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11月3日，《南方都市報(bào)》今日頭條發(fā)布：

南都訊 記者 孫小鵬 通訊員 盧夢(mèng)舟 今日，由香港科技大學(xué)吳宏偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究項(xiàng)目《狀態(tài)相關(guān)非飽和土本構(gòu)關(guān)系及應(yīng)用》，因就非飽和土引發(fā)的工程及自然災(zāi)害作出了重大貢獻(xiàn)，榮獲2020年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

據(jù)介紹，非飽和土兼具固體、液體及氣體特性，既是所有建筑物的承載體，亦為斜坡的組成材料，與我們的生活息息相關(guān)。由于非飽和土的含水量以及應(yīng)力狀態(tài)受氣候變化和人類工程活動(dòng)的影響，了解兩者與非飽和土狀態(tài)相關(guān)的滲流-變形-強(qiáng)度耦合特性的關(guān)系，便變得至為重要，否則可能引起包括斜坡、水壩倒塌等工程災(zāi)害，不但對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成威脅，亦會(huì)影響社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著氣候變化日趨嚴(yán)峻，尋找解決問(wèn)題的方案更為迫切。

由港科大霍英東研究生院院長(zhǎng)兼土木及環(huán)境工程系講座教授吳宏偉領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，自1995年起便開(kāi)始對(duì)非飽和土進(jìn)行系統(tǒng)性的深入研究，并多次率先發(fā)現(xiàn)包括非飽和土滲流隨應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律、變形特征的吸力路徑相關(guān)性，以及剪脹/剪縮與強(qiáng)度的吸力效應(yīng)等。團(tuán)隊(duì)亦創(chuàng)建相關(guān)的力學(xué)理論，為斜坡、路基等基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)設(shè)計(jì)與安全施工奠定重要的理論基礎(chǔ)，有助應(yīng)對(duì)氣候變化等挑戰(zhàn)。

身兼港科大中電控股可持續(xù)發(fā)展冠名教授及香港科技大學(xué)（廣州）副校長(zhǎng)的吳宏偉對(duì)獲獎(jiǎng)感到欣喜，認(rèn)為是團(tuán)隊(duì)合作的成果，更特別感謝香港大學(xué)的李焯芬院士。他說(shuō)道：“我們?cè)盒Ｖg應(yīng)該加強(qiáng)合作才能與國(guó)際一流大學(xué)競(jìng)爭(zhēng)，這才有真正意義，對(duì)香港和國(guó)家的貢獻(xiàn)也更大?！?

研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新型非飽和土實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已被全球近300家研究院、大學(xué)和政府部門(mén)采用。吳宏偉表示，隨著“一帶一路”倡議及更多城市基建發(fā)展，非飽和土的理論和應(yīng)用將發(fā)揮越來(lái)越大作用。

據(jù)悉，吳宏偉曾獲國(guó)內(nèi)外多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2013年教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)以及2015年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)包括東南亞巖土工程技術(shù)學(xué)會(huì)、加拿大巖土工程學(xué)會(huì)、英國(guó)結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)，以英國(guó)土木及工程師學(xué)會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)等。2017年他被選為國(guó)際土力學(xué)及巖土工程學(xué)會(huì)于1936年成立以來(lái)唯一一位華人主席。

《南方都市報(bào)》新聞截圖

GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（UNSAT）是對(duì)傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)的延伸，可以在接近實(shí)際地應(yīng)力狀態(tài)和飽和度條件下對(duì)地下水位以上的土體進(jìn)行測(cè)試。所有GDS三軸測(cè)試系統(tǒng)（以及其他制造商的三軸設(shè)備*）都可以進(jìn)行改造，以進(jìn)行非飽和土三軸測(cè)試。GDS可以提供4種方法來(lái)進(jìn)行非飽土測(cè)試。

非飽和測(cè)試也可以運(yùn)用到以下試驗(yàn)類型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三軸試驗(yàn)。

非飽和土體變測(cè)量方法:

• 方法A：通過(guò)GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測(cè)量孔隙氣體積和孔隙水的體積變化。

• 方法B：HKUST內(nèi)壓力室 — 用差壓傳感器測(cè)量?jī)?nèi)壓力室中水的水位變化進(jìn)而得到試樣的總體積變化。

• 方法C：雙壓力室 — 試樣的體變通過(guò)GDS壓力體積控制器測(cè)量流進(jìn)或流出內(nèi)壓力室的水體積來(lái)完成。由于外壓力室加壓，內(nèi)壓力室壁可視為是無(wú)限剛度的。

• 方法D：利用安裝于試樣上的局部應(yīng)變傳感器直接測(cè)量而得到試樣的總體變。

應(yīng)力相關(guān)-土水特征曲線壓力板儀是一套簡(jiǎn)便易用的非飽和土試驗(yàn)裝置，用于應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線及其滯后現(xiàn)象的研究，是研究一定壓力下土壤與水分之間物理關(guān)系的基本工具。應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線是指在一定應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土的基質(zhì)吸力（土壤內(nèi)部的孔隙氣壓力和孔隙水壓力的差值）與含水量或飽和度之間的曲線關(guān)系。應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線是非飽和土的一個(gè)重要基本性質(zhì)，表征土體在一定應(yīng)力狀態(tài)、不同吸力下的持水能力。

對(duì)于任何土，本儀器均可獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下完整的脫濕和吸濕土水特征曲線。該儀器的壓力板配有兩個(gè)不同規(guī)格的壓力表和調(diào)節(jié)器，在低壓范圍提高測(cè)試精度。本儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可控制基質(zhì)吸力高達(dá)1500kPa，但具體的基質(zhì)吸力控制范圍取決于陶土板的進(jìn)氣值。相較于傳統(tǒng)的土水特征曲線壓力板儀，除了可以測(cè)量土樣在不同基質(zhì)吸力下的水體積變化外，本儀器還能給土樣施加一維荷載（即K0狀態(tài)），并可以精確測(cè)量土體的總體積變化。用本儀器測(cè)得的應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線比傳統(tǒng)的土水特征曲線更準(zhǔn)確，更接近現(xiàn)場(chǎng)土的性質(zhì)。

不同應(yīng)力作用下的土水特征曲線（SDSWCC）（Ng and Pang，2000）

特點(diǎn)：

• 通過(guò)一個(gè)試樣可獲得完整的脫濕、吸濕土水特征曲線

• 可以施加一維豎向應(yīng)力，即K0狀態(tài)

• 可以通過(guò)高精度的內(nèi)壓力傳感器持續(xù)監(jiān)控所施加的豎向應(yīng)力

• 可以精確測(cè)量土樣的總體變及含水量

• 雙精度壓力表和調(diào)節(jié)器用于精確氣壓控制

土體一維瞬時(shí)滲透系數(shù)測(cè)試儀，應(yīng)力控制土柱儀可以對(duì)多層土柱自由加載法向應(yīng)力和邊界水力條件（例如：恒定水頭，蒸發(fā)）。

另外，快速使用瞬時(shí)法，還可以減少實(shí)驗(yàn)中測(cè)量?jī)煞N重要水力特性SDPFs和SDSWCCs的時(shí)間。

在給定的應(yīng)力狀態(tài)下，SDPF描述吸力和（或）含水量下水的滲透性的變化，而SDSWCC定義了吸力和含水量之間的關(guān)系。

Geo-Experts 使用一維瞬時(shí)剖面法（IPM）測(cè)量非飽和土對(duì)應(yīng)不同一維法向應(yīng)力下的SDPF的?；隗w變測(cè)量（VWC）和孔隙水壓測(cè)量（PWP），水流速率和水力梯度可以分別確定。因此，根據(jù)達(dá)西定律吸濕和脫濕狀態(tài)下的滲透參數(shù)可獲得。同時(shí)，不同應(yīng)力狀態(tài)下的，快速吸濕和（或）脫濕應(yīng)力相關(guān)土水特征曲線（SDSWCC），可以通過(guò)建立體積含水量VWC和負(fù)孔隙水壓PWP（例如.吸力）關(guān)系來(lái)確定 。土柱的任何體變都能通過(guò)表面的LVDT測(cè)量到。

特點(diǎn)：

• 可以靈活準(zhǔn)確的控制邊界通量/水頭（例如：恒定水頭，蒸發(fā)，自由排水和底部邊界的毛細(xì)上升）；

• 可以研究對(duì)應(yīng)不同水力邊界條件的多重土壤層的滲透特性；

• 使用瞬時(shí)法，可以加速應(yīng)力相關(guān)滲透功能（SDPFs）和應(yīng)力相關(guān)土水特征曲線（SDSWCCs）這兩種水力特性的測(cè)量；

• 可以加載一維垂直應(yīng)力。例如, K0應(yīng)力條件

TRIM  系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用于測(cè)量非飽和土土水回滯曲線（SWRC）和液壓傳導(dǎo)率（HCF）比其他方式更省時(shí)。在吸濕或脫濕過(guò)程中僅用５－７天的時(shí)間就可測(cè)量重塑樣和原裝樣的 SWRC 和HCF曲線。系統(tǒng)能夠在穩(wěn)態(tài)模式或者瞬態(tài)模式使用，能夠應(yīng)用于所有主要的土壤類型，包括砂，砂漿和粘土。

特點(diǎn)：

• 快速獲得吸濕和脫濕的SWCC和HCF

• 精密的滲透壓力室結(jié)合高進(jìn)氣值底（300kPa）能夠反演吸力范圍到幾MPa

• 具有可視的氣泡限制系統(tǒng)，用于兩個(gè)范圍的氣壓:大于15kPa和小于15kPa

• 可選真空控制用于原位試樣和高凈氣值陶土板飽和

• 自動(dòng)監(jiān)測(cè)孔隙水的體積

• 控制用電腦采集數(shù)據(jù)和后處理的用戶圖形用戶界面。

Auto-RH系統(tǒng)是模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，用于自動(dòng)控制介于1%RH到95%RH的相對(duì)濕度。相應(yīng)的吸力控制為7MPa到600MPa。系統(tǒng)在非飽和土力學(xué)應(yīng)用中可用于進(jìn)行吸力控制試驗(yàn)，包括確定高吸力范圍內(nèi)的土水特征曲線（SWCC），吸力控制強(qiáng)度試驗(yàn)（如三軸、直剪），或吸力控制體變?cè)囼?yàn)。Auto-RH系統(tǒng)有超越其他普通控制RH方法（如滲透或鹽溶液法）：在吸濕和脫濕過(guò)程中可以自動(dòng)確定RH的比值并逼近該值。系統(tǒng)的強(qiáng)制流動(dòng)性大大地減少了平衡時(shí)間。自動(dòng)RH控制對(duì)于溫度變化不敏感。

特點(diǎn)：

• 通過(guò)自動(dòng)RH控制（在1%RH到95%RH之間，總吸力在7MPa到600MPa之間），系統(tǒng)可以以用戶指定的流速生成濕潤(rùn)氣流

• 在吸濕和脫濕過(guò)程中自動(dòng)算法確定并保持RH比值

• 集成高精度RH/溫度計(jì)

• 面板可顯示RH、溫度和氣流速度

• 帶圖形界面的軟件用于自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和控制

• 堅(jiān)固的試驗(yàn)臺(tái)外殼；優(yōu)質(zhì)元件和不銹鋼接頭配件，經(jīng)久耐用

DC系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單易用的實(shí)驗(yàn)室裝置，用于測(cè)量吸應(yīng)力的特性曲線（SSCC），它定義了變化的飽和條件下有效應(yīng)力的變化。根據(jù)SSCC曲線，用戶可以獲得土壤-水份滯留曲線(SWRC)。SSCC可以在5-7天內(nèi)沿著吸濕或脫濕路徑測(cè)量。該系統(tǒng)適用于所有主要的土壤類型，包括沙土、淤泥（已驗(yàn)證）和粘土。

特點(diǎn)：

• 包含采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)和圖像處理軟件

• 具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)試樣水分含量的電子天平。

• 具有不同含水率下進(jìn)行彈性模量測(cè)量的加載框架 

• 透明可視的環(huán)境腔室用于控制試樣的干濕循環(huán)速率

• 控制用電腦采集數(shù)據(jù)和后處理的用戶圖形用戶界面。

• 可以同時(shí)測(cè)試兩個(gè)試樣

• 吸力上限最大可達(dá)10MPa

• 包含數(shù)據(jù)采集和后處理的控制計(jì)算機(jī)和圖形化用戶界面

• 部件采用高質(zhì)量的材料加工

• 后處理軟件（POST-DC），便于數(shù)據(jù)篩選和參數(shù)分析