撑一方之土 保公路安全——记长安大学公路学院副教授、硕士研究生导师宋飞

本刊记者 倪 萍

撑一方之土 保公路安全——记长安大学公路学院副教授、硕士研究生导师宋飞

本刊记者 倪 萍

2014年在延安机场迁建工程施工现场

“现在回想，很庆幸当年选择了岩土力学和岩土工程专业，它实践性非常强而非纯理论学科，我能尽情地发挥特长”。20年前的一个决定让宋飞与岩土工程结缘，后又因兴趣使然，他在科研的探索道路上不断追求新知，并注重理论与实际工程相结合。直至如今，他已在加筋挡墙与加筋边坡、公路边坡稳定分析及支挡结构、土工离心模型试验和岩土工程数值分析等方面取得若干创新性成果，累计发表学术论文20余篇，其中SCI收录3篇，EI收录20篇，申报发明专利3项。

他辛勤耕耘，却也享受其中。

清华园里初露锋芒

20世纪80年代出生在陕西汉中的宋飞是个典型的西北人，他身材高大，性格爽朗，做起事来也是雷厉风行。2009年，宋飞带着“优秀博士论文”的荣誉结束了自己在清华大学的博士学习。在清华大学读博期间，宋飞无论是在理论知识还是在工程实践上都快速成长，逐渐成为同辈中的佼佼者。

随着我国高速公路建设的大规模发展，高填方路堤以及高路堑边坡通常可见。然而，我国多山，而且滑坡、泥石流地质灾害多发，这不仅对人类生命财产造成损失，还破坏自然环境。因此对边坡进行稳定分析，评估其稳定性及加固方法，具有非常重要的工程实践意义和学术价值。

当边坡出现不稳定时，挡土墙作为一种防护措施则被广泛应用于工程建设中，所以分析挡土结构的稳定性、抗滑稳定性、抗倾稳定性就显得尤为必要。这些特性的显现与一个参数密切相关，即土压力。计算土压力的方法有经典的朗肯和库伦土压理论，但其缺陷是只能计算主动和被动两个极限状态下的土压力，“在工程实践中，挡墙的土压力与位移量相关，如果静止或是少量位移但未达到极限状态，此时的土压力如何确定？”这无疑成为新的难题。

围绕着教育部博士学科点专项基金项目，宋飞以考虑侧向变形的各向异性填土土压力计算方法为主要研究内容，在广泛深入阅读和分析现有研究成果的基础上，系统地归纳和总结了土压力问题研究的已有规律和存在问题。随后，他从设备研制、材料试验、离心模型试验、机理分析、实用算法诸方面入手，对任意侧向变形条件下各向异性填土的土压力产生机理和随挡墙位移变化的基本规律进行了深入而全面的研究，并提出相应的计算方法，取得若干创新性成果。

值得一提的是，宋飞自行成功研制出等应变增量比试验设备和离心模型试验设备各1套。殊不知，岩土实验装置多为非标准化产品，这意味着从设计、制图到加工生产，都需要宋飞加入自己的想法从而进行原创。然而，从零开始，绝非易事。查阅尽相关英文文献，一点点摸索前行，不断从失败中跳出再投入新一轮研发。就这样，宋飞的坚持不懈终于换来了硕果——可控任意挡墙位移的土压力离心模型试验设备荣获清华大学第十九届学生实验室建设贡献一等奖，并申报发明专利，宋飞为第一发明人。

在做土压力离心模型试验时，在离心加速度增大的过程中挡墙却始终不能保持静止状态，这成为又一个摆在宋飞面前的头号难题。“遇到困难时，除了要自己动脑筋想办法，还要多与人交流”，这是他从那次经历中汲取到的秘诀。受学院中一位教授的启发，宋飞最后研制出一套自动控制系统，即通过电机控制齿轮正转和反转使得挡墙保持静止状态。“总结经验很重要”，过程中宋飞不知道经历了多少次调试。

突破经典土压力理论

加盟长安大学公路学院后，宋飞将研究目光聚焦在了一种新型土工合成材料——土工格室。这是一种诞生于20世纪80年代初，由高分子聚合物宽条带经强力焊接而形成的三维网状结构，用以修建挡土墙以及进行边坡防护。它伸缩自如，运输方便，使用时张开并充填土石或混凝土料，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体，被广泛应用于土木工程的各个领域。

与常见的支挡构造物，如重力式挡墙、加筋土挡墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、桩板式挡土墙等相比，土工格室挡墙具有诸多优点，其结构较轻，减少了对地基承载力的要求；其取消圬工、节约占地、施工简便、造价低廉；其适用范围较广，格室内填料可就地取材，适用于路堤、路堑边坡、机场及变电站高填方的防护；特别是其墙面格室内可植草种树，因此在公路建设中能够满足绿化墙面、生态保护、美化沿线景观的要求，生态效应显著。

然而，土工格室挡墙并非坚不可摧。除在土压力的作用下会整体发生位移外，墙体自身亦会发生挠曲变形。与经典土压力理论计算得到的极限状态下的刚性挡土墙土压力明显不同，挡墙的变形形态通常介于静止与主动状态之间，墙后填土的破坏模式也与刚性挡墙有较大区别，经典的朗肯及库仑土压力理论已然无法准确预测土工格室挡墙的滑动面。“现在还没有成熟的土压力计算理论、挡墙破坏模式评价方法及设计方法，理论研究落后于工程实践，这是工程界亟待解决的难题”，宋飞道出了问题的关键。

于是在此背景下，他申请了国家自然科学基金青年科学基金项目“土工格室柔性挡墙破坏机理及土压力理论研究”。“我们先通过等应变增量比试验研究填土的强度发挥随侧向应变约束条件的变化规律；之后通过离心模型试验和弹塑性有限元数值模拟的手段揭示土工格室挡墙在不同工况下的变形规律、破坏机理和土压力沿墙高的分布规律；再在此基础上进行适当简化，提出土工格室挡墙破坏模式和水平位移计算方法，结合工程实际实测数据对所提计算方法进行验证，为工程设计提供理论基础和依据。”

2010年在日本冲绳参加得中日岩土工程学术会议

其实，刚性挡墙的破坏模式已有很多学者做过大量研究工作，也已形成较为成熟的研究成果，而土工格室挡墙这种柔性支挡结构的破坏模式还尚无系统的研究，因此研究这种新型支挡结构在高宽比变化、坡度变化、填土表面作用荷载、填土中铺设拉筋带等不同工况下的破坏模式，揭示破坏机理并提出分析方法，是项目的创新之一。

除此之外，“要想完成对土工格室挡墙的离心模型试验研究，难度也不小”。如何选择并加工制作合适的土工格室模型材料，在试验中系统测量挡墙的变形、墙后填土的位移场和滑裂面亦是项目的特色所在。经过多次比选实测材料的强度和刚度，宋飞最终选择了一种聚乙烯薄膜，并采用焊接设备自行加工制作土工格室模型材料，再通过数码摄像和非接触式位移测量系统测量挡墙填土位移场的发展和滑裂面的形成。

随着研究的深入，宋飞还先后主持了包括国家自然科学基金、陕西省自然科学基金在内的4项研究课题；作为主要参加者参与教育部高等学校博士学科点专项科研基金、北京市自然科学基金和江西省交通厅重点项目各1项。无一例外，这些项目的研究内容和成果均与土压力和边坡有很大关系。

土工格室挡墙中再续探索

当墙后填土填筑较高时，就需要在墙后填土中将土工格室加筋材料加长布置，以起到加固边坡的作用。其破坏模式与刚性挡墙及填土中未加筋的土工格室挡墙有明显区别，也尚未形成成熟的土压力计算理论与挡墙设计方法。同时，传统的等截面挡墙土工格室用量较大，工程造价较高，如何布置加筋层，提出一种既能减小挡墙水平位移、提高安全系数、节约土工格室用量的新型变截面土工格室挡墙断面型式是核心问题。

由宋飞主持的陕西省工业科技攻关计划“新型变截面土工格室挡墙工程应用关键技术研究”旨亦于此。他带领团队采用离心模型试验与数值模拟相结合的手段研究填土中加筋带、挡墙断面型式对于土工格室挡墙变形规律、填土位移场、滑裂面形态和土压力分布规律的影响；然后在分析试验规律的基础上通过参数反演及数值模拟的手段研究加筋带的位置、长度、间距、挡墙断面型式、两级挡墙的高度比例以及台阶宽度对于加固效果的影响；后又在此基础上提出了挡墙优化断面型式及相应的设计方法，应用于工程实践并进行验证，为工程设计提供理论基础。

功夫不负有心人，最终基于对离心模型试验、数值模拟以及现场试验结果的分析，团队成功提出一种新型变截面土工格室挡墙断面形式，它不仅能减小挡墙水平位移，提高挡墙的安全系数，还能节约造价。有数据统计，其可为工程节约成本约15%。目前已用于高速公路、机场等工程的边坡防护中。由于土工格室挡墙作为一种新型支挡结构在工程实践中还并不多见，因此团队在加筋层的位置、长度以及间距对于墙背变形、墙背土压力分布的影响均无系统研究的背景下，基于对离心模型试验、有限元计算结果以及现场试验结果的分析，从而提出这种新型支挡结构实属创新。“当填方比较高时，通常设置二级或多级挡墙”，面对相关领域的研究空白，团队同样抓住机遇，探索了二级挡墙中两级的高度比例和台阶宽度对于挡墙工作性状的影响。

2009年清华大学博士毕业

科学研究似乎总是一个问题接着又一个问题。“二维数值模型仅将加筋材料和土作为一种复合材料简化考虑，无法单独考虑格室的应力与应变，也无法研究格室的高度、焊炬以及抗拉屈服强度对于土工格室挡墙以及加筋地基力学性能的影响”，问题是土工格室挡墙的三维数值模拟也具有一定难度。这次，宋飞同样选择了迎难而上。他采用有限元膜单元和嵌入技术将土工格室与填料分开模拟，这样不仅可以单独考虑支护结构中格室的应力应变，也可真实再现土工格室对填料的约束效应，并由此提出了土工格室加筋挡墙及加筋边坡的三维数值模拟方法；随后，他采用模型试验和现场工程试验的方法继续验证了三维数值模型的有效性，同时还系统研究了支护结构变形和稳定性的各种影响因素。

目前，项目于2016年年底即将进入尾声，目前正在进行相应标准、规范的编制和产业化推广。

三尺讲台上的传教

“不为书、不为洋，要为实”，是宋飞铭记在心的一句话，这是博士导师张建民教授当年给宋飞的教诲。多少年过去，宋飞仍旧以它为箴言，指导自己在科研道路上不断前行。深感细节决定成败重要性的他，小到仪器部件的设计、论文的格式排版，都会亲力亲为，力求做到最好。

如今，身为硕士生导师的宋飞，身上的担子更重了。除了做科研，他还要完成日常的教学任务。从2013年开始，宋飞每年各招收了两名研究生，今年招收3名。他认为，在培养学生的过程中最重要的是“因材施教”。“对不同的学生布置不同的任务，用不同的方法”，比如有的同学动手能力强但理论分析能力较弱，宋飞就会多安排他做实验，发挥其长处。另外，“耐心”也是必备条件，“很多时候，说一遍学生不明白，这时不能怕麻烦，要多加开导，一点一滴地帮助他们理解”。无论如何，“求真求实，坚持不懈”是他寄予学生的期望。在教学上，宋飞收起了西北人粗线条的豪放，可谓是细致入微。

随着学生们放暑假，宋飞也开始了自己新一阶段的研究工作。“对上一次离心模型实验进行补充，改变土工格室的力学性质（强度和刚度）和几何尺寸（高度和焊炬），研究这些力学和几何参数对土工格室加筋边坡和加筋挡墙安全系数、临界滑动面和水平位移的影响，为工程实践的优化设计提供理论基础，这些还没有人做过”。涉足岩土工程领域多年来，宋飞感叹遇到的困难太多。然而，即使困难再多，宋飞也会坚持艰难跋涉，绝不停止脚步，因为他坚信，有价值的科研从不会一蹴而就。

展望未来，宋飞雄心满满。他希望在加筋边坡和加筋挡墙变形规律和稳定性分析研究的基础上，做一些动力特性及抗震研究，也就是在地震荷载状态下，研究提出的新型变截面结构力学的相应问题，观察与刚性挡墙、土工格栅挡墙相比有无优势，“如何布置拉筋带以及高强度土工格室，提高其抗震性能，在研究新型结构动力特性的基础上提出抗震措施和优化设计方案”。不仅如此，他还志在把研究面进一步扩大，放眼其他土工合成材料在软基处理方面的研究。

植物从不会因为干涸而放弃对生命的追求，他们牢牢扎根生须而寻水源。宋飞对科研的追求就像一棵大树，尽管困难重重，但他依旧迫切、渴望而热忱。