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王建华:开发地下空间

日期:2012-11-15 10:51:22  来源:上海交通大学新闻网
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    [编者按] 继2011年上半年推出“身边的感动”系列报道受到广泛好评后,从2011年10月起,我们推出了新栏目“学者笔谈”。本栏目将陆续推出一批我校有影响的学者,重点展示他们在人才培养、科学研究、服务社会和文化传承与创新等方面的观点和见解、思路和做法及理论和实践,旨在弘扬科学精神,激荡人文情怀,回归学术本位,浓郁学术气象,全面提升交大学术的影响力和传播力。 

 

  ■ 城市是人类文明的结晶,也是文明发展的重要标志。土木工程则是城市基础设施建设发展的重要学科。

 

  ■ 任何一门应用学科都来源于工程实践,地下空间开发中的岩土力学与工程学科也例外。

 

  ■ 单个工程问题的特殊性背后往往隐含了基本的科学规律,需要从个案问题中发现和总结一般问题。

 

  ■ 发现问题就解决了一半,但另外一半还必须有相应的手段进行分析处理。解决问题的能力来源于清晰的基本概念和扎实的理论基础。

 

 

 

  城市地下空间开发的机遇与挑战

 

  城市是人类文明的结晶,也是文明发展的重要标志。土木工程则是城市基础设施建设发展的重要学科。在大规模城市化的进程中,随着国家对基础设施建设投入的增大,土木建设工程的需求日益增大。同时,由于城市建设受制于发展空间限制和可持续发展需求,大规模的地下空间开发已成为城市建设发展的重要方向。目前国家在基础设施方面进行了大量投入,大中城市均在修建城市地铁网络,地铁本身即涉及复杂的地下空间建设问题,地铁修建也带动周边地下商场和地下停车场的建设,城市发展逐步走向空间立体化。

 

  中国地域辽阔,地质条件差异很大,各地区的地下空间开发均具有自己独特的问题。由于沿海地区经济发达,城市发展对地下空间发展提出了很高的要求,地下空间开发呈现深度大,面积大的特点。随着我国城市化的加速,内陆地区开发方兴未艾,可以预计今后的五十年甚至更长的时期,我国将处于地下空间开发的大发展时期,急需合格的地下空间开发的大量人才。发奋读书,夯实基础,迎接地下空间开发新高潮带来的挑战,丰富自己的人生,无愧于时代的给我们带来的机遇。

 

  地下空间开发涉及数学力学、土木工程、水文、工程地质、环境科学等学科,是多学科的集成应用,其中的核心学科是土力学。城市化进程是推动土力学学科发展的源动力。我国目前正在进行大规模的基本设施建设,其工程规模及施工难度前所未有,土力学理论不仅遭遇了重大的挑战,同时对丰富和发展土力学理论带来罕见的机遇。

 

  善于发现工程中的科学问题

 

  任何一门应用学科都来源于工程实践,地下空间开发中的岩土力学与工程学科也例外。金贸大厦(420米)、环球金融中心(492米)和上海中心(632米)等超高层建筑物的沉降计算与控制、穿越长江黄浦江的大型公路隧道和地铁隧道的建设施工、超深地铁车站建设的周边环境保护等工程问题都对经典土力学理论提出了新的问题和挑战。

 

  解决实际工程问题与完成教材中习题最大不同在于很多条件未给出,我们做习题时边界条件是给定的,做习题目的是巩固所学知识,掌握计算方法。分析实际工程问题,首先要判断它满足什么方程,再确定其边界条件和本构关系。就土力学而言我们主要是求解弹性力学方程,再确定相应的边界条件和本构关系,实际工程问题的边界条件和本构关系最难确定,需要清晰的概念和大量的积累。

 

  如何在科研过程中探索解决实际的工程难题、发现分析其中的科学问题?结合我个人的工作经验与积累,建议从下面几个方面进行思考:现有理论及规范中计算公式的假设条件与适用范围?在试验与工程测试过程中是否出现了与传统或常规概念不一致的现象?新的施工工艺可能对传统的概念带来冲击。

 

  当实际工程问题与现有理论的基本假设不同、既有理论不适用时,必需重新构建基本模型来描述科学问题。在工程问题的处理中,可以通过基本假设的适当修正或简化问题来进行保守处理,但其科学问题的解决还是需要重新构建基本模型和边界条件。上海世博地下变电站是一个直径130米、挖深33米的大型地下工程,其建设过程中最基本的两个问题,其一是土压力的确定,其二是超深桩基的抗拔承载力损失问题。对第一个问题传统的土压力计算公式不适用,原因是传统的土压力计算公式(是目前规范中推荐的公式)在推导时是基于平面应变假设,而圆形基坑的土压力分布是轴对称问题,在此之前计算圆形基坑的土压力仍然采用传统的计算公式,主要原因是规范未列出轴对称的土压力计算公式。针对这一个典型的假设条件与适用范围不一致的问题,我的一个博士生在重新构建基本假设、引入新边界条件的基础上,开展了理论推导和试验研究,从静荷载到动荷载开展了系统的分析,基于研究结果提出相应的计算方法和公式,在服务实际工程的同时揭示了基本的科学机理、发表了多篇高水平的研究论文,并获得了上海市优秀博士论文。

 

  单个工程问题的特殊性背后往往隐含了基本的科学规律,需要从个案问题中发现和总结一般问题。上海的地下水位一般离地面只有1米,地下结构会受到很大的浮力,常用的工程措施是采用桩基抗浮,先把桩基打到预定的深度,开挖后与地板连接形成整体,浮力由桩基承担。以前的设计方法认为,开挖卸荷对桩基抗拔承载力的影响很小,桩基设计不需通长配筋。直到某工程出现断桩事故后,修正了相应的设计方法。这是一个典型的在试验与工程测试过程中出现了与传统或常规概念不一致的问题。课题组抓住了这一问题,对作为抗拔的超深桩基的抗拔承载力的损失问题开展理论与现场试验研究,率先发表了相关论文,研究成果不仅为工程节省了造价,给出了相应的评估方法,由于问题的复杂性,目前已成为岩土工程界的一个研究热点问题。

 

  新工艺和新方法的出现必然引出新的科学问题。由于上海的特殊地质条件进行地下空间开发必须对地下水进行处理,常规方法是采用抽水降压的工程措施,亦即对潜水进行抽取,对承压水进行降压以保证开挖的顺利进行。我们与上海基础工程有限公司联合开发了远程遥控气压沉箱技术,通过气压平衡水压的原理进行地下空间开发。出现的新问题是如何在高气压下预测结构的沉降?这是一个典型的新的施工工艺可能对传统的概念带来冲击的问题。我们通过理论、室内试验及现场测试相结合的方法开展相关研究,取得了预期的成果,保障了工程的顺利完工,基于上述成果获得上海市科技进步一等奖。

 

  综上所述,地下空间开发所涉及的土力学问题,不仅边界条件复杂,本构关系复杂,由于地下水的介入,可以说是一个高度非线性的多场耦合问题,涉及的科学问题众多,对于研究生寻找课题,可以形象比喻为“遍地是黄金”!

 

  夯实基础

 

  发现问题就解决了一半,但另外一半还必须有相应的手段进行分析处理。解决问题的能力来源于清晰的基本概念和扎实的理论基础。作为一名合格的工程研究人员,必须具备利用数学和力学方法对所涉及的工程问题进行抽象和提炼,形成相应的方程并给出合适的边界条件,对提炼出的问题有能力采用适当的手段进行求解。这种能力和素质必然来源于学习研究阶段的基本功训练。在人才培养的目标中,对本科生强调的是知识面宽,遇到实际问题能够通过查找相关文献解决;对硕士研究生在宽的基础上强调深,对常见的工程问题可直接解决;对博士生着重于精,在某一领域的某一方向成为专家。

 

  研究生如何夯实基础,我想提点个人的看法:工科研究生应当具备良好了数学力学基础。有了扎实的数学基础,就可以学习更多更深数学理论,有了扎实的材料力学基础我们就具备学习弹性力学等高深的力学知识。工科学生具有坚实的数学和力学基础,就能将复杂的工程问题进行描述及求解,为工程的设计与施工提供正确的建议。数学与力学学科发展非常快,工科学生不可能在读书期间掌握最新的数学与力学知识,只有在研究和工作有需求时选择部分学习,因此,在读书期间打下扎实的数学与力学基础非常重要。

 

  专业课对培养学生解决实际问题的能力至关重要,有了数学与力学基础相当于掌握了工具,只有对实际工程问题有深刻的理解才能用好工具。专业课的学习要注重对基本概念的理解,有些概念需反复思考,如土力学中的有效应力原理等,工程实践是理解专业的有效途径。掌握目前最新的求解手段对我们解决复杂的工程问题是必须的,目前有限元方法已成为通用的解决工程问题的工具,在校期间应熟练掌握有限元方法,并能求解实际工程问题。

 

  在学习和研究的过程中不断夯实基础、提升分析和解决问题的能力,那么我们就能从容的应对各种机遇和挑战了。

 

  个人与团队的协调

 

  地下空间开发规模巨大,很难靠个人的力量完成,必须依靠团队才能完成。每个人的特长不同,融入团队才能做大事,才能更充分的发挥个人的能力。

 

  在研究团队对复杂问题的分析处理过程中,不仅需要团队成员个人能力的充分发挥,更需要整体的配合协调。在一个团队中有明确的分工合作、又有适度的交流沟通,让每一个成员完成自己专长的工作,同时可以通过个体的创意碰撞拓展思路。

 

  作为研究生应加强对表达和交流能力的训练,在研究过程中团队成员间的头脑风暴和智慧碰撞需要良好的交流能力;当完成一项研究或阶段进展时更需要能清楚的阐述所完成的工作,让未参加该项工作的人清楚是怎么做的、结果是什么。这种能力也是我们在团队合作工作中所必需的基本素质之一。

 

  另一方面,团队内部的交流可以让成员了解其他人的研究工作,以拓展各自的知识面和研究思路。笔者研究团队包括10名教师和40多个在校研究生,每个人的研究方向和课题不尽相同,但通过定期的学术交流活动,相互之间有了充分的了解和良好的认识。这样,既容易擦出思想火花,也有助于提升研究生在今后工作中的知识面与解决问题的能力,有不少毕业生在工作中处理实际工程问题的能力均得益于这种交流。

 

  学者小传

 

  王建华,上海交通大学土木工程系教授,博士,博士生导师。2001年12月到2002年12月获教育部“面向二十一世纪振兴教育计划”资助,作为高级访问学者在美国University of Michigan进修。兼任中国土木工程学会理事、中国土木工程学会土力学及岩土工程分会理事、中国力学学会岩土力学专业委员会副主任委员、中国水利学会岩土力学专业委员会常务委员、上海市土木工程学会土力学与岩土工程专业委员会副主任委员、上海市力学学会岩土力学专业委员会副主任委员、《岩石力学与工程学报》、《岩土工程学报》、《地下空间与工程学报》、《岩土力学》等刊物编委。 

 

  主要研究方向为岩土工程数值分析方法、深基坑工程变形特性与环境效应、饱和土与结构共同作用、地下空间开发施工与测试技术。先后主持国家自然科学基金4项、国家863项目子课题1项,并负责完成上海市科委科技攻关项目的纵横向科研项目40余项。共发表论文300余篇(其中SCI论文40余篇),获上海市科技进步奖11项(一等奖3项、二等奖5项),出版专著2本、主编教材1本。主讲课程“土力学与地基基础”为上海市精品课程。

 

 

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