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2018年度陕西省科学技术奖公示信息

来源:  日期:2018-04-03  浏览次数:

 

一、项目名称

    非饱和土水热传输机理及其工程设计理论研究

二、项目简介

    本项目隶属于工程与技术研究和试验发展范畴。

    受到气候及其它水源、热源的影响,非饱和土体中的温度场和水分场是变化的。土体水热变化引起其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。在非饱和土体水热病害研究领域还存在诸多疑难问题,是解决土体水热病害问题的拦路虎。本项目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,研究工作和成果:

    1)土体工程温度场目前根据地表温度(特定场地、特定条件实测数据回归得到的经验公式)计算,考虑风速、辐射、蒸发等实际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世界性疑难问题。项目研究建立了一套考虑风速、辐射、蒸发等自然边界因素及工程外表特征的土体温度场有限元数值模型与分析方法,解决了这一问题。研究成果在国内外均属于研究最新进展,模拟真实边界条件使得计算分析结果更加科学合理,实现了对多年冻土路基横向热差异问题的分析,应用这一新的方法揭示了诸多土体工程病害产生的原因。

    2)现有非饱和土体水分迁移驱动水头的确定方法存在大的缺陷,尚不能考虑温度和相变作用。项目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,得到了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。研究成果使计算结果更加符合实际,考虑温度和相变作用实现了对土体水分迁移问题的分析。

    3)项目首次提出水热数值迭代计算思路,考虑水热相互影响得到非饱和土体水热参数的计算公式,建立了非饱和土体水热耦合数值计算模型。提出的耦合流程便于施行,便于工程界认识水热耦合问题,实现了对复杂工况土体水热耦合问题的计算分析。

    4)模拟气候引起的土体水热变化以及由此引起的土性变化,国内外还缺乏对土体应力和变形问题的研究。项目模拟自然因素导致土性的动态变化及由此引起的变形差异,得到了冻土应力变形数值模型。自然因素导致土性的动态变化是真实存在的,考虑这一存在研究土体应力变形问题具有挑战性和尝试性(沈珠江院士评价本项目),该项研究国内外尚无文献报道,研究成果是创新性的。                   

    5)多年冻土地区高路基纵向开裂严重,传统临界高度设计方法(控制最小高度)是有缺陷的。因有关机理性研究不足,最大高度如何控制一直是疑难问题。项目研究提出上临界高度设计方法,解决了这一问题。该方法是冻土路基设计方法的创新。

    6)旱区非饱和土体气态水迁移不容忽视,目前还缺乏分析评价方法。项目研究得到非饱和土体气态水迁移方程,揭示了气态水迁移的动力是温度梯度和含水量梯度。为研究低含水量土层水分场变化问题提供了依据,在干旱地区土体工程病害防治及植物防护方面有重要意义。

    7)黄土边坡滑坡、崩塌等灾害的大量调查结果已经定性的揭示出黄土节理渗水是发生灾害的主要原因之一,但针对黄土节理渗流评价方法开展的研究工作尚未见文献。本项目经过理论攻关,得到了黄土节理渗流评价方法,研究成果是创新性的。该成果在黄土坑坡等稳定性分析中的基础性作用将逐渐显现。

    项目历时14年,取得了丰硕的科研成果:发表学术论文70余篇,其中国内一级学报发表论文32篇,SCI论文12篇。论文总引用量达到了1825次。20篇代表作均为国内一级学报论文及SCI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。本项目共培养硕博士30余人,其中1篇博士论文获陕西省优秀博士论文称号。

三、客观评价

1.教育部科技查新结论

项目组研究的非饱和土水热传输机理及其工程设计理论,主要有7大创新点(见项目简介),根据教育部科技查新工作站(Z08)的查新报告,在国内公开发表的文献中未发现与项目创新点相同的报道。

2.学术专著、论文及引用情况

本项目所选20篇代表性论文发表在《中国科学》、《岩土工程学报》等国内一级学报及SCI期刊。项目所研究的问题属于行业内的疑难问题。项目研究工作处于学科前沿,取得多项创新性成果,研究成果总体上处于国内领先水平。

项目实施以来多次受到第三方好评。例如,

    1)项目冻土部分研究成果《青藏高原冻土工程设计理论与方法》获得陕西高等学校科学技术二等奖(2004年)。

    2)项目黄土部分研究成果《非饱和黄土水分迁移机理及评价方法研究》获得陕西高等学校科学技术二等奖(2015年)。

    3)论文“青藏高原多年冻土区实际边界浅层土体温度场数值分析”获中国土木工程学会优秀论文二等奖(2004年)。

    4)论文“考虑温度和密度影响的非饱和黄土土-水特征曲线研究”入选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。

    5)本项目培养的博士罗扬完成的博士论文《黄土节理的强度与渗流问题研究》获陕西省优秀博士论文称号。

    项目所选20篇代表性论文共被他引1005次,其中SCI他引55次。代表性论文被引量呈逐年增加的趋势。研究成果被越来越多的研究人员借鉴,引用情况举例如下:

    1.中国科学院沈珠江院士在岩土工程学报(2004, 26(6): 866-869)以“抗风化设计——未来岩土工程设计的一个重要内容”为题的文章中指出课题组的工作是开创性的。“冻土路基的融沉问题虽有人研究,但多是经验性的,严格的数值分析理论只是初步有人考虑(指王铁行考虑土性变化研究土体应力变形问题)”。

    2.中国科学院赖远明院士等在国际著名期刊Applied Thermal Engineering2018(128): 956965)以“Experimental study on the water-heat-vapor behavior in a freezing coarse-grained soil”为题的文章中,引用了本课题组2篇文章:“Especially under the isothermal conditions, the factors such as soil, water content gradient and water content have significant effects on the migration of vapor(本项目成果);“When the initial water content of the soil is small, the grill blocking liquid water has little effect on the moisture migration induced by freezing, and the moisture migration to freezing front was mainly carried out by vapor. When the initial water content is large, moisture migration is mainly conducted by liquid water transfer”(本项目成果)。

    3.Gdansk University of Technology的学者Marek Pszczola等在国际著名期刊Materials2018(01):1-2)以“Evaluation of Asphalt Mixture Low-Temperaure Performance in Bending Beam Creep Test”为题的文章中,引用了本课题组的成果。“Another theory explains low-temperature cracks as an effect of thermal cycling and thermal fatigue failure(翻译:也有理论(王铁行)阐明了温度循环和热疲劳失效导致的低温裂纹的成因)

    4.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所所长、国际冻土协会中国理事马巍研究员在岩土工程学报(2012(34): 625-640)以“中国冻土力学研究50 a 回顾与展望”为题的文章中,高度评价了课题组所做工作:“王铁行等基于冻土路基特殊的工程性质,就水分迁移结果对温度场的影响特别是对热物理参数的影响进行了研究,提出了冻土路基水热耦合计算模型,并给出了水热耦合计算的总体流程图,从而揭示了冻土路基温度场和含水状态的横向差异。”

    5.《中国公路学报》编辑部在中国公路学报(2013(26):1-36)以题为“中国道路工程学术研究综述”的文章中高度评价了课题组的学术成果: “在路基温度场变化方面,王铁行等为了解决冻土温度随时间变化和相变影响问题,引进了非稳态相变温度场理论,建立了考虑相变的路基非稳态方程”。

    6.国家杰出青年科学基金获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选陈卫忠教授等在岩石力学与工程学报(2011(30):1318-1336)以“低温及冻融环境下岩体热水力特性研究进展与思考” 为题的文章中,肯定了本课题组的工作。“王铁行和胡长顺给出了冻土路基水分迁移问题的二维数值模型,提出水头应由重力水头,吸力水头,温度水头和相变界面水头4部分组成,定义了温度水头和相变界面水头,并给出了相应的确定方法。”

    7.National University of Singapore的学者Yong Liu等在国际著名刊物Canadian Geotechnical Journal2017(05): 1659-1671)以“Effects of material and drilling uncertainties on artificial ground freezing of cement-admixed soils”为题的文章中,引用了本课题组试验数据验证了其研究成果的合理性。“To test eq. (1)s effectiveness,. Figure 4a shows the prediction results. Although a certain degree of error is present, the predictions are generally unbiased”。“Figure 4b plots predicted values against tested values of heat capacity, with the results suggesting that eq. (2) provides a reasonably accurate estimate of overall heat capacity.”。比对试验数据均来源于本项目。

    8.中交第一公路勘察设计研究院金龙和汪双杰(全国工程勘察设计大师, 新世纪百千万人才工程国家级人选)在国际著名期刊Cold Regions Science and Technology2012 , (83-84): 122-130)以“Study on the height effect of highway embankments in permafrost regions”为题的文章中,引用了本课题组的论文。“Wang based on elasto-plasticity theory and creep theory, simulated a variation of water content, temperature distribution and soil property. They established a two-dimensional model to calculate the stress and deformation of highway embankments in permafrost areas(翻译:王铁行基于弹塑性理论和蠕变理论,模拟了含水量,温度分布和土壤性质的变化,建立了一个二维模型来计算多年冻土区公路路基的应力和变形)

    9.辽宁工程技术大学张树光教授等在科学技术与工程学报(2006(06):1144-1146)以“非等温条件下土体冻胀过程的分形逼近”为题的文章中,指出了本课题组研究的问题属于当代学科前沿性问题:“目前国内外学者在土体冻胀方面做了大量的研究,涉及到冻胀的理论模型、冻胀特性的试验研究以及数值分析和理论分析等,以上研究主要集中于人工冻土, 但是王铁行针对多年冻土区的路基冻胀问题,考虑了气候因素的变化过程。”

    10.孙斌祥教授和资深冻土专家徐学祖教授、赖远明院士、汪双杰大师等合著论文“多年冻土区公路路堤碎石层厚度的计算”发表于岩土工程学报(2006, 28(4): 451-459)。文中多次引用了本项目有关冻土路基临界高度研究成果。“为此,我国研究人员花费了很大精力来寻找问题的解决之道”(项目工作);“根据冻土路堤的设计原则,可以通过观测试验和数值模拟等确定不同路面类型的路堤临界高度,冻土区碎石路堤总高度也可据此确定”(借鉴意义);“实际冻土路堤由于路堤走向往往存在阴阳坡,使左右边坡表面的温度变化有差异”,“在考虑长期营运的时间效应时这种阴阳坡对工程有较大影响”(项目阴阳坡研究);等。

    11.中南大学国家优秀青年科学基金获得者张升等在国际著名期刊Cold Regions Science & Technology2016(126): 1-9)以“Importance of vapor flow in unsaturated freezing soil: a numerical study”为题的文章中,引用了本课题组的2篇论文。“Recent experimental evidence also proves that vapor flow in freezing soils could lead to a large amount of ice formation, being the dominant mechanism of moisture migration(本项目成果);“Wang presented the measured Soil Water Retention Curve of the silty soil, which is shown in Fig. 2a, together with the fitted result by the van Genuchten model.”。


3.重要科技奖励

序号

获奖项目名称

获奖时间

奖项名称

奖励等级

主要获奖人

授奖单位

1

非饱和黄土水分迁移机理及评价方法研究

2015-02-20

陕西高等学校科学技术奖

二等奖

王铁行;罗扬;刘小军;李宁;胡长顺;苏立君;罗少锋;张辉

陕西省教育厅

2

青藏高原冻土工程设计理论与方法

2004-06-01

陕西高等学校科学技术奖

二等

王铁行;胡长顺;李宁

陕西省教育厅

五、科学意义及价值

    1 研究工作是非饱和土体工程防灾减灾设计理论发展与技术进步的需要

    黄土高原属于季节冻土地区,青藏高原属于多年冻土地区。随着西部大开发进程的日益推进,黄土高原和青藏高原土体工程(路基、地基、边坡等)规模亦日益增大,其承载主体基本上是非饱和土。土体工程直接暴露于大自然,受到气候及其它水源、热源的影响,非饱和土体中的温度场和水分场是变化的(水热变化)。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,给国民经济造成很大损失。上述土体水热病害受到工程界高度重视,已经开展了大量病害调查和现场测试工作,学术界亦有较多研究文献。但由于问题的复杂性,非饱和土体水热研究领域还存在诸多疑难问题,这些疑难问题主要存在于机理性研究方面,是解决土体水热病害问题的拦路虎。基于此,项目对非饱和土体水热疑难问题开展了研究工作。研究工作是非饱和土体工程建设的需要,是非饱和土体工程防灾减灾、设计理论与技术进步的需要。

    2 项目研究解决了土体工程温度场计算分析疑难问题,有关病害分析和设计理论取得创新。

    土体工程温度场目前根据地表温度经验公式(特定场地、特定条件实测数据回归得到)计算,不能按实际考虑风速、辐射、蒸发等外在因素及工程外表特征差异,使分析结果与实际存在较大偏差,对阴阳坡及横向热差异问题无法分析。模拟实际边界条件确定温度场受到研究人员重视,GoodrichBerg等多位学者研究得到了在北美冻土区考虑辐射的温度场差分方程,但仅适用于一维问题,对工程外表特征以及风速、蒸发等实际边界因素还缺乏考虑,国内尚无此方面文献。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。项目研究建立了一套考虑风速、辐射、蒸发等自然边界因素及工程表特征的土体温度场有限元数值模型与分析方法,解决了这一问题。研究成果在国内外均是领先的,真实模拟边界条件使得计算分析结果更加科学合理,实现了对多年冻土路基横向热差异问题的分析。这一新的方法可用于分析二维和三维问题,工程应用揭示了多种土体工程病害产生的原因,应用此方法研究提出的上临界高度设计方法是冻土路基设计方法的创新。

    3 考虑温度和相变作用实现了对土体水分迁移问题的计算分析,建立的土体气态水迁移方程是行业研究领域最新进展。

    项目根据大量试验揭示的温度梯度驱动水分迁移现象及冻结界面抽吸水分现象,提出了温度水头和相变界面水头概念,并研究给出了其确定方法。研究成果使非饱和土体水分迁移计算分析中对驱动水头的考虑更加科学合理,实现了在非饱和土体水分迁移计算中考虑温度和相变作用,实现了对土体热工和冻融条件下水分迁移问题的分析。为了分析低含水量土层水分场变化问题,研究得到了非饱和土体中气态水迁移引起含水量变化的非稳态方程,是土体水分迁移研究领域的最新进展,为评价干旱地区土体工程水分动态提供了依据。

    4 首次提出水热数值迭代计算思路,建立了便于应用的非饱和土体水热耦合数值计算模型。

    项目首次提出水热数值迭代计算思路,建立了非饱和土体水热耦合数值计算模型,明确了温度场方程与水分迁移方程的迭代计算流程,是便于施行的方法。该项成果是土体水热耦合问题研究最新进展,实现了对各种工况土体水热耦合问题的计算分析。

    5 模拟土性动态变化过程对土体应力变形的研究工作处于学科最前沿,取得创新成果。

    考虑气候引起的土体水热变化以及由此引起的土性变化,国内外还缺乏对土体应力和变形问题的研究。自然因素导致土性的动态变化是真实存在的,项目考虑这一存在研究土体应力变形问题作具有挑战性和尝试性(沈珠江院士评语),该项研究国内外尚无文献报道,项目研究成果是创新性的。

    6 黄土节理渗流问题研究取得重要进展,填补了黄土节理渗流评价方面研究的空白。

    黄土边坡滑坡、崩塌等灾害的大量调查结果已经定性的揭示出黄土节理渗水是发生灾害的主要原因之一,但针对黄土节理渗流评价方法开展的研究工作尚未见文献,黄土节理渗流评价问题因其复杂性一直属于疑难问题。本项目经过理论攻关,建立了黄体节理二维渗流方程,得到了黄土节理渗透系数的确定方法,研究成果是创新性的。黄土坑坡普遍发育有黄土节理,该成果在黄土坑坡稳定性分析中的基础性作用将逐渐显现。


六、主要完成人情况

姓名

王铁行

排名

1

行政职务

教研室主任

技术职称

教授

工作单位

西安建筑科技大学

完成单位

西安建筑科技大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

   对非饱和土水分运动机理、热运动机理及水-热耦合机理问题及由此引发的土性改变而造成的非饱和土应力-变形和强度问题等创新点做出了创造性贡献。是项目主要研究思路的贡献者,是项目研究方向的决策者。在研究方案的策划、研究方法的建立等方面具有突出贡献。

姓名

罗扬

排名

2

行政职务

技术职称

讲师

工作单位

西安建筑科技大学

完成单位

西安建筑科技大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

对创新点(7)建立了黄体节理二维渗流方程,得到了节理在非饱和黄土层的发育过程及对土层渗流进程的影响做出了创造性贡献。是该创新点的主要思路贡献者,主要工作完成者。在项目研究后期,对项目研究成果的总结及集成做出了重要贡献。

姓名

胡长顺

排名

3

行政职务

技术职称

教授

工作单位

长安大学

完成单位

长安大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

    对创新点(1~4)做出了创造性贡献。是项目前期科研工作的指导者。

姓名

李宁

排名

4

行政职务

技术职称

教授

工作单位

西安理工大学

完成单位

西安理工大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

  对创新点(2~3)做出了创造性贡献。是上述创新点的参与者。

姓名

卢靖

排名

5

行政职务

技术职称

高级工程师

工作单位

西安建筑科技大学

完成单位

西安建筑科技大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

对创新点(2~3)做出了创造性贡献。完成了主要的试验工作。

姓名

罗少锋

排名

6

行政职务

技术职称

讲师

工作单位

西安建筑科技大学

完成单位

西安建筑科技大学

对本项目主要学术和技术创造性贡献

对创新点(4)得到了考虑水热影响的土体强度参数确定方法。模拟气候引起的土体水热变化以及由此引起的土性的动态变化,建立了冻土应力变形数值模型做出了创造性贡献。

 

七、完成人合作关系说明

    项目第1完成人王铁行于1998年至2001年间在长安大学攻读博士学位。以博士研究生身份与导师胡长顺教授合作开展本项目部分科研工作。其间的科研产出包括7SCIEI收录论文。王铁行是上述科研成果的主要学术思想提出者、主要工作完成者,胡长顺进行了指导工作。

    项目第1完成人王铁行于2001年至2003年间进入西安理工大学博士后流动站进行科研工作。以博士后研究生身份与导师李宁胡教授合作开展本项目部分科研工作。其间的科研产出包括5SCIEI收录论文。王铁行是上述科研成果的主要学术思想提出者、主要工作完成者,李宁进行了指导工作。

    项目第1完成人王铁行自2003年始在西安建筑科技大学工作。以同事身份与罗少锋合作开展本项目部分科研工作。其间的科研产出包括1EI收录论文。王铁行是该科研成果的主要学术思想提出者,罗少锋进行了主要试验及分析工作。

    项目第1完成人王铁行自2003年始在西安建筑科技大学相继担任硕士生导师、博士生导师。在本项目研究过程中,共培养了包括卢靖、罗扬在内的23名硕、博士研究生。

    卢靖为王铁行指导的硕士研究生,在2003年至2006年攻读学位期间参与项目研究工作。其间的科研产出包括3EI收录论文。王铁行是该科研成果的主要学术思想提出者,卢靖进行了主要试验及分析工作。

    罗扬为王铁行指导的硕、博士研究生,自2008年至2014年攻读学位期间参与项目研究工作。其间的科研产出包括1EI收录论文。罗扬是该科研成果的主要学术思想提出者,王铁行进行了指导工作。

 

八、主要完成单位排序及贡献

单位名称

西安建筑科技大学

排名

1

所在地

陕西西安

对本项目主要贡献:

项目第1完成人王铁行自2003年始回到西安建筑科技大学工作以来,该单位积极配合项目组开展科研活动。在研究过程中,在实验条件、办公条件、后勤服务保障等硬件方面给予课题组充分支持。在研究生招生、课题组建立、资金支持都软件方面不遗余力满足课题组的需要。积极组织人力,申报并获准了开展非饱和土及路基路面工程研究的一系列国家自然科学基金、省自然科学基础研究计划、省教育厅专项科研计划等项目。积极组织了项目相关基金的结题验收工作,指导课题组获得了2004年度陕西省高等学校科学技术二等奖、2015年度陕西省高等学校科学技术二等奖。

单位名称

长安大学

排名

2

所在地

陕西西安

对本项目主要贡献:

项目第1完成人王铁行于1998年至2001年间在长安大学攻读博士学位期间,该单位积极配合项目组开展科研活动。

 

作为项目的合作完成单位,组织人力与课题组进行合作,提供了项目研究所需的工程资料,组织项目组成员赴青藏高原进行调研和现场测试工作,为项目科研成果的获得提供了基础性的支撑。

单位名称

西安理工大学

排名

3

所在地

陕西西安

对本项目主要贡献:

项目第1完成人王铁行于2001年至2003年间进入西安理工大学博士后流动站进行科研工作期间,该单位积极配合项目组开展科研活动。

 

作为项目的合作完成单位,配合项目团队的研究工作,提供了技术支持。在理论研究方面,李宁等专家学者与项目组成员深入交流,推进了理论研究工作。在数值计算方面提供了场地及设备保障。在后勤服务保障方面给予课题组大力支持。

 

九、完成单位合作关系说明

西安建筑科技大学与长安大学、西安理工大学在2000年至2014年期间合作开展研究工作。合作内容包括组建课题组、现场调研、资料收集、试验研究及理论分析工作。项目以西安建筑科技大学为主导,长安大学提供了现场的工程资料及协调调研、测试等工作;西安理工大学提供了技术支持及保证了数值分析工作的条件。资金投入方面,依托西安建筑科技大学申请了国家自然科学基金三项,并结合省部级、地方计划。知识产权归属第一完成单位,且权益分配和风险分担无纠纷。

 

十、主要论文专著目录