学术前沿 | 走访西安建筑科技大学特殊土与地下空间工程团队

西安建筑科技大学特殊土与地下空间工程研究团队成立于2006年，团队带头人为郑文杰教授、宋战平教授和邵珠山教授。主要研究方向包括特殊土理论与多场耦合效应、特殊土受震力学理论及剧烈变形性状、山岭隧道建设新技术及应用、复杂地质及环境条件下城市地下工程建设新技术、能源地下储存库基础理论及应用等。团队现有教师成员12人，学生成员60余人；教师成员中教授5人、副教授4人、讲师3人，其中包括中组部“千人计划”青年项目入选者1人、陕西省重点科技创新团队带头人1人、陕西省“特支计划”—青年拔尖人才1人、陕西省青年科技新星1人、陕西省高校青年杰出人才1人。

▲ 研究团队

团队近年来承担国家科技支撑计划、国家火炬计划、国家自然科学基金等国家级和陕西省科技统筹创新工程计划项目、陕西省科技创新推进计划等省部级项目30余项，承担大型企业合作工程科研项目100余项；研究成果获国家自然科学二等奖1项，省部级科学技术一等奖2项，二、三等奖17项；发表SCI、EI检索期刊论文200余篇，其中SCI热点/高被引论文16篇；授权国家专利50余项，出版专著10余部，培养研究生100余名。

2019年12月5日下午，《建筑结构学报》编辑部一行4人走访了西安建筑科技大学特殊土与地下空间工程团队。团队负责人郑文杰教授、邵珠山教授、宋战平教授，团队骨干刘小军教授、刘乃飞讲师、罗扬讲师、鲁洁讲师、王娟娟讲师、张永利讲师、王燕讲师参加了本次交流活动。

▲ 交流现场

交流会上，郑文杰教授对编辑部的到访表示了热烈欢迎，并介绍了团队概况。郑文杰教授、宋战平教授、邵珠山教授、刘乃飞讲师、罗扬讲师分别介绍了团队的研究工作和近年来取得的主要研究成果。具体如下：

一 特殊土理论与多场耦合效应

1. 特殊土冻融灾害诱发机理与治理方法研究

针对黄土地区边坡冻融灾害发生机理进行了系列研究，揭示了水分迁移诱发黄土边坡冻融灾害的机理，并对水分迁移的特征及影响因素等进行了详细试验研究和理论计算分析；结合黄土边坡冻融特点，首次对黄土边坡冻融稳定性进行了室内大比例尺模型试验研究并据此对黄土边坡冻融过程水热力变化特点进行了详细论述；基于黄土体冻融过程强度劣化试验数据，建立了基于有限元强度折减法的黄土边坡冻融稳定性分析数值计算模型；通过开展黄土体水盐迁移试验和含盐原状黄土试样的干湿循环与冻融循环强度劣化试验，提出了可以描述干湿循环、冻融循环及其耦合作用下黄土盐蚀损伤特性的弹塑性本构模型；通过理论和数值分析揭示了黄土边坡在干湿循环、冻融循环及其耦合效应下产生盐蚀型崩塌灾害的力学机理，确定了崩塌发生的临界条件。

研究成果科学合理地评价了黄土盐蚀型崩塌灾害，为该类崩塌的防治及监测预报提供了理论依据。目前已推广应用在西北特殊土地区多项重大电力工程项目，为西北特殊土地质条件下电力工程地基基础提供了规范指导和建造依据，推动电力行业技术的进步和升级，产生显著经济和社会效益。

2. 特殊土受震力学理论及剧烈变形形成机理与加固技术研究

有别于以往研究不考虑演化过程的静态思维模式，团队基于PIV技术构建了土柱震动物理模型，研究了地震作用扰动土体渗透性状于液化前、液化发生以及地震结束后等过程动态演化特征和其与沉降发展之间关系；基于土柱震动物理模型试验结果，明确了地震作用下土体渗透系数与时间关系曲线的数学表达函数，从而建立了以粒度成分和孔隙率为函数的渗透系数计算模型，提出了包含该渗透系数计算模型的液相运动方程以及考虑结构性对黄土变形影响的本构方程，构建了基于流固耦合理论的黄土损伤弹塑性本构模型，以实现对地震作用下液化黄土剧烈沉降的预测；基于模型试验和数值模拟结果，明确了埋地管线受震发生上浮的主要原因，提出了西北特殊土埋地管线受震上浮机制与控制方法。

上述研究成果成功应用在西北特殊土地区多项重大电力工程中，为建设和保障西北特殊土地区电力工程规划建设和安全运营提供了有力支撑。

3. 特殊土重大自然灾害诱发机理与防治对策研究

针对我国西北黄土滑坡灾害进行深入现场调研，将滑坡灾害归纳为流滑以及一般滑坡，得出流滑类滑坡具有高速和远程流动等特征，基于应力路径三轴试验结果和滑体位移和地下水位波动监测数据，于国际上率先提出黄土滑坡诱发机理，并研究诱发滑坡的主要原因和农业活动两者关系，给出西北黄土滑坡灾害防治对策，有效降低滑坡灾害造成重大经济和生命财产损失，为国家发展一带一路基础建设提供技术支撑。研究成果刊登在国际工程地质与环境协会一流期刊。

二 隧道智能建设和全生命周期管理技术及应用

1. 微波理论与固废处理技术

针对混凝土垃圾的循环利用问题，国际上率先将微波加热引入到废弃混凝土骨料回收技术中，研究了微波照射下混凝土温度场、应力场的演化规律，得到了骨料界面裂纹萌生和扩展的细观力学机理，在实验室中实现了骨料与砂浆的完整分离，经过进一步的设备研发与中试，并与智能技术相结合，可以解决混凝土骨料的分离回收难题，具有潜在的社会效益和经济效益，该项研究得到了国家自然科学基金和陕西省重点研发计划的支持。

2. 先进地下智能感知结构开发与推广应用

城市地下空间利用和可持续性发展为当前国家重点关注的课题，有限的地下空间导致盾构隧道频繁下穿，如何确保既有运营隧道的安全以及减少近接隧道施工对邻房基础结构的冲击，地下智能感知结构的开发能够为类似工程提供技术支撑。团队首先针对传统和光学传感器进行深入调研，于国际上首先提出地下智能感知结构的物理模型，推导智能结构弯曲解析模型，通过前期智能感知简支梁四点载荷试验对解析模型进行验证，基于智能感知盾构管片四点载荷试验对该智能结构的应用性进行评价。研究成果刊登在地下空间工程一流期刊和美国土木工程师学会岩土力学期刊，并在多个国际会议上进行报告。

3. 山岭隧道综合立体式超前地质预报和钢纤维喷射混凝土单层衬砌支护技术

总结数十座隧道施工经验，提出了多阶段、多层次、多方法的山岭隧道综合立体式超前地质预报技术和隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌建造成套技术，相比于传统方法，该技术具有数据全、精度高、结果可靠等特点；研发了隧道温度场自动化测试系统，获得隧道温度场变化规律，在此基础上建立了寒区隧道温度场解析算法，提出了寒区隧道结构冻胀稳定性评价方法，并最终形成了隧道泡沫玻璃保温层及无损贴铺技术；针对山岭隧道施工中的突涌水问题，提出了环境敏感地区地下水“分区治理”的思想和综合处置技术。

上述研究成果在我国西南、西北地区的公路、铁路、水利以及塔吉克斯塔、吉尔吉斯斯坦等“一带一路”沿线国家的公路、天然气隧道工程中的成功应用，并获多项省部级科技奖励和国家级工法。

4. 复杂地质及环境条件下城市地下工程建设新技术

针对城市地下工程施工过程中周围建（构）筑物林立、地质条件及施工环境复杂、施工扰动大等问题，在总结了上百个城市地下工程施工经验的基础上，建立了地下工程多源信息智能分析的方法，实现了地下工程智能预警；研发了隧道“微三台阶法”施工技术，实现了复杂环境条件下临近既有建（构）筑物施工扰动控制技术；提出了硬岩城市地区地下工程悬臂掘进机铣挖法施工技术，以代替传统的钻爆法，有效的降低了爆破振动对周围环境的影响。

上述研究成果成功应用于北京、天津、西安、武汉、长春、大连、哈尔滨、贵阳等多个城市的地铁建设中，产生了良好的社会反响和极大的经济效益，并获多项科技奖励和国家级工法。

三 地下能源的新采集技术和围岩稳定理论研究

盐岩能源地下储存库的时效变形和长期稳定性研究

针对盐岩能源地下储存库的时效变形和长期稳定性问题，对盐岩开展了室内溶解试验和不同加载路径下的蠕变试验，分析了不同应力路径下盐岩蠕变规律及机理，建立了对应的蠕变本构模型；采用有限差分软件，对盐岩地下储存库的长期运营过程进行了模拟分析，获得了洞周塑性区、围岩变形量、溶腔体积损失率及围岩扩容破坏安全系数等随运营时间和储存压力的变化规律，确定了储存库的最小储气内压、最大采气速率和矿柱宽度等设计参数。

根据上述研究成果，发表多篇高水平学术论文，授权多项国家专利，并获教育部科技进步一等奖。

四 非饱和土水热传输机理及其工程设计理论研究

1. 非饱和土水-热传输基本问题研究

受气候及其它水源、热源的影响，非饱和土体中的温度场和水分场是变化的。这种变化引起土体强度和变形指标以及冻融状态发生变化，导致土体工程发生冻胀、沉陷、开裂、失稳、地基沉降、管网断裂等病害，造成很大损失。因此，有必要对非饱和土体水热问题进行研究。为此，团队以多年冻土和黄土为对象，就非饱和土水热疑难问题开展了系列研究工作：

土体工程温度场是根据地表温度（特定场地、特定条件得到的经验公式）计算得到的，考虑风速、辐射、蒸发等自然边界因素及工程外表特征（坡向坡率）确定土体温度场尚属疑难问题。团队通过研究得到了考虑孔隙通道阻力及重力作用效果的重力水头确定方法以及基于水联通状态的吸力水头确定方法，提出了温度水头和相变界面水头概念，并给出了其确定方法。考虑水热相互影响得到非饱和土体水热参数的计算公式，结合驱动水头成果，提出水热迭代计算思路，提出了非饱和土体水热耦合数值计算模型。模拟由于气候引起的土体水热变化以及由此引起的土性变化。基于融（冻）土核演化与纵向裂缝的对应关系，提出上临界高度设计方法，该方法在冻土路基设计中具有创新性。通过研究得到非饱和土体中气态水迁移引起含水量变化的非稳态方程，揭示了气态水迁移的动力是温度梯度和含水量梯度。

根据上述研究成果，发表学术论文70余篇，其中SCI收录论文12篇，一级学报发表论文32篇。论文总引用量达到了1800余次。20篇代表作均为SCI收录论文及一级学报发表论文，共被他引1005次，其中SCI他引55次。1篇论文入选2013年度中国科学技术信息研究所“领跑者5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”项目，1篇论文获2004年度“中国土木工程学会优秀论文”二等奖。

2. 节理发育黄土体水分运移规律及工程地质病害防治

受干旱气候影响，黄土层中大量发育有垂直节理。黄土层中发育的节理形成土体弱面，往往具有较高的过流能力，在计算黄土体水分场时不能忽略其影响，忽视黄土中节理的存在会对土的渗流能力产生错误的判断。但黄土节理对入渗引起的土体水分场变化的影响尚不明确，使得黄土工程渗流研究和设计工作中难以考虑节理的影响，直接影响了工程应用。团队就此问题开展了研究工作，考虑节理内流体向土体的入渗及土体自身流速的影响，建立了黄土节理二维渗流模型，采用欧拉变数法推导了流体元运动微分方程，得到了以流速为函数的渗流微分方程。在此基础上，基于黄土节理渗流特征及边界条件，推导得到黄土节理二维稳态流的流量方程及黄土节理渗透系数的表达式。

针对黄土边坡滑坡、崩塌等灾害所进行的大量调查，认为黄土节理渗水是发生灾害的主要原因，但针对黄土节理渗流评价方法开展的研究工作鲜见报道。黄土节理渗流评价具有复杂性，属于疑难问题，团队创新性地解决了这一问题。

交流活动结束后，编辑部一行在宋战平教授、王娟娟老师等的带领下参观岩土与地下空间工程省重点实验室。岩土实验室以岩土工程省级重点学科为依托，加强西部特色建设，突出优势学科方向，着重建设在黄土、非饱和土领域的开放式科研创新实验教学中心。

▲ 参观岩土与地下空间工程省重点实验室

通过本次交流活动，加深了《建筑结构学报》编辑部与特殊土与地下空间工程团队相互了解，收获良多。特别感谢郑文杰教授、宋战平教授、邵珠山教授及其研究团队的大力支持！

▲ 合影

至此，《建筑结构学报》编辑部一行此次西安建筑科技大学走访活动圆满结束。对于苏三庆教授所领导的结构抗震与检测科研创新团队、白国良教授所领导的高性能钢-混凝土组（混）合结构团队、牛荻涛教授所领导的工程结构耐久性创新团队、郝际平教授所领导的钢结构研究团队、姚尧教授所领导的极端环境下材料性能及结构防灾研究团队、史庆轩教授所领导的混凝土结构与抗震研究团队、郑文杰教授、宋战平教授和邵珠山教授所领导的特殊土与地下空间工程团队的鼎力支持，《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！