公示内容项目名称岩土颗粒与水的相互作用机理及其在水力与Word格式文档下载.docx

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特提名为陕西省科学技术进步奖二等奖及以上。

3.项目简介

本项目理论研究及创新性成果属非饱和土力学、表面科学、颗粒力学、黄土力学、冻土力学及工程地质等多学科交叉领域。

水力与力学特性研究是岩土力学理论与工程的重要课题之一。

在大型水利水电、交通、地下空间利用等工程建设中，岩土体中水的迁移不可避免，使其水力与力学行为发生变化，进而显著影响其变形和稳定性，可能诱发工程灾害。

以陕西省境内的公路工程为例，据不完全统计，气候变化致使路基覆盖层水分分布和应力传递特征剧变，诱发数千处不均匀沉降，从而产生路基、路面维修与维护的额外经济投入已逾数亿元。

因此，水力与力学特性研究是岩土工程设计和性能评价的基础与关键。

然而，已有研究没有充分揭示岩土颗粒与水的相互作用机理，对岩土材料的宏观水力与力学特性参数获取与优化方法局限，从而导致岩土工程结构设计与施工优化不足，造成投资浪费，甚至出现安全隐患。

由此可见，在岩土水力与力学分析的关键技术中引入颗粒与水的相互作用理念，是重大工程建设的迫切需求。

本成果依托国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、陕西省自然科学基础研究计划项目、陕西省教育厅重点实验室计划项目、陕西省博士后科研项目及企事业单位委托技术研发课题，将理论分析、仪器研发、试验测试分析、数值模拟、施工方法优化有机结合，围绕岩土材料宏观水力与力学特性参数的获取与优化，探索水力与力学行为动态变化条件下岩土工程变形分析及其稳定性评价的关键技术。

主要创新成果如下：

1.构建了“颗粒-集合体-材料”的细-宏观分析模式，揭示了岩土颗粒与水的细观相互作用对宏观水力特性影响机制

（1）将岩土材料中的粗粒和细粒分别简化为球体颗粒和片状颗粒，结合表面科学，提出了反映颗粒间液桥细观力学机制的动态计算方法，从理论上揭示了毛细力、基质吸力和表面张力对粗粒和细粒的细观水土作用；

（2）将岩土材料简化为球体颗粒集合体，提出了预测持水曲线的滞回效应及其与颗粒级配关系的物理方法，解决了现有方法因引入过多经验参数而影响预测可靠度的问题；

（3）基于岩土材料的持水试验结果，改进了vanGenuchten持水曲线模型，将其推广至全含水率，并考虑应力引起的密度变化。

2.研发了复杂应力状态下非饱和土渗透系数、坚硬黄土等土类的力学特性参数测试技术与设备，为现场快速、稳定、可靠地获取岩土材料参数提供了一条新途径

（1）研制了湿度和密度双变化条件下的非饱和土水气运动联合测定仪，实现了在轴向与侧向应力的独立施加与控制条件下对非饱和土渗透特性与变形特性的关键参数量测；

（2）基于不同增湿级数和干密度条件下的非饱和渗透试验结果，构建了考虑密度变化的渗透系数函数，提出了描述孔隙内水气运动相互影响的渗气渗水函数；

（3）研制了适用于测试坚硬黄土等土类力学特性参数的围岩力学参数测试系统，开发了基于触探参数评价岩土材料力学性能的数据分析平台，显著提高了静力触探测试技术的触探能力。

3.开发了岩土体在水力与力学行为动态变化条件下变形与稳定性的分析评价技术，改进了岩土工程设计与施工优化技术体系

（1）基于多元变形分析模式，开发了冻土地基沉降计算及其稳定性评价的数值分析方法，可用于指导相变自调温沥青路面材料的施工，已参编陕西省地方标准《相变自调温沥青路面材料设计与施工规范》；

（2）在砂卵石深厚覆盖层的水力灌浆过程中，创建了“钻具交替、跟管钻进、一次成孔、孔口定位、间隙灌注、水力灌浆”的快速施工方法，并应用于海工块石基床加固及其驳船灌浆施工；

（3）开发了湿度和密度双变化条件下非饱和渗流有限元计算程序，为考虑变形-非饱和渗流耦合作用的土体稳定性分析和评价方法提供了一条新途径。

自2002年，累计承担课题30余项，本项目的理论及技术研究成果已在中国水电基础局有限公司等国有大中型企业针对黄土、冻土以及砂卵石水力与力学特性参数的快速获取及其工程沉降计算与稳定性评价项目中得到成功应用。

近三年项目成果新增销售额138004.92万元，对岩土工程水力与力学致灾机理评价、防护与治理起到了重要作用，产生了显著的社会效益与经济效益。

项目组在CanadianGeotechnicalJournal、ColdRegionsScienceandTechnology、岩石力学与工程学报、岩土工程学报、水利学报、岩土力学等国内外学术期刊上发表论文87篇，经陕西省科学技术情报研究院出具的收录引用检索报告：

SCI、EI检索论文33篇，总被引用668次；

授权专利13项，参编陕西省地方标准1部，出版著作1部，依托本项目培养博士2名、硕士37名；

相关研究成果获2018年度陕西省高等学校科学技术奖二等奖。

经教育部科技查新工作站（Z08）查新，“在国内外公开发表的中外文文献中除本项目人员发表的论文及研究成果外，未见与本项目创新点完全相同的报道”。

4.客观评价

为从理论上优化岩土工程的设计与施工技术体系，本项目从理论分析、仪器研制、工程应用三方面入手，结合行业技术需求，研究开发了“岩土颗粒与水的相互作用机理及其在水力与力学分析中的关键技术”，在大中型岩土工程建设中得到推广应用。

（1）科技查新结论

2019年6月教育部科技查新工作站（Z08）查新结论：

在国内外公开发表的中外文文献中除本项目人员发表的论文及研究成果外，未见与本项目创新点完全相同的报道。

（2）科技奖励

相关成果获陕西高等学校科学技术奖二等奖。

黄土水力与力学特性的细-宏观多尺度研究及其工程应用，陕西省教育厅，2018年度陕西高等学校科学技术奖，二等奖，2018。

（3）基金项目结题结论

国家自然科学基金项目（编号：

41372304、41402258、10872162、51408486）的审查结果：

“按有关规定已审核完毕，准予结题”；

西安理工大学博士后流动站2019年对中国博士后科学基金项目（编号：

2015M572657XB）的结题审查结果：

“按照中国博士后科学基金结题项目评价指标和有关规定，经审查，符合结题要求，同意结题”。

西安理工大学博士后流动站2019年对陕西省博士后科研项目（编号：

107-434016007）的结题审查结果：

“按照陕西省博士后科研结题项目评价指标和有关规定，经审查，符合结题要求，同意结题”。

（4）相关成果验收意见

2012年7月19日，陕西省教育厅组织专家对西安理工大学承担的“非饱和黄土流体运动规律、增湿湿陷特性及其应用研究”项目（编号：

05JS33）进行了验收，专家组听取了项目汇报，经过认真讨论，形成了如下意见：

完善了微机控制水气运动联合测定仪，研制和开发了平面应变仪；

建立了湿度和密度双变化下，考虑密度的水气相互影响的新型非饱和土渗气渗水函数。

研究了初始干密度和干湿循环对非饱和黄土土-水特征曲线的影响，揭示了非饱和黄土在干湿循环下的滞回规律；

建立了一种考虑应力引起密度变化的土水特征曲线模型以及一种以原状黄土和饱和重塑黄土的割线模型为基础的结构性参数。

提出了黄土的增湿损伤变量，并建立了由塑性、加载损伤和增湿损伤三部分组成的黄土弹塑性损伤本构模型；

项目达到了预期目标，经费使用合理，同意通过验收。

2012年7月19日，陕西省教育厅组织专家对西安理工大学承担的“非饱和土水气运动联合测定的理论与仪器研制”项目（编号：

02JS31）进行了验收，专家组听取了项目汇报，经过认真讨论，形成了如下意见：

开发和研制了新型微机控制非饱和土水气运动联合测定仪，开展了大量的试验研究和理论分析。

探索和总结了一套室内联合直接试验测定非饱和土渗水系数和渗气系数的方法及数据处理方法；

研究了增湿路径、干密度以及饱和度对吸力、渗气系数及渗水系数的影响规律；

2012年7月19日，陕西省教育厅组织专家对西安理工大学承担的“坚硬黄土及冻土钻进式静力触探仪实验研究”项目（编号：

04JS18）进行了验收，专家组听取了项目汇报，经过认真讨论，形成了如下意见：

开发和研制了室内新型微机控制旋转触探仪，开展了试验原理、测试理论和数值分析研究；

利用新型旋转触探仪，以坚硬黄土为研究对象进行了大量室内试验研究，分析了黄土物性指标、强度参数等随旋转触探参数的变化规律；

建立了旋转触探试验结果与相关物理力学性质参数的神经网络数据库系统，能进行良好的旋转触探试验相关数据预测；

对模拟软岩材料（不同龄期和配比的石膏试验）进行旋切触探的机理研究，提出了一种软岩理学参数的旋切触探确定方法；

2014年1月17日，陕西省教育厅组织有关专家，对西安理工大学承担的陕西省教育厅重点实验室项目“非饱和黄土有效应力广义塑性本构模型研究”（编号：

11JS070）进行验收。

验收专家组听取了项目负责人的汇报，并审阅了相关资料，经讨论形成以下意见：

针对一定固结压力下非饱和黄土的土水特征试验要求对GCTS土水特征曲线仪进行了改造，在试验基础上建立了考虑应力引起孔隙比变化的土水特征曲线模型和全湿度范围内的非饱和渗透系数模型；

将非饱和土简化为球体颗粒组成的湿颗粒材料，结合颗粒理学的理论，提出了一种预测其滞回特性的增、减湿持水曲线的物理模型；

将非饱和土简化为气、液、固3相及其交界面组成的系统，推导出土颗粒呈刚性和可变形时考虑相间交界面的非饱和土有效应力公式及其参数表达式；

依托本项目研究发表论文7篇，其中EI检索4篇；

培养研究生5名。

验收专家组认为本项目已完成合同规定的主要研究内容和研究指标，经费使用合理，一致同意通过验收。

（5）部分应用单位评价

①中国水电基础局有限公司对“四、主要科技创新”所列第1、2、3项科技创新的评价是：

该研究成果为水利工程中的岩土构筑物设计与施工优化提供了理论依据，取得了显著的经济效益与社会效益。

②中交四公局第五工程有限公司对“四、主要科技创新”所列第2项科技创新的评价是：

通过实际的工程引用，本公司认为这种方法高效可靠，大大缩短了工期，加快了工程进度，具有很高的推广价值。

③上海琰徵建设工程有限公司对“四、主要科技创新”所列第3项科技创新的评价是：

通过工程实际应用，我公司认为这些方法先进、便捷、可靠，可以在类似工程中开展技术推广与应用。

5.应用情况

依托本项目研发的关键技术和成果已经部分应用于中国水电基础局有限公司、中国电建集团港航建设有限公司毛里塔尼亚分公司等6家国有大中型企业与高校，具体应用如下：

①中国水电基础局有限公司：

采用“岩土颗粒与水的相互作用机理及其在水力与力学分析中的关键技术”课题组研究的微机控制水气运动联合测定仪开展岩土材料的水力与力学特性参数测试分析，采用非饱和渗流有限元计算程序对考虑变形与非饱和渗流耦合作用的土石坝及地下连续墙进行稳定性评价，在水力灌浆过程中采用钻具交替、跟管钻进、一次成孔、孔口定位、间隙灌注、水力灌浆的快速施工方法，新增销售额60017.2万元。

②中交四公局第五工程有限公司：

中交四公局第五工程有限公司采用本项目研发的考虑湿度和密度影响的非饱和渗流有限元程序以及适用于坚硬黄土围岩力学参数的测试系统，新增销售额62340.04万元。

③上海琰徵建设工程有限公司：

上海琰徵建设工程有限公司在承担的S4公路南桥立交改造等工程冬季施工过程中，依托课题组研发的冻土地基多元沉