张建民教学课题组：让构造与土体的接触面不再神秘 -编号:CM24168

2015-02-08 12:25 来源：http://www.ceo315.org/ 阅读：次

清华土水学院张建民教学等实现的“大型结构与土体接触面力学试验系统研制及运用”项目获2013年度国度技术发现奖一等奖

　　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，都依然会波及到结构与土体独特工作问题，接触面的熟习“身影”会显现在各种工程结构与土系统统之中。对张建民和他的团队来说，路还很长，还须要不断探索、探索，再探索。

从工程实践中萌发的研究目的

　　在“地质之角”西北侧的一处俭朴的办公室里，我们见到了这片“石林”的主要筹建者张建民传授。“地质之角”的建设只是他的“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，张建民和他的团队破费了十多年时光，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翻新，并由此取得2013年度国家技术发明奖一等奖。

服务于各种工程结构设计论证

　穿过清华大学水利系泥沙实验室的门廊，便步入了一片重叠着款式、材质、色彩各具特点石块的园林。园中或卧或破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导的特色园地，里面的石块是近10年间逐个从祖国大江南北搜查搬运过来的。

　要找到暗藏的科学规律，需从研制精细有效的测试设备开始。十多年前，张建民和他的团队开端着手进行接触面力知识题研究时，国内外还不一台大型接触面试验设备。在张建民的领导下，博士生张嘎承担起研制大型二维接触口试验设备的任务。刚开始时，师生俩每隔几天就要探讨一次，对手里仅有的一张概念图纸进行重复修正、斟酌。当概念图根本完善，需要找机械厂进行机械设计加工时，找的多少个厂家都感到技术难、危险大而不愿承当。辗转一个多月，他们才终于找到了一个厂家，进入设备制作的轨道。之后，他们又发展了设备的液压系统和节制电路研发等工作。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，固然过程很艰难，但正由于他们主导并参加了设备的每个细节，因而可能联合接触面研究的特色，以较小的本钱研制成功一台有特色的试验设备。

历经十余载的探索之路

　　在研制装备的基础上，他们首次准确测定了接触面内土颗粒平移与滚动及接触面特点厚度，并通过大量试验,银行内训，再现了地震等实际加载运行条件下不同土体资料与结构接触面的力学行动。恰是通过大批的试验积聚和深刻探索，他们揭示了结构与土体接触面的物态演变律、强度律、剪切律、剪胀律和紧缩律等五项基础的本构规律。为什么会存在这样的法则？张建民和团队持续投入到说明物理机制和建构数学模型的工作中，构筑了接触面本构建模的实践框架和三维弹塑性本构模型以及可满意不同精度要求的系列本构模式，并在此基础上创造了系列化的接触面数值模拟技术。

名目成员

　　经由改造开放30多年来的发展，中国的工程建设技术在相称多的领域已经处于国际当先水平，总体上已经到达国际进步水平。工程实际的技术“先行一步”和缺少科学理论支撑带来的技术难题，为像张建民这样的团队提供了充足发挥才智的机遇与舞台。

　无论在城市还是城市，无论你走进地铁、走上堤坝仍是大桥，简直所有的建筑结构都会涉及到土体与结构的 “接触面”问题。各类结构材料与其四周土体变形才能的显著差别，会导致结构与土体在其接触面处产生应力集中甚至非持续剪切大变形，所以结构与土体接触面成为控制结构系统安全最症结的部位之一。假如不能明白懂得接触面的特性规律，会直接影响到结构应用的安全性和结构设计的合感性。遗憾的是，因为接触面问题处于结构力学与土力学的接壤地带，多年来国内外鲜有人对这个问题进行深入研究，尚缺乏对各种接触面力学规律的系统认知和理论描写，而且已有的测试设备往往小而简略，无奈为工程实践提供科学的测试和评价手段。

　　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倾向于结构工程的研究，这种复合型知识体制为他日后的研究打下了良好基础。在日本工作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连续十多年的探究。

科学研究是一种境界

●记者程曦王冰冰实习记者宋爽

　 “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援用次数在国内外占显明上风，得到普遍引用和高度评价。项目还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尺度的修订，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。

让结构与土体的接触面不再神秘

　十多年间的艰巨困苦和血汗汗水，张建民视之漠然。“对每位从事科学研究的人，都已经习惯了不断遇到问题、一直解决问题、进而不断摸索的过程。在科研中不断积累教训和加深认知能够帮咱们构成大抵的方向感，一步一步不断有所提高和发明。”

图为大型三维接触面试验机。

　　在他看来，这个历时十多年的项目重要得益于清华良好的科学研究平台和气氛、优良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会和挑衅。

　　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，十多年间他们一棒接一棒地接力长跑，从原始设备的改革，再到二维的，最后到三维的，从枯燥加载到复杂轮回加载，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，不断完美设备的更新进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能源学试验设备，弥补了海内外在大型接触面实验技术范畴的空缺。国际土力学及岩土工程学会前主席平托教授评价说，他们“胜利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。”

项目名称

　　张建民张嘎胡拂晓侯文峻冯大阔张雷

　　作为一个利用实例，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进程中，张建民团队的研讨结果施展了主要作用。挤压式边墙技巧有助于进步面板堆石坝的施工进度和施工品质，但也使得大坝的构造更为庞杂，发生了边墙与面板、边墙与垫层料等接触面。张建民团队采取项目研发的测试技术针对这些接触面进行了体系的试验，在此基本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跟数十厘米量级的挤压式边墙引起的不同标准数值模仿的计算技术困难，明显地提高了盘算精度和效力；另一方面，为公道评价挤压式边墙的保险性供给了迷信根据，通过系统的实验及数值模拟剖析，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前提下面板应力也在工程平安请求范畴之内”的论断并被实际施工采用，显著节俭了工程用度，得到了建设单位的高度评估。

　　项目培育的5名博士毕业生，从读博士的第一天起，就紧紧记住了张建民对学生的 “六个字、一句话”——“襟怀、目光、境界”，要求学生做学问首先要学会做人，其次作为科学工作者，襟怀胸襟、眼力、境界比常识更为重要，“进门我教你，出门你教我”，鼓励学天生为走在各自研究领域前沿的专家。

　　大型结构与土体接触面力学试验系统研制及应用

　　结构与土体接触面是各类工程结构设计中的要害基础性难题和安全控制的单薄环节。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、高精度接触面法向掌握技术、接触面位移变形精密量测技术、柔性接触面及多功效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、修筑、港航、高铁、地铁、海优势电等国内外大型工程及5部设计标准订正，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、合理和精致化技术程度的逾越。

　　上世纪90年代，张建民从日本东京产业大学修建系获得博士学位，进入日本最大的土木建造团体公司之一——净水建设株式会社的技术研究所担负研究工程师，他的主要工作义务就是为解决公司设计部分碰到的各种工程问题提供技术支持。在此过程中他逐步意识到，接触面力学识题是各种结构特殊是大型结构的变形把持、安全评价和优化设计中亟需解决的基础性科学难题和技术挑战。

　　“我们团队研究的问题基本上都来自于工程实践，最后又全体‘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。对我们发展中国家的从事工程科学研究的人来说，重要的是要保持‘需要导向，重点冲破，跨越发展’，才干为解决工程实践问题作出力不胜任的奉献。”张建民说。

　　起源：新清华　2014-02-28

　　以大量试验数据和数学模型为依据，张建民和他的团队清楚说明了土性、结构面板和加载方法等三类十多种主要因素对结构与土体接触面静动力学特征影响的基本规律和物理机制，树立了存在适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，有了意识、掌握和评价其变更规律的有效工具和手腕。

图为水利系张建民教授等完成项目中，接触面力学测试技术与典范成果。

项目先容