撐一方之土 保公路安全

倪萍

2014年在延安機(jī)場遷建工程施工現(xiàn)場

“現(xiàn)在回想，很慶幸當(dāng)年選擇了巖土力學(xué)和巖土工程專業(yè)，它實(shí)踐性非常強(qiáng)而非純理論學(xué)科，我能盡情地發(fā)揮特長”。20年前的一個(gè)決定讓宋飛與巖土工程結(jié)緣，后又因興趣使然，他在科研的探索道路上不斷追求新知，并注重理論與實(shí)際工程相結(jié)合。直至如今，他已在加筋擋墻與加筋邊坡、公路邊坡穩(wěn)定分析及支擋結(jié)構(gòu)、土工離心模型試驗(yàn)和巖土工程數(shù)值分析等方面取得若干創(chuàng)新性成果，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，其中SCI收錄3篇，EI收錄20篇，申報(bào)發(fā)明專利3項(xiàng)。

他辛勤耕耘，卻也享受其中。

清華園里初露鋒芒

20世紀(jì)80年代出生在陜西漢中的宋飛是個(gè)典型的西北人，他身材高大，性格爽朗，做起事來也是雷厲風(fēng)行。2009年，宋飛帶著“優(yōu)秀博士論文”的榮譽(yù)結(jié)束了自己在清華大學(xué)的博士學(xué)習(xí)。在清華大學(xué)讀博期間，宋飛無論是在理論知識還是在工程實(shí)踐上都快速成長，逐漸成為同輩中的佼佼者。

隨著我國高速公路建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，高填方路堤以及高路塹邊坡通?？梢?。然而，我國多山，而且滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，這不僅對人類生命財(cái)產(chǎn)造成損失，還破壞自然環(huán)境。因此對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，評估其穩(wěn)定性及加固方法，具有非常重要的工程實(shí)踐意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

當(dāng)邊坡出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，擋土墻作為一種防護(hù)措施則被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，所以分析擋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性就顯得尤為必要。這些特性的顯現(xiàn)與一個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，即土壓力。計(jì)算土壓力的方法有經(jīng)典的朗肯和庫倫土壓理論，但其缺陷是只能計(jì)算主動和被動兩個(gè)極限狀態(tài)下的土壓力，“在工程實(shí)踐中，擋墻的土壓力與位移量相關(guān)，如果靜止或是少量位移但未達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)的土壓力如何確定？”這無疑成為新的難題。

圍繞著教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)基金項(xiàng)目，宋飛以考慮側(cè)向變形的各向異性填土土壓力計(jì)算方法為主要研究內(nèi)容，在廣泛深入閱讀和分析現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地歸納和總結(jié)了土壓力問題研究的已有規(guī)律和存在問題。隨后，他從設(shè)備研制、材料試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、機(jī)理分析、實(shí)用算法諸方面入手，對任意側(cè)向變形條件下各向異性填土的土壓力產(chǎn)生機(jī)理和隨擋墻位移變化的基本規(guī)律進(jìn)行了深入而全面的研究，并提出相應(yīng)的計(jì)算方法，取得若干創(chuàng)新性成果。

值得一提的是，宋飛自行成功研制出等應(yīng)變增量比試驗(yàn)設(shè)備和離心模型試驗(yàn)設(shè)備各1套。殊不知，巖土實(shí)驗(yàn)裝置多為非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，這意味著從設(shè)計(jì)、制圖到加工生產(chǎn)，都需要宋飛加入自己的想法從而進(jìn)行原創(chuàng)。然而，從零開始，絕非易事。查閱盡相關(guān)英文文獻(xiàn)，一點(diǎn)點(diǎn)摸索前行，不斷從失敗中跳出再投入新一輪研發(fā)。就這樣，宋飛的堅(jiān)持不懈終于換來了碩果——可控任意擋墻位移的土壓力離心模型試驗(yàn)設(shè)備榮獲清華大學(xué)第十九屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)室建設(shè)貢獻(xiàn)一等獎，并申報(bào)發(fā)明專利，宋飛為第一發(fā)明人。

在做土壓力離心模型試驗(yàn)時(shí)，在離心加速度增大的過程中擋墻卻始終不能保持靜止?fàn)顟B(tài)，這成為又一個(gè)擺在宋飛面前的頭號難題?！坝龅嚼щy時(shí)，除了要自己動腦筋想辦法，還要多與人交流”，這是他從那次經(jīng)歷中汲取到的秘訣。受學(xué)院中一位教授的啟發(fā)，宋飛最后研制出一套自動控制系統(tǒng)，即通過電機(jī)控制齒輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)使得擋墻保持靜止?fàn)顟B(tài)?！翱偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)很重要”，過程中宋飛不知道經(jīng)歷了多少次調(diào)試。

突破經(jīng)典土壓力理論

加盟長安大學(xué)公路學(xué)院后，宋飛將研究目光聚焦在了一種新型土工合成材料——土工格室。這是一種誕生于20世紀(jì)80年代初，由高分子聚合物寬條帶經(jīng)強(qiáng)力焊接而形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用以修建擋土墻以及進(jìn)行邊坡防護(hù)。它伸縮自如，運(yùn)輸方便，使用時(shí)張開并充填土石或混凝土料，構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體，被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。

與常見的支擋構(gòu)造物，如重力式擋墻、加筋土擋墻、錨桿擋土墻、錨定板擋土墻、樁板式擋土墻等相比，土工格室擋墻具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)較輕，減少了對地基承載力的要求；其取消圬工、節(jié)約占地、施工簡便、造價(jià)低廉；其適用范圍較廣，格室內(nèi)填料可就地取材，適用于路堤、路塹邊坡、機(jī)場及變電站高填方的防護(hù)；特別是其墻面格室內(nèi)可植草種樹，因此在公路建設(shè)中能夠滿足綠化墻面、生態(tài)保護(hù)、美化沿線景觀的要求，生態(tài)效應(yīng)顯著。

然而，土工格室擋墻并非堅(jiān)不可摧。除在土壓力的作用下會整體發(fā)生位移外，墻體自身亦會發(fā)生撓曲變形。與經(jīng)典土壓力理論計(jì)算得到的極限狀態(tài)下的剛性擋土墻土壓力明顯不同，擋墻的變形形態(tài)通常介于靜止與主動狀態(tài)之間，墻后填土的破壞模式也與剛性擋墻有較大區(qū)別，經(jīng)典的朗肯及庫侖土壓力理論已然無法準(zhǔn)確預(yù)測土工格室擋墻的滑動面。“現(xiàn)在還沒有成熟的土壓力計(jì)算理論、擋墻破壞模式評價(jià)方法及設(shè)計(jì)方法，理論研究落后于工程實(shí)踐，這是工程界亟待解決的難題”，宋飛道出了問題的關(guān)鍵。

于是在此背景下，他申請了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“土工格室柔性擋墻破壞機(jī)理及土壓力理論研究”?！拔覀兿韧ㄟ^等應(yīng)變增量比試驗(yàn)研究填土的強(qiáng)度發(fā)揮隨側(cè)向應(yīng)變約束條件的變化規(guī)律；之后通過離心模型試驗(yàn)和彈塑性有限元數(shù)值模擬的手段揭示土工格室擋墻在不同工況下的變形規(guī)律、破壞機(jī)理和土壓力沿墻高的分布規(guī)律；再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)簡化，提出土工格室擋墻破壞模式和水平位移計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)際實(shí)測數(shù)據(jù)對所提計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，為工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)?！?/p>

其實(shí)，剛性擋墻的破壞模式已有很多學(xué)者做過大量研究工作，也已形成較為成熟的研究成果，而土工格室擋墻這種柔性支擋結(jié)構(gòu)的破壞模式還尚無系統(tǒng)的研究，因此研究這種新型支擋結(jié)構(gòu)在高寬比變化、坡度變化、填土表面作用荷載、填土中鋪設(shè)拉筋帶等不同工況下的破壞模式，揭示破壞機(jī)理并提出分析方法，是項(xiàng)目的創(chuàng)新之一。

除此之外，“要想完成對土工格室擋墻的離心模型試驗(yàn)研究，難度也不小”。如何選擇并加工制作合適的土工格室模型材料，在試驗(yàn)中系統(tǒng)測量擋墻的變形、墻后填土的位移場和滑裂面亦是項(xiàng)目的特色所在。經(jīng)過多次比選實(shí)測材料的強(qiáng)度和剛度，宋飛最終選擇了一種聚乙烯薄膜，并采用焊接設(shè)備自行加工制作土工格室模型材料，再通過數(shù)碼攝像和非接觸式位移測量系統(tǒng)測量擋墻填土位移場的發(fā)展和滑裂面的形成。endprint

隨著研究的深入，宋飛還先后主持了包括國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金在內(nèi)的4項(xiàng)研究課題；作為主要參加者參與教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金、北京市自然科學(xué)基金和江西省交通廳重點(diǎn)項(xiàng)目各1項(xiàng)。無一例外，這些項(xiàng)目的研究內(nèi)容和成果均與土壓力和邊坡有很大關(guān)系。

土工格室擋墻中再續(xù)探索

當(dāng)墻后填土填筑較高時(shí)，就需要在墻后填土中將土工格室加筋材料加長布置，以起到加固邊坡的作用。其破壞模式與剛性擋墻及填土中未加筋的土工格室擋墻有明顯區(qū)別，也尚未形成成熟的土壓力計(jì)算理論與擋墻設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，傳統(tǒng)的等截面擋墻土工格室用量較大，工程造價(jià)較高，如何布置加筋層，提出一種既能減小擋墻水平位移、提高安全系數(shù)、節(jié)約土工格室用量的新型變截面土工格室擋墻斷面型式是核心問題。

由宋飛主持的陜西省工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃“新型變截面土工格室擋墻工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”旨亦于此。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段研究填土中加筋帶、擋墻斷面型式對于土工格室擋墻變形規(guī)律、填土位移場、滑裂面形態(tài)和土壓力分布規(guī)律的影響；然后在分析試驗(yàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上通過參數(shù)反演及數(shù)值模擬的手段研究加筋帶的位置、長度、間距、擋墻斷面型式、兩級擋墻的高度比例以及臺階寬度對于加固效果的影響；后又在此基礎(chǔ)上提出了擋墻優(yōu)化斷面型式及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于工程實(shí)踐并進(jìn)行驗(yàn)證，為工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

功夫不負(fù)有心人，最終基于對離心模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的分析，團(tuán)隊(duì)成功提出一種新型變截面土工格室擋墻斷面形式，它不僅能減小擋墻水平位移，提高擋墻的安全系數(shù)，還能節(jié)約造價(jià)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其可為工程節(jié)約成本約15%。目前已用于高速公路、機(jī)場等工程的邊坡防護(hù)中。由于土工格室擋墻作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中還并不多見，因此團(tuán)隊(duì)在加筋層的位置、長度以及間距對于墻背變形、墻背土壓力分布的影響均無系統(tǒng)研究的背景下，基于對離心模型試驗(yàn)、有限元計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的分析，從而提出這種新型支擋結(jié)構(gòu)實(shí)屬創(chuàng)新。“當(dāng)填方比較高時(shí)，通常設(shè)置二級或多級擋墻”，面對相關(guān)領(lǐng)域的研究空白，團(tuán)隊(duì)同樣抓住機(jī)遇，探索了二級擋墻中兩級的高度比例和臺階寬度對于擋墻工作性狀的影響。

科學(xué)研究似乎總是一個(gè)問題接著又一個(gè)問題。“二維數(shù)值模型僅將加筋材料和土作為一種復(fù)合材料簡化考慮，無法單獨(dú)考慮格室的應(yīng)力與應(yīng)變，也無法研究格室的高度、焊炬以及抗拉屈服強(qiáng)度對于土工格室擋墻以及加筋地基力學(xué)性能的影響”，問題是土工格室擋墻的三維數(shù)值模擬也具有一定難度。這次，宋飛同樣選擇了迎難而上。他采用有限元膜單元和嵌入技術(shù)將土工格室與填料分開模擬，這樣不僅可以單獨(dú)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)中格室的應(yīng)力應(yīng)變，也可真實(shí)再現(xiàn)土工格室對填料的約束效應(yīng)，并由此提出了土工格室加筋擋墻及加筋邊坡的三維數(shù)值模擬方法；隨后，他采用模型試驗(yàn)和現(xiàn)場工程試驗(yàn)的方法繼續(xù)驗(yàn)證了三維數(shù)值模型的有效性，同時(shí)還系統(tǒng)研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性的各種影響因素。

目前，項(xiàng)目于2016年年底即將進(jìn)入尾聲，目前正在進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的編制和產(chǎn)業(yè)化推廣。

三尺講臺上的傳教

“不為書、不為洋，要為實(shí)”，是宋飛銘記在心的一句話，這是博士導(dǎo)師張建民教授當(dāng)年給宋飛的教誨。多少年過去，宋飛仍舊以它為箴言，指導(dǎo)自己在科研道路上不斷前行。深感細(xì)節(jié)決定成敗重要性的他，小到儀器部件的設(shè)計(jì)、論文的格式排版，都會親力親為，力求做到最好。

如今，身為碩士生導(dǎo)師的宋飛，身上的擔(dān)子更重了。除了做科研，他還要完成日常的教學(xué)任務(wù)。從2013年開始，宋飛每年各招收了兩名研究生，今年招收3名。他認(rèn)為，在培養(yǎng)學(xué)生的過程中最重要的是“因材施教”?！皩Σ煌膶W(xué)生布置不同的任務(wù)，用不同的方法”，比如有的同學(xué)動手能力強(qiáng)但理論分析能力較弱，宋飛就會多安排他做實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮其長處。另外，“耐心”也是必備條件，“很多時(shí)候，說一遍學(xué)生不明白，這時(shí)不能怕麻煩，要多加開導(dǎo)，一點(diǎn)一滴地幫助他們理解”。無論如何，“求真求實(shí)，堅(jiān)持不懈”是他寄予學(xué)生的期望。在教學(xué)上，宋飛收起了西北人粗線條的豪放，可謂是細(xì)致入微。

隨著學(xué)生們放暑假，宋飛也開始了自己新一階段的研究工作?！皩ι弦淮坞x心模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，改變土工格室的力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度和剛度）和幾何尺寸（高度和焊炬），研究這些力學(xué)和幾何參數(shù)對土工格室加筋邊坡和加筋擋墻安全系數(shù)、臨界滑動面和水平位移的影響，為工程實(shí)踐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，這些還沒有人做過”。涉足巖土工程領(lǐng)域多年來，宋飛感嘆遇到的困難太多。然而，即使困難再多，宋飛也會堅(jiān)持艱難跋涉，絕不停止腳步，因?yàn)樗麍?jiān)信，有價(jià)值的科研從不會一蹴而就。

展望未來，宋飛雄心滿滿。他希望在加筋邊坡和加筋擋墻變形規(guī)律和穩(wěn)定性分析研究的基礎(chǔ)上，做一些動力特性及抗震研究，也就是在地震荷載狀態(tài)下，研究提出的新型變截面結(jié)構(gòu)力學(xué)的相應(yīng)問題，觀察與剛性擋墻、土工格柵擋墻相比有無優(yōu)勢，“如何布置拉筋帶以及高強(qiáng)度土工格室，提高其抗震性能，在研究新型結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)上提出抗震措施和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案”。不僅如此，他還志在把研究面進(jìn)一步擴(kuò)大，放眼其他土工合成材料在軟基處理方面的研究。

植物從不會因?yàn)楦珊远艞墝ι淖非?，他們牢牢扎根生須而尋水源。宋飛對科研的追求就像一棵大樹，盡管困難重重，但他依舊迫切、渴望而熱忱。endprint