黃土地上的行者
——記西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授王家鼎及其團(tuán)隊(duì)

吳應(yīng)清

王家鼎

無(wú)論有沒(méi)有去過(guò)黃土高原，人們只要一提到它，“面朝黃土背朝天”的形象便會(huì)躍然腦海。這是世界上最大、最厚、最連續(xù)的黃土覆蓋區(qū)，橫跨了青、甘、寧、陜、晉、豫、內(nèi)蒙古7省區(qū)，集中了地球上70%的黃土。

在這片土地上，也曾出現(xiàn)過(guò)發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)文化，但明清之后，苦難的記憶開始在一代代人中不斷上演。由于過(guò)度開墾，水土流失越發(fā)嚴(yán)重的黃土高原溝壑縱橫，交通成為當(dāng)?shù)厝嗣衩媾R的最大難題，也成為當(dāng)?shù)厝嗣褡顬槠惹械男枨?。時(shí)至今日，在黃土高原上修路也并非易事，但我國(guó)的科研人員卻做到了。他們不僅打通了黃土高原通往外界的道路，還在黃土地上實(shí)現(xiàn)了“中國(guó)速度”。

2010年，鄭西高鐵開通運(yùn)行；2014年，大西高鐵開通運(yùn)行；2017年，寶蘭高鐵開通運(yùn)行……一條條高鐵軌道，一列列風(fēng)馳電掣般的高鐵列車成為黃土地上亮眼的風(fēng)景。這背后凝結(jié)了無(wú)數(shù)人的心血，其中就包括西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授王家鼎以及他的團(tuán)隊(duì)。

20年來(lái)，以王家鼎為首的西北大學(xué)地質(zhì)工程團(tuán)隊(duì)面向國(guó)家戰(zhàn)略，服務(wù)重大需求，瞄準(zhǔn)“一帶一路”沿線及黃土高原重大地質(zhì)災(zāi)害防控，重點(diǎn)解決了一系列鐵路建設(shè)中新型黃土滑坡、沉降防治技術(shù)瓶頸背后的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，強(qiáng)化了我國(guó)黃土災(zāi)害研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。其中，王家鼎主持的“重大工程黃土災(zāi)害機(jī)理、感知識(shí)別及防控關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，是他埋首黃土地20年，在多條鐵路建設(shè)攻堅(jiān)的實(shí)踐中孕育出的豐碩成果。截至目前，王家鼎已主持國(guó)家重大、重點(diǎn)項(xiàng)目5項(xiàng)，獲國(guó)家科技獎(jiǎng)和省部級(jí)一等獎(jiǎng)6項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，其中SCI論文50余篇，獲國(guó)家發(fā)明專利10項(xiàng)。

全新的探索

2200萬(wàn)年以前，青藏高原已經(jīng)隆起至相當(dāng)?shù)母叨?，可以阻擋?lái)自印度洋的水汽，亞洲內(nèi)陸從此陷入干旱，形成了大面積的沙漠。緊接著，強(qiáng)勁的冬季風(fēng)在沙漠中卷起沙塵暴，沿著青藏高原的邊緣向東推進(jìn)，但是在六盤山、呂梁山、太行山、秦嶺的阻擋下，沙塵顆粒在山脈之側(cè)不斷沉降。就這樣，黃土高原逐漸形成。

黃土高原的形成過(guò)程，決定了它不可能像其他高原那樣“堅(jiān)固”。黃土高原上的黃土結(jié)構(gòu)非常疏松，具有濕陷性、振陷性、崩解性，加之黃土高原特殊的地貌、氣候等因素，黃土地區(qū)滑坡、崩塌、泥石流等重大災(zāi)害分布廣、類型多、突發(fā)性強(qiáng)、群發(fā)周期顯著，危害極重，嚴(yán)重限制了黃土高原區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，威脅著區(qū)域人居安全和社會(huì)穩(wěn)定，也威脅著鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、礦山、輸油、輸氣、輸水等長(zhǎng)輸生命線工程以及水利設(shè)施等工程的安全運(yùn)營(yíng)，甚至嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。如何將各類工程及人民生命財(cái)產(chǎn)置于安全屏障里，抵御上下左右的災(zāi)害侵襲是地質(zhì)工程領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)難題。

2004年，《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》發(fā)布后，中國(guó)開始進(jìn)入高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。2005年9月25日，鄭西高速鐵路客運(yùn)專線開工建設(shè)。與普通鐵路不同的是，高速鐵路采用無(wú)砟軌道，對(duì)沉降要求極其嚴(yán)格，必須控制在1.5cm內(nèi)，兩軌間距的精準(zhǔn)定位更是在毫米級(jí)別。然而由于黃土結(jié)構(gòu)的疏松性，其很容易產(chǎn)生沉降，所以鐵道部門為了保證黃土路基鐵路的安全性，設(shè)立了關(guān)于如何解決高速鐵路的機(jī)車振動(dòng)引起路基沉陷問(wèn)題的重大科研項(xiàng)目，并公開招標(biāo)。

當(dāng)時(shí)，全國(guó)有4所大學(xué)競(jìng)標(biāo)，由4位院士、17位全國(guó)著名專家，成立了一個(gè)評(píng)審小組，公開答辯，當(dāng)場(chǎng)決定項(xiàng)目所屬權(quán)。最終，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以高分成功中標(biāo)。他介紹說(shuō)：“一方面，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)之前一直從事地震相關(guān)的研究，對(duì)工程抗震的相關(guān)工作比較熟悉；另一方面，黃土就在我們的‘家門口’，我們有著得天獨(dú)厚的研究?jī)?yōu)勢(shì)，所以我們成功拿下了這一任務(wù)。”

在沒(méi)有任何前人經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)可以參考的前提下，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)3年的艱苦攻關(guān)，通過(guò)大量的野外實(shí)驗(yàn)、野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)計(jì)算等，終于拿出了第一份濕陷性黃土地基的動(dòng)力特性與設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)時(shí)，鄭西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司的相關(guān)負(fù)責(zé)人致電王家鼎，誠(chéng)懇地說(shuō)道，因?yàn)闀r(shí)間緊張，設(shè)計(jì)必須走在前面，能不能把已有的數(shù)據(jù)拿出來(lái)先交給設(shè)計(jì)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)此，王家鼎團(tuán)隊(duì)夜以繼日，僅用一個(gè)星期就將相關(guān)數(shù)據(jù)整理了出來(lái)。

王家鼎至今還記得他拿出第一張數(shù)據(jù)表的心情，既激動(dòng)又忐忑。他坦言，雖然所有的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格、客觀的計(jì)算得出，但是心里依舊十分緊張。“對(duì)我們而言，鄭西高鐵最大的困難就是，這是一次全新的探索。沒(méi)有前人的經(jīng)驗(yàn)，只能靠我們自己去走出一條路來(lái)。當(dāng)時(shí)，我們的心情很復(fù)雜，一是這么長(zhǎng)時(shí)間的努力終于有了一份答案，但是這個(gè)‘答案’能否經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)，我們也很緊張。”

鄭西高鐵從2010年開通運(yùn)營(yíng)至今，沒(méi)有出現(xiàn)任何紕漏，時(shí)間證明了王家鼎團(tuán)隊(duì)的成果是科學(xué)有效的，是經(jīng)得起考驗(yàn)的。他們交出了一份不負(fù)眾望、令人滿意的答卷。

黃土地上的奇跡

在大面積濕陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路，是一個(gè)世界性難題，也是全球奇跡。鄭西高鐵開創(chuàng)了黃土地區(qū)修建高鐵的先河，獲得了很多成功經(jīng)驗(yàn)。有了在鄭西高鐵中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在第二條鐵路——大西高鐵的相關(guān)研究工作上，王家鼎就從容了很多。

大西高鐵是我國(guó)黃土地區(qū)繼鄭西高鐵之后修建的第二條高速鐵路，也是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分。與鄭西高鐵不同的是，大西高鐵的路線主要位于山西、陜西境內(nèi)，沿途經(jīng)過(guò)的大多是山區(qū)，面臨的問(wèn)題更加復(fù)雜和艱巨。其中，黃土濕陷、振陷、邊坡失穩(wěn)等復(fù)雜問(wèn)題都需要設(shè)立科研項(xiàng)目進(jìn)行專門研究。

在這段高速鐵路的設(shè)計(jì)中，王家鼎團(tuán)隊(duì)與原鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院合作研究設(shè)計(jì)，獨(dú)立承擔(dān)了降雨、地震及列車振動(dòng)引起的黃土邊坡失穩(wěn)（滑坡）研究、黃土路基振（震）陷研究、黃土濕陷研究以及路基加固黃土填料改良研究等多個(gè)科研項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)在鄭西高鐵研究成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)數(shù)年現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、大型現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)以及分析計(jì)算等艱苦細(xì)致的科研工作，提出了新的觀點(diǎn)和方法，取得了創(chuàng)新性成果。相關(guān)成果獲得國(guó)家發(fā)明專利并直接應(yīng)用于大西高速鐵路的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

王家鼎善于從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而上升到理論上加以研究解決，提出一系列觀點(diǎn)和方法，再返回到實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)和指導(dǎo)。在之后的不斷攻關(guān)中，王家鼎團(tuán)隊(duì)在重大工程黃土災(zāi)害方面取得的相關(guān)理論和技術(shù)越來(lái)越完善、成熟。

在黃土振陷方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)基于動(dòng)力試驗(yàn)和微觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了引起黃土振陷的宏觀敏感因子，揭示了在動(dòng)力作用下黃土變形特征及結(jié)構(gòu)性對(duì)振陷的影響；突破了黃土動(dòng)力學(xué)的理論瓶頸，創(chuàng)建了“長(zhǎng)持時(shí)，小振幅”振動(dòng)下基于塑形包絡(luò)的彈塑性累積模型和塑性應(yīng)變累積行為的“安定型”判別標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新了振陷理論。

在黃土濕陷方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了地層結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀尺度上的濕陷性影響，通過(guò)原位大型浸水試驗(yàn)試坑外圍地層的豎向和側(cè)向變形監(jiān)測(cè)，揭示了其隨坑心距和深度變化規(guī)律，提出了濕陷巖橋（古土壤層）滯后塌陷理論，解開了樁基深部隱藏沉降信息的死結(jié)，創(chuàng)建了橋樁基古土壤濕陷段摩阻力“由正轉(zhuǎn)負(fù)”的計(jì)算方法。

承載高鐵的橋梁受深部濕陷層對(duì)樁摩阻影響極大，由于黃土、古土壤交錯(cuò)分層，濕陷信息易被掩蓋。為此，他們還發(fā)明了浸水條件下土體內(nèi)部應(yīng)力、水分運(yùn)移和變形的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，破解了深部濕陷信息獲取的難題，成功應(yīng)用于鄭西高鐵、大西高鐵及西安地鐵等。

在邁入高鐵工程領(lǐng)域之前，王家鼎已經(jīng)從事地震型黃土滑坡、灌溉和暴雨引起黃土滑坡機(jī)理研究多年，他首次提出了“灌溉誘發(fā)黃土滑坡的黃土蠕、滑動(dòng)液化機(jī)理”“地震誘發(fā)黃土滑坡的土體解體、斜拋和粉塵化機(jī)理”，推導(dǎo)出滑坡滑動(dòng)軌跡、滑速和滑距等公式，這是國(guó)內(nèi)最早提出黃土滑坡機(jī)理的新觀點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛引用和評(píng)述。

之后，在鐵路工程的實(shí)踐當(dāng)中，王家鼎又創(chuàng)新性地提出了振（震）動(dòng)和水聯(lián)合作用對(duì)黃土邊坡的促松、促裂、促滲和促滑機(jī)理，用黃土結(jié)構(gòu)損傷描述了動(dòng)力切斷土顆粒間黏結(jié)鍵的過(guò)程，以斷裂力學(xué)揭示了振動(dòng)促使裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展的內(nèi)在機(jī)制，證實(shí)了振動(dòng)對(duì)黃土的滲透有加速作用，再現(xiàn)了振（震）動(dòng)與水的促滑過(guò)程，創(chuàng)新了振（震）動(dòng)和水聯(lián)合作用對(duì)黃土邊坡的四促機(jī)理，刷新了黃土滑坡成因理論。

而這一創(chuàng)新成果的提出要重點(diǎn)從王家鼎團(tuán)隊(duì)參與的另一項(xiàng)重大鐵路工程說(shuō)起。

攻克難中之難

2014年12月，連接我國(guó)東西部的重要煤炭運(yùn)輸通道——瓦日鐵路（工程名稱為山西中南部鐵路通道），正式建成通車。這是我國(guó)第一條按照30噸軸重重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路，也是我國(guó)一次性建成的最長(zhǎng)的重載鐵路。它的建成對(duì)優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、降低運(yùn)輸成本、推動(dòng)區(qū)域發(fā)展和交流具有重要意義。

“在大面積濕陷性復(fù)雜黃土場(chǎng)地上建造高鐵或重載鐵路往往被災(zāi)害包圍：上有隧道變形塌方，下有濕陷振陷沉降，左有滑坡變形側(cè)擠，右有河沖滑塌牽引。”如何將這么重的鐵路鋪設(shè)在地形復(fù)雜、沉降嚴(yán)重的黃土地上，并保證列車的安全，是一個(gè)重大的科學(xué)難題。

針對(duì)“30噸軸重”重載鐵路建造中的一系列黃土振陷、濕陷、滑坡及隧道塌方等災(zāi)害的重大科學(xué)難題和技術(shù)瓶頸，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)、中鐵十七局等單位合作，對(duì)此發(fā)起了攻關(guān)。

瓦日鐵路多經(jīng)過(guò)山路，隧道比例比較大。然而，在隧道開挖過(guò)程中，振動(dòng)促使裂隙擴(kuò)展，水加速滲出，軟化土體，容易造成隧道變形或塌方。為此，王家鼎團(tuán)隊(duì)首次在開挖過(guò)程中利用了特制的探頭感知前方圍巖含水率和裂隙水壓力的變化，以模糊信息優(yōu)化處理法識(shí)別和預(yù)報(bào)圍巖涌水塌方，解決了這種特殊地層隧道的災(zāi)害感知技術(shù)難題。同時(shí)，他們還研制出第一臺(tái)振動(dòng)促滲儀，攻克了黃土振動(dòng)促滲的定量測(cè)試難題。

“隧道涌水的水量比較大，原有的方法很難將它堵住”，為解決這個(gè)問(wèn)題，王家鼎團(tuán)隊(duì)研制出隧道污染涌水的特殊防腐封堵漿液與“高壓氣驅(qū)水、漿驅(qū)氣”的快速封堵技術(shù)。他介紹說(shuō)：“這個(gè)方法主要是通過(guò)壓入高壓空氣將水壓回去，然后用一種遇水膨脹的輕質(zhì)材料將水堵住，最后再注入封堵漿液，這樣就有效解決了涌水問(wèn)題。”

邊坡側(cè)移和路基沉降是軟土路基施工中常見的難題，在這方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)也提出了獨(dú)到的見解。他們研制了具有高精度、高采樣率、安裝簡(jiǎn)便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)的多通道同步高速采集裝置，配合多種動(dòng)態(tài)傳感器，解決了機(jī)車寬幅振動(dòng)的多參數(shù)感知難題，提升了鐵路路基（含隧道基底）黃土振陷和邊坡變形的監(jiān)測(cè)水平。

團(tuán)隊(duì)合影

在大量室內(nèi)外試驗(yàn)基礎(chǔ)上，王家鼎團(tuán)隊(duì)獲得不同水泥配比改良黃土的振陷特性和振陷量，提出了壓實(shí)度≥95%、水泥配比≥6%的改良黃土抗振陷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，破解了鐵路路基因機(jī)車振動(dòng)而產(chǎn)生沉降的科學(xué)難題；發(fā)明了水泥改良加筋黃土路基的構(gòu)筑方法，抗振陷效果提升30%。這些成果直接應(yīng)用于大西高鐵、巴基斯坦輕軌、晉中南和蒙華重載鐵路等，并納入行業(yè)規(guī)范。

值得一提的是，近些年，王家鼎團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了黃土濕剪試驗(yàn)儀，探索出一條黃土c、φ值的濕剪試驗(yàn)新途徑，結(jié)束了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)黃土滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中不直接用c、φ試驗(yàn)值的歷史。該濕剪試驗(yàn)更符合滑坡先裂后水再滑的特點(diǎn)，且獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與反算法接近，在上百個(gè)黃土滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中檢驗(yàn)，結(jié)果可靠，可大面積推廣應(yīng)用。

如今，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這片土地上取得的一系列重大原創(chuàng)新成果，已在國(guó)內(nèi)外10多條鐵路中加以應(yīng)用，取得了巨大的效益和影響。其中，他們參與的山西中南部重載鐵路通道工程還獲得號(hào)稱工程界的諾貝爾獎(jiǎng)——菲迪克獎(jiǎng)。王家鼎說(shuō)道：“所有的成果都是集體的功勞，感謝各部門的支持和配合，也感謝團(tuán)隊(duì)成員的艱苦付出，正是因?yàn)榇蠹夜餐呐Σ湃〉昧私裉斓某煽?jī)。”

“驟起狂風(fēng)黃土騰，厚積浩瀚與云平。濁流霸道橫沖撞，溝壑呻吟不忍聽。失沃高坡精髓在，仍彌王氣盡如虹。大河一去八千里，華北平原始落成?！痹诙嗄昕蒲袣v程中，王家鼎喜歡將自己的所見所聞所想寫進(jìn)詩(shī)中。行走在黃土高原30年，他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)見證了這片土地上的各色風(fēng)景，也為這片土地帶去了不一樣的風(fēng)景。