让结构与土体的接触面不再神秘

关于2013年度国家技术发明奖一等奖的话题

来源:科技日报 2014-1-11 程曦 王冰冰 宋爽

  项目名称:大型结构与土体接触面力学试验系统研制及应用

  完成人:张建民、张嘎、胡黎明、侯文峻、冯大阔、张雷

  项目介绍:结构与土体接触面是各类工程结构设计中的关键基础性难题和安全控制的薄弱环节。该项目研发了大中小型成套接触面力学试验设备、精密测试技术、数值模拟技术和试验成果数据库等四方面的系统成果,提出了由整机真三维接触面加载技术、高精度接触面法向控制技术、接触面位移变形精密量测技术、柔性接触面及多功能测试技术和系列化接触面数值模拟技术等五项技术发明,已应用到高坝、建筑、港航、高铁、地铁、海上风电等国内外大型工程及5部设计规范修订,为接触面力学行为的测评提供了基础性技术平台,使接触面力学行为的测评实现了从以往的半经验到科学、合理和精细化技术水平的跨越。

  穿过清华大学水利系泥沙实验室的门廊,便步入了一片堆叠着样式、材质、颜色各具特色的石块的园林,园中或卧或立的逾百块巨石讲述着地质历史的变迁和演进——这里被称为“地质之角”,也是对学生进行地质专业教育的特色园地,里面的石块是近10年间逐一从祖国大江南北搜寻搬运过来的。

  在“地质之角”西北侧的一处简朴的办公室里,我们见到了这片石丛的主要筹建者张建民教授。“地质之角”的建设当然只是他的“副业”,然而正如多年如一日一块一块为这里“添砖加瓦”的过程,张建民和他的团队花费了十多年时间,从设备研制的基础工作做起,在各种结构与土体接触面的试验设备、测试技术、基础理论和工程应用诸方面完成了系列创新,并由此获得2013年度国家技术发明奖一等奖。

从工程实践中萌生的研究目标

  无论在城市还是乡村,无论你走进地铁、走上堤坝还是大桥,几乎所有的建筑结构都会涉及到土体与结构的“接触面”问题。各类结构材料与其周围土体变形能力的显著差异,会导致结构与土体在其接触面处发生应力集中甚至非连续剪切大变形,所以结构与土体接触面成为控制结构系统安全最关键的部位之一。如果不能清楚了解接触面的特性规律,会直接影响到结构使用的安全性和结构设计的合理性。遗憾的是,由于接触面问题处于结构力学与土力学的交界地带,多年来国内外鲜少有人对这个问题进行深入的研究,尚缺乏对各种接触面力学规律的系统认知和理论描述,而且已有的测试设备往往小而简单,无法为工程实践提供科学的测试和评价手段。

  上世纪90年代,张建民从日本东京工业大学建筑系取得博士学位,进入日本最大的土木建筑集团公司之一——清水建设株式会社的技术研究所担任研究工程师,主要工作任务之一是为解决公司设计部门遇到的各种工程问题提供技术支撑,在此过程中他逐渐意识到,接触面力学问题是各种结构、特别是大型结构的变形控制、安全评价和优化设计中急需解决的基础性科学难题和技术挑战。

  张建民在国内学习时主要的研究方向是岩土工程,而在东京工业大学则偏向于结构工程的研究,这样的复合型知识体系为他着手研究结构与土体接触面力学问题打下了良好的基础。在清水建设工作5年后,张建民回到清华水利系任教,开始了对结构与土体接触面力学问题持续十多年的探究。

历经十余载的探索之路

  要找到隐藏的科学规律,需从研制精密有效的测试设备开始。十多年前,张建民和他的团队开始着手进行接触面力学问题研究时,国内外还没有一台大型接触面试验设备,没有现成的实验技术及研究经验可以借鉴。在张建民的指导下,博士生张嘎承担起研制大型二维接触面试验设备的任务。刚开始的时候,师生俩每隔几天就要讨论一次,对手里仅有的一张概念图纸进行反复修改、推敲,力争每个部件都最合理、有所创新。而当概念图基本完善、进入具体设计环节时,他们需要找机械厂进行机械设计和加工。但是找了几个厂家,都觉得技术难、风险大而不愿承担。张建民没有放弃,在他的鼓励下,张嘎手捧一本北京电话黄页,逐一给北京的机械厂打电话询问。一旦对方表现出一定的能力和意向,他就马上赶过去探讨合作的可能性。辗转历时一个多月,才终于找到了一家机械厂,进入设备制造的轨道。之后,他又开展了设备的液压系统和控制电路研发等工作。可以说,这台大型二维接触面设备是师生俩一点一点“攒”起来的,虽然过程很艰苦,但正因为他们主导并参与了设备的每个细节,因此能够结合接触面研究的特点,以较小的成本研制成功一台有特色的试验设备。

  获奖团队的6位成员中5位都曾是清华水利系本科毕业的直博生,十多年间他们先后一棒接一棒的接力长跑,他们的设备逐步改造完善。从原始设备的改造,再到二维的,最后到三维的,从单调加载到复杂循环加载,从细粒土到粗粒土、从钢材结构面到混凝土和岩石结构面,从硬性接触面到柔性接触面,从小变形到大变形,不断完善设备的更新升级和完成不同系列的试验成果。他们发明研制的这套以大型为主、大中小型配套的高精度接触面静动力学试验设备填补了国内外在大型接触面实验技术领域的空白。国际土力学及岩土工程学会前主席Pinto评价说,他们“成功地完成了一个有原创性的各种结构与土体接触面力学性态测试技术平台。”

  在研制设备的基础上,他们首次精确测定了接触面内土颗粒平移与转动及接触面特征厚度,并通过大量实验,再现了地震等实际加载运行条件下不同土体材料与结构接触面的力学行为。正是通过这样大量的试验积累和深入探究,他们揭示了结构与土体接触面的物态演化律、强度律、剪切律、剪胀律和压缩律等五项基本的本构规律。这还远远不够。为什么会存在这样的规律?张建民和团队继续投入到解释物理机制和建构数学模型的工作中,他们构筑了接触面本构建模型理论框架和三维弹塑性本构模型以及可满足不同精度要求的系列本构模式,在此基础上发明了系列化的接触面数值模拟技术。

  以大量试验数据和数学模型为依据,张建民和他的团队清晰阐明了土性、结构面板和加载方式等三类十多种主要因素对结构与土体接触面静动力学特性影响的基本规律和物理机制,建立了具有实用价值的接触面力学试验数据库。各种土与结构接触面的力学特性终于不再神秘,有了认识、把握和评价其变化规律的有效工具和手段。

服务于各种工程结构设计论证

  “大型结构与土体接触面力学测试系统研制及应用”项目经专家鉴定总体达到国际领先水平,针对接触面发表的论文总数和引用次数在国内外占明显优势,得到广泛引用和高度评价。除了学术上的创新成果,项目更直接推广应用到公伯峡和马来西亚巴贡等地的高坝、地铁、建筑、桥基、港航、海上风电等国内外大型工程结构设计论证中,其中巴贡水电站是中国在海外已承建的最大装机容量的水电站。它还支撑了五部设计规范标准的修订,为各种结构与土体共同工作系统的研究和设计提供了基础性测评技术平台,使接触面力学行为的测试和评价实现了从以往的半经验到科学化、合理化、精细化水平的跨越,提高了结构系统静动力设计和变形控制水平,取得了显著的社会和经济效益。

  作为一个应用实例,在黄河上游两座高面板堆石坝的挤压式边墙技术的论证和优化过程中,张建民团队的研究成果发挥了重要作用。挤压式边墙技术有助于提高面板堆石坝的施工进度和施工质量,但也使得大坝的结构更为复杂,产生了边墙与面板、边墙与垫层料等接触面。张建民团队采用项目研发的测试技术针对这些接触面进行了系统的试验,在此基础上提出了有效的挤压式边墙等效数值模型及算法,一方面,较好地解决了百米量级的堆石坝体和数十厘米量级的挤压式边墙引起的不同尺度数值模拟的计算技术难题,显著地提高了计算精度和效率;另一方面,为合理评价挤压式边墙的安全性提供了科学依据,通过系统的试验及数值模拟分析,他们还得出了“挤压边墙与混凝土面板之间的接触面内不涂抹乳化沥青条件下面板应力也在工程安全要求范围之内”的结论并被实际施工采纳,显著节约了工程费用,得到了建设单位的高度评价。

科学研究是一种境界

  十多年中遇到的艰难困苦、付出的心血汗水,张建民视之淡然。他说:“对每位从事科学研究的人,都已经习惯了不断遇到问题、不断解决问题、进而不断探索的过程。我们也并不觉得这些问题是多么难以逾越的困难,遇到问题不断探索、尽力解决就是了。在科研中不断积累经验和加深认知可以帮我们形成大致的方向感,一步一步不断有所进步和发现。”

  在张建民看来,这个历时十多年的项目之所以能够持续推进并取得一系列创新成果,主要得益于清华很好的科学研究平台和氛围、非常优秀的研究生群体以及中国工程建设高速发展所提供的难得机遇和挑战。

  这个项目培养的5名博士毕业生中,既有目前清华水利系最年轻的教授,也有当年的清华优秀博士论文获得者,还有在建设部和中建总公司工作、直接为中国工程建设事业作着贡献的清华学子。从他们读博士的第一天起,就牢牢记住了老师对自己“六个字、一句话”的要求——“六个字”就是胸怀、眼光、境界,做学问首先要学会做人,科学工作者应有的胸怀、眼光、境界甚至比学识和创新能力更重要;“一句话”就是“进门我教你,出门你教我”,以此勉励学生在自己研究的领域成为走在学科前沿的专家。

  带着这样的目标,博士生们跟随张建民投身高坝、地铁、高层建筑基础、港航工程等大型项目的研究和实践,在试验设备研制、测试技术开发、基本规律发现、数学模型构建、试验数据库建立等各环节中切实体会到“求实、求真、求新”的乐趣,感悟科研工作本身的境界。

  经过改革开放30多年的发展,中国的工程建设技术在相当多的领域已经处于国际领先水平,总体上已经达到国际先进水平。工程实践的技术“先行一步”和缺乏科学理论支撑带来的技术难题,为像张建民团队这样的科研工作者提供了发挥聪明才智的良好机遇和舞台。

  “我们团队研究的问题基本上都来自于工程实践,最后又全部‘返回’到工程实践中去。从实践中来,再到实践中去,是研究工程科学问题的必由之路。对发展中国家从事工程科学研究的人来说,非常重要的是要坚持‘需求导向,重点突破,跨越发展’,才能有所作为,为解决工程实践问题做出力所能及的贡献。” 张建民说。

  日新月异的中国工程建设领域,有太多关键性的技术问题正等待着不断加以探索和解决。在各种工程建设中,我们可以看到无论结构在地面、地下或海上,都仍然会涉及到结构与土体共同工作问题,接触面的熟悉“身影”会浮现在各种工程结构与土体系统之中。对张建民和他的团队来说,路还很长,还需要不断探索、探索,再探索。

2014年01月13日 14:48:43  清华新闻网

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