撐一方之土 保公路安全——記長安大學公路學院副教授、碩士研究生導師宋飛

本刊記者 倪 萍

撐一方之土 保公路安全——記長安大學公路學院副教授、碩士研究生導師宋飛

本刊記者 倪 萍

2014年在延安機場遷建工程施工現場

“現在回想，很慶幸當年選擇了巖土力學和巖土工程專業，它實踐性非常強而非純理論學科，我能盡情地發揮特長”。20年前的一個決定讓宋飛與巖土工程結緣，后又因興趣使然，他在科研的探索道路上不斷追求新知，并注重理論與實際工程相結合。直至如今，他已在加筋擋墻與加筋邊坡、公路邊坡穩定分析及支擋結構、土工離心模型試驗和巖土工程數值分析等方面取得若干創新性成果，累計發表學術論文20余篇，其中SCI收錄3篇，EI收錄20篇，申報發明專利3項。

他辛勤耕耘，卻也享受其中。

清華園里初露鋒芒

20世紀80年代出生在陜西漢中的宋飛是個典型的西北人，他身材高大，性格爽朗，做起事來也是雷厲風行。2009年，宋飛帶著“優秀博士論文”的榮譽結束了自己在清華大學的博士學習。在清華大學讀博期間，宋飛無論是在理論知識還是在工程實踐上都快速成長，逐漸成為同輩中的佼佼者。

隨著我國高速公路建設的大規模發展，高填方路堤以及高路塹邊坡通常可見。然而，我國多山，而且滑坡、泥石流地質災害多發，這不僅對人類生命財產造成損失，還破壞自然環境。因此對邊坡進行穩定分析，評估其穩定性及加固方法，具有非常重要的工程實踐意義和學術價值。

當邊坡出現不穩定時，擋土墻作為一種防護措施則被廣泛應用于工程建設中，所以分析擋土結構的穩定性、抗滑穩定性、抗傾穩定性就顯得尤為必要。這些特性的顯現與一個參數密切相關，即土壓力。計算土壓力的方法有經典的朗肯和庫倫土壓理論，但其缺陷是只能計算主動和被動兩個極限狀態下的土壓力，“在工程實踐中，擋墻的土壓力與位移量相關，如果靜止或是少量位移但未達到極限狀態，此時的土壓力如何確定？”這無疑成為新的難題。

圍繞著教育部博士學科點專項基金項目，宋飛以考慮側向變形的各向異性填土土壓力計算方法為主要研究內容，在廣泛深入閱讀和分析現有研究成果的基礎上，系統地歸納和總結了土壓力問題研究的已有規律和存在問題。隨后，他從設備研制、材料試驗、離心模型試驗、機理分析、實用算法諸方面入手，對任意側向變形條件下各向異性填土的土壓力產生機理和隨擋墻位移變化的基本規律進行了深入而全面的研究，并提出相應的計算方法，取得若干創新性成果。

值得一提的是，宋飛自行成功研制出等應變增量比試驗設備和離心模型試驗設備各1套。殊不知，巖土實驗裝置多為非標準化產品，這意味著從設計、制圖到加工生產，都需要宋飛加入自己的想法從而進行原創。然而，從零開始，絕非易事。查閱盡相關英文文獻，一點點摸索前行，不斷從失敗中跳出再投入新一輪研發。就這樣，宋飛的堅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設備榮獲清華大學第十九屆學生實驗室建設貢獻一等獎，并申報發明專利，宋飛為第一發明人。

在做土壓力離心模型試驗時，在離心加速度增大的過程中擋墻卻始終不能保持靜止狀態，這成為又一個擺在宋飛面前的頭號難題。“遇到困難時，除了要自己動腦筋想辦法，還要多與人交流”，這是他從那次經歷中汲取到的秘訣。受學院中一位教授的啟發，宋飛最后研制出一套自動控制系統，即通過電機控制齒輪正轉和反轉使得擋墻保持靜止狀態。“總結經驗很重要”，過程中宋飛不知道經歷了多少次調試。

突破經典土壓力理論

加盟長安大學公路學院后，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80年代初，由高分子聚合物寬條帶經強力焊接而形成的三維網狀結構，用以修建擋土墻以及進行邊坡防護。它伸縮自如，運輸方便，使用時張開并充填土石或混凝土料，構成具有強大側向限制和大剛度的結構體，被廣泛應用于土木工程的各個領域。

與常見的支擋構造物，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點，其結構較輕，減少了對地基承載力的要求；其取消圬工、節約占地、施工簡便、造價低廉；其適用范圍較廣，格室內填料可就地取材，適用于路堤、路塹邊坡、機場及變電站高填方的防護；特別是其墻面格室內可植草種樹，因此在公路建設中能夠滿足綠化墻面、生態保護、美化沿線景觀的要求，生態效應顯著。

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

于是在此背景下，他申請了國家自然科學基金青年科學基金項目“土工格室柔性擋墻破壞機理及土壓力理論研究”。“我們先通過等應變增量比試驗研究填土的強度發揮隨側向應變約束條件的變化規律；之后通過離心模型試驗和彈塑性有限元數值模擬的手段揭示土工格室擋墻在不同工況下的變形規律、破壞機理和土壓力沿墻高的分布規律；再在此基礎上進行適當簡化，提出土工格室擋墻破壞模式和水平位移計算方法，結合工程實際實測數據對所提計算方法進行驗證，為工程設計提供理論基礎和依據。”

2010年在日本沖繩參加得中日巖土工程學術會議

其實，剛性擋墻的破壞模式已有很多學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構的破壞模式還尚無系統的研究，因此研究這種新型支擋結構在高寬比變化、坡度變化、填土表面作用荷載、填土中鋪設拉筋帶等不同工況下的破壞模式，揭示破壞機理并提出分析方法，是項目的創新之一。

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，在試驗中系統測量擋墻的變形、墻后填土的位移場和滑裂面亦是項目的特色所在。經過多次比選實測材料的強度和剛度，宋飛最終選擇了一種聚乙烯薄膜，并采用焊接設備自行加工制作土工格室模型材料，再通過數碼攝像和非接觸式位移測量系統測量擋墻填土位移場的發展和滑裂面的形成。

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

土工格室擋墻中再續探索

當墻后填土填筑較高時，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別，也尚未形成成熟的土壓力計算理論與擋墻設計方法。同時，傳統的等截面擋墻土工格室用量較大，工程造價較高，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、節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科技攻關計劃“新型變截面土工格室擋墻工程應用關鍵技術研究”旨亦于此。他帶領團隊采用離心模型試驗與數值模擬相結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律、填土位移場、滑裂面形態和土壓力分布規律的影響；然后在分析試驗規律的基礎上通過參數反演及數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；后又在此基礎上提出了擋墻優化斷面型式及相應的設計方法，應用于工程實踐并進行驗證，為工程設計提供理論基礎。

功夫不負有心人，最終基于對離心模型試驗、數值模擬以及現場試驗結果的分析，團隊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，還能節約造價。有數據統計，其可為工程節約成本約15%。目前已用于高速公路、機場等工程的邊坡防護中。由于土工格室擋墻作為一種新型支擋結構在工程實踐中還并不多見，因此團隊在加筋層的位置、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研究的背景下，基于對離心模型試驗、有限元計算結果以及現場試驗結果的分析，從而提出這種新型支擋結構實屬創新。“當填方比較高時，通常設置二級或多級擋墻”，面對相關領域的研究空白，團隊同樣抓住機遇，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。

2009年清華大學博士畢業

科學研究似乎總是一個問題接著又一個問題。“二維數值模型僅將加筋材料和土作為一種復合材料簡化考慮，無法單獨考慮格室的應力與應變，也無法研究格室的高度、焊炬以及抗拉屈服強度對于土工格室擋墻以及加筋地基力學性能的影響”，問題是土工格室擋墻的三維數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將土工格室與填料分開模擬，這樣不僅可以單獨考慮支護結構中格室的應力應變，也可真實再現土工格室對填料的約束效應，并由此提出了土工格室加筋擋墻及加筋邊坡的三維數值模擬方法；隨后，他采用模型試驗和現場工程試驗的方法繼續驗證了三維數值模型的有效性，同時還系統研究了支護結構變形和穩定性的各種影響因素。

目前，項目于2016年年底即將進入尾聲，目前正在進行相應標準、規范的編制和產業化推廣。

三尺講臺上的傳教

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

如今，身為碩士生導師的宋飛，身上的擔子更重了。除了做科研，他還要完成日常的教學任務。從2013年開始，宋飛每年各招收了兩名研究生，今年招收3名。他認為，在培養學生的過程中最重要的是“因材施教”。“對不同的學生布置不同的任務，用不同的方法”，比如有的同學動手能力強但理論分析能力較弱，宋飛就會多安排他做實驗，發揮其長處。另外，“耐心”也是必備條件，“很多時候，說一遍學生不明白，這時不能怕麻煩，要多加開導，一點一滴地幫助他們理解”。無論如何，“求真求實，堅持不懈”是他寄予學生的期望。在教學上，宋飛收起了西北人粗線條的豪放，可謂是細致入微。

隨著學生們放暑假，宋飛也開始了自己新一階段的研究工作。“對上一次離心模型實驗進行補充，改變土工格室的力學性質（強度和剛度）和幾何尺寸（高度和焊炬），研究這些力學和幾何參數對土工格室加筋邊坡和加筋擋墻安全系數、臨界滑動面和水平位移的影響，為工程實踐的優化設計提供理論基礎，這些還沒有人做過”。涉足巖土工程領域多年來，宋飛感嘆遇到的困難太多。然而，即使困難再多，宋飛也會堅持艱難跋涉，絕不停止腳步，因為他堅信，有價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律和穩定性分析研究的基礎上，做一些動力特性及抗震研究，也就是在地震荷載狀態下，研究提出的新型變截面結構力學的相應問題，觀察與剛性擋墻、土工格柵擋墻相比有無優勢，“如何布置拉筋帶以及高強度土工格室，提高其抗震性能，在研究新型結構動力特性的基礎上提出抗震措施和優化設計方案”。不僅如此，他還志在把研究面進一步擴大，放眼其他土工合成材料在軟基處理方面的研究。

植物從不會因為干涸而放棄對生命的追求，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。