張建民教學課題組：讓構造與土體的接觸面不再神秘 -編號:CM24168

2015-02-08 12:25 來源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

清華土水學院張建民教學等實現的“大型結構與土體接觸面力學試驗系統研制及運用”項目獲2013年度國度技術發現獎一等獎

　　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系統統之中。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。

從工程實踐中萌發的研究目的

　　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“石林”的主要籌建者張建民傳授。“地質之角”的建設只是他的“副業”，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、基礎理論和工程應用諸方面完成了系列翻新，并由此取得2013年度國家技術發明獎一等獎。

服務于各種工程結構設計論證

　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、色彩各具特點石塊的園林。園中或臥或破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教導的特色園地，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。

　要找到暗藏的科學規律，需從研制精細有效的測試設備開始。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，國內外還不一臺大型接觸面試驗設備。在張建民的領導下，博士生張嘎承擔起研制大型二維接觸口試驗設備的任務。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修正、斟酌。當概念圖根本完善，需要找機械廠進行機械設計加工時，找的多少個廠家都感到技術難、危險大而不愿承當。輾轉一個多月，他們才終于找到了一個廠家，進入設備制作的軌道。之后，他們又發展了設備的液壓系統和節制電路研發等工作。可以說，這臺大型二維接觸面設備是師生倆一點一點“攢”起來的，固然過程很艱難，但正由于他們主導并參加了設備的每個細節，因而可能聯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備。

歷經十余載的探索之路

　　在研制裝備的基礎上，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，并通過大量試驗,銀行內訓，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動。恰是通過大批的試驗積聚和深刻探索，他們揭示了結構與土體接觸面的物態演變律、強度律、剪切律、剪脹律和緊縮律等五項基礎的本構規律。為什么會存在這樣的法則？張建民和團隊持續投入到說明物理機制和建構數學模型的工作中，構筑了接觸面本構建模的實踐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，并在此基礎上創造了系列化的接觸面數值模擬技術。

名目成員

　　經由改造開放30多年來的發展，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。工程實際的技術“先行一步”和缺少科學理論支撐帶來的技術難題，為像張建民這樣的團隊提供了充足發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才能的顯著差別，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剪切大變形，所以結構與土體接觸面成為控制結構系統安全最癥結的部位之一。假如不能明白懂得接觸面的特性規律，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，多年來國內外鮮有人對這個問題進行深入研究，尚缺乏對各種接觸面力學規律的系統認知和理論描寫，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段。

　　張建民在國內學習時主要的研究方向是巖土工程，而在東京工業大學則傾向于結構工程的研究，這種復合型知識體制為他日后的研究打下了良好基礎。在日本工作5年后，張建民回到清華水利系任教，開始了對結構與土體接觸面力學問題連續十多年的探究。

科學研究是一種境界

●記者程曦王冰冰實習記者宋爽

　 “大型結構與土體接觸面力學測試系統研制及應用”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。項目還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范尺度的修訂，為各種結構與土體共同工作系統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。

讓結構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。“對每位從事科學研究的人，都已經習慣了不斷遇到問題、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和加深認知能夠幫咱們構成大抵的方向感，一步一步不斷有所提高和發明。”

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研究平臺和氣氛、優良的研究生群體以及中國工程建設高速發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的直博生，十多年間他們一棒接一棒地接力長跑，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，不斷完美設備的更新進級和完成不同系列的試驗成果。他們發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，彌補了海內外在大型接觸面實驗技術范疇的空缺。國際土力學及巖土工程學會前主席平托教授評價說，他們“勝利地完成了一個有原創性的各種結構與土體接觸面力學性態測試技術平臺。”

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的論證和優化進程中，張建民團隊的研討結果施展了主要作用。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，但也使得大壩的構造更為龐雜，發生了邊墻與面板、邊墻與墊層料等接觸面。張建民團隊采取項目研發的測試技術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，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，通過系統的實驗及數值模擬剖析，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平安請求范疇之內”的論斷并被實際施工采用，顯著節儉了工程用度，得到了建設單位的高度評估。

　　項目培育的5名博士畢業生，從讀博士的第一天起，就緊緊記住了張建民對學生的 “六個字、一句話”——“襟懷、目光、境界”，要求學生做學問首先要學會做人，其次作為科學工作者，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”，鼓勵學天生為走在各自研究領域前沿的專家。

　　大型結構與土體接觸面力學試驗系統研制及應用

　　結構與土體接觸面是各類工程結構設計中的要害基礎性難題和安全控制的單薄環節。該項目研發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、高精度接觸面法向掌握技術、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明，已應用到高壩、修筑、港航、高鐵、地鐵、海優勢電等國內外大型工程及5部設計標準訂正，為接觸面力學行為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逾越。

　　上世紀90年代，張建民從日本東京產業大學修建系獲得博士學位，進入日本最大的土木建造團體公司之一——凈水建設株式會社的技術研究所擔負研究工程師，他的主要工作義務就是為解決公司設計部分碰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，接觸面力學識題是各種結構特殊是大型結構的變形把持、安全評價和優化設計中亟需解決的基礎性科學難題和技術挑戰。

　　“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，是研究工程科學問題的必由之路。對我們發展中國家的從事工程科學研究的人來說，重要的是要保持‘需要導向，重點沖破，跨越發展’，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征影響的基本規律和物理機制，樹立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，接觸面力學測試技術與典范成果。

項目先容