(xué)研究的人來說，十分主要的是要保持‘需要導(dǎo)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(xiàn)。” 張建民說。

服務(wù)于各種工程結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)研究的人，都已經(jīng)習(xí)慣了不斷碰到問題、不斷解決問題、進(jìn)而不斷探索的過程。我們也并不認(rèn)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(jīng)驗和加深認(rèn)知可以幫我們構(gòu)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(shù)的論證和優(yōu)化過程中，張建民團(tuán)隊的研究結(jié)果施展了重要作用。擠壓式邊墻技術(shù)有助于進(jìn)步面板堆石壩的施工進(jìn)度和施工品質(zhì)，但也使得大壩的結(jié)構(gòu)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(tuán)隊采取名目研發(fā)的測試技術(shù)針對這些接觸面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗，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的堆石壩體和數(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，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(xué)根據(jù)，通過系統(tǒng)的試驗及數(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)力也在工程保險請求范疇之內(nèi)”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(shè)單位的高度評價。

　　無論在城市還是城市，無論你走進(jìn)地鐵、走上堤壩仍是大橋，簡直所有的修筑結(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能力的顯著差別，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)安全最關(guān)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(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)外鮮少有人對這個問題進(jìn)行深入的研究，尚缺少對各種接觸面力學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)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)的測試和評價手腕。

歷經(jīng)十余載的探索之路

　　要找到暗藏的迷信法則，需從研制精細(xì)有效的測試設(shè)備開始。十多年前，張建民跟他的團(tuán)隊開始著手進(jìn)行接觸面力學(xué)識題研究時，海內(nèi)外還沒有一臺大型接觸口試驗設(shè)備，不現(xiàn)成的試驗技巧及研討教訓(xùn)可以鑒戒。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面實驗設(shè)備的義務(wù)。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(jìn)行重復(fù)修正、斟酌，力爭每個部件都最公道、有所翻新。而當(dāng)概念圖基礎(chǔ)完美、進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計環(huán)節(jié)時，他們須要找機械廠進(jìn)行機械設(shè)計和加工。然而找了幾個廠家，都感到技術(shù)難、危險大而不愿承當(dāng)。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(zhuǎn)歷時一個多月，才終于找到了一家機械廠，進(jìn)入設(shè)備制作的軌道。之后，他又發(fā)展了設(shè)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(shè)備是師生倆一點一點“攢”起來的，固然進(jìn)程很艱難，但正由于他們主導(dǎo)并參加了設(shè)備的每個細(xì)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(jié)構(gòu)與土體接觸面是各類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的癥結(jié)基礎(chǔ)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(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)、高精度接觸面法向節(jié)制技術(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、建造、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)行動的測評提供了基礎(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)程度的跨越。

　　經(jīng)由改造開放30多年的發(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(dá)國際進(jìn)步水平。工程實踐的技術(shù)“先行一步”和缺乏科學(xué)理論支撐帶來的技術(shù)難題，為像張建民團(tuán)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(gòu)造與土體的接觸面不再神秘

　　在“地質(zhì)之角”西北側(cè)的一處儉樸的辦公室里，我們見到了這片石叢的主要籌建者張建民教學(xué)。“地質(zhì)之角”的建設(shè)當(dāng)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(tuán)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)實踐和工程利用諸方面實現(xiàn)了系列立異，并由此取得2013年度國家技術(shù)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(chǔ)、港航工程等大型項目標(biāo)研究和實踐，在試驗設(shè)備研制、測試技術(shù)開發(fā)、基本規(guī)律發(fā)現(xiàn)、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、試驗數(shù)據(jù)庫樹立等各環(huán)節(jié)中切實領(lǐng)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(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)、色彩各具特色的石塊的園林，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”，也是對學(xué)生進(jìn)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(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，張建民和他的團(tuán)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(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)律的有效工具和手段。

　　“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(dá)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。除了學(xué)術(shù)上的創(chuàng)新成果，項目更直接推廣應(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(xì)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(jì)效益。