文／本刊記者 王 郁

“這是我們針對滑坡研發(fā)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，這邊是研制的具有負泊松比效應(yīng)的NPR新型錨索……”中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院副教授陶志剛興致勃勃地向記者介紹著。多年來，他在中國科學(xué)院院士何滿潮的指導(dǎo)下，與深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室的團隊成員們共同研發(fā)了多種有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測系統(tǒng)。

為巖土做診斷“樂在其中”

陶志剛師從中國科學(xué)院何滿潮院士，以滑坡地質(zhì)災(zāi)害（含發(fā)震斷裂活動）深部力學(xué)監(jiān)測預(yù)警和NPR新型結(jié)構(gòu)材料超常力學(xué)特性實驗為主要研究方向，主要從事巖土工程、地質(zhì)工程、邊坡工程、地震工程、隧道工程災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及控制等方面的教學(xué)和科研工作。2013年3月，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)博士后出站。

2013年5月，陶志剛進入北京礦冶研究總院礦山所工作，2014年6月調(diào)入中國礦業(yè)大學(xué)（北京）工作。2017年1月至11月期間，在本溪鋼鐵（集團）南芬露天鐵礦掛職副總工程師，負責采場下盤危險邊坡滑動力監(jiān)測預(yù)警、治理和技術(shù)攻關(guān)；2017年12月至今，在山西省柳林縣國土資源局掛職副局長，負責柳林縣危險邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)和全縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)升級。

陶志剛所從事的巖土工程，是土木工程里極為重要的一門學(xué)科，包括土力學(xué)、巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)3個分支，三方面缺一不可。研究巖土工程，不僅要牢固掌握其基本概念與原理，還要對巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、強度變形計算、穩(wěn)定性分析等理論與方法做到心知肚明，更要在這些理論與原理的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到土木工程、地質(zhì)工程和隧道工程的實際操作中，真正服務(wù)于民。因此，一入巖土工程深似海，陶志剛不但要時刻想著研究，也要深入礦山當起“工程師”，還要時不時充當“業(yè)務(wù)員”，廣泛聯(lián)系合作企業(yè)，將研發(fā)的新材料、新裝備應(yīng)用到對各種地質(zhì)災(zāi)害的實際監(jiān)測中。

這份聽起來有些令人“叫苦連天”的工作，陶志剛卻始終樂在其中。

近五年，陶志剛作為項目負責人主持國家自然科學(xué)基金1項、中國博士后科學(xué)基金面上項目1項、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目4項、浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金1項；作為技術(shù)骨干參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、北京市自然科學(xué)基金和浙江省重點研發(fā)項目等12項國家縱向研究課題。2018年被評為中國能源研究會優(yōu)秀青年能源科技工作者。兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會副秘書長，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會古遺址保護與加固工程專業(yè)委員會委員，山西省柳林能源與環(huán)境院士工作站副站長。

滑坡預(yù)警系統(tǒng)——為礦場做心電圖

本溪鋼鐵（集團）礦業(yè)公司南芬露天鐵礦是單體露天礦山，1999年以來，在特殊地形和長期礦山開采綜合影響下，采場下幫邊坡形成了多處較大規(guī)模的滑坡體，滑坡體長252m，寬250m，滑動方向270°，滑坡體的體積約52萬m3，壓礦近千萬噸，10年來不能開采，給企業(yè)造成了重大損失。

在“長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”與本溪鋼鐵（集團）礦業(yè)公司南芬露天鐵礦的共同資助下，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室和南芬露天鐵礦的專家、教授和科研人員組成攻關(guān)小組，陶志剛作為現(xiàn)場技術(shù)負責人帶領(lǐng)團隊針對邊坡巖體大變形災(zāi)害監(jiān)測過程中天然滑動力難以測量的問題，以及滑動力遠大于傳統(tǒng)錨索的材料強度時，錨索斷裂、力學(xué)信號傳輸系統(tǒng)破壞、整個監(jiān)測系統(tǒng)失效，無法對滑坡全過程進行監(jiān)測的難題，通過對不同材料、結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化選擇和組合試驗，定型了具有恒阻大變形力學(xué)性能的纜索，確定了恒阻裝置的結(jié)構(gòu)組成、材料參數(shù)和幾何參數(shù)?；诤阕璐笞冃卫|索和北斗衛(wèi)星通訊平臺，研發(fā)出滑動力3S遠程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，從根本上實現(xiàn)了對滑坡災(zāi)害進行遠程實時監(jiān)測與超前預(yù)警預(yù)報的目的。

相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于遼寧省南芬露天鐵礦采場下幫邊坡滑動力監(jiān)測預(yù)警工程中，及時掌握了滑坡體穩(wěn)定狀態(tài)，從而對因滑坡影響10年不能開采的千萬噸鐵礦石進行回采，取得較好社會經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了加固—防治—監(jiān)測—預(yù)警一體化的目標。

陶志剛與團隊取得的“恒阻大變形纜索研發(fā)及滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”成果于2011年6月通過中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會的鑒定驗收，被認定為“達到國際先進水平”。2014年度中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、2017年度山東省科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

打造錨索發(fā)展“加速器”

近年來，在軟巖大變形和巖體滑坡錨索拉斷等問題的解決中，普通錨索已漸漸變得有些“力不從心”，為此，從礦山回到“平原”不久的陶志剛，又于2016年與實驗室研究團隊在國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目“恒阻大變形錨索負泊松比結(jié)構(gòu)效應(yīng)實驗研究”中就這個問題展開研究。

采訪中，陶志剛特別提到，其實在項目研究之前，實驗室就已經(jīng)在國家原“973”計劃和國家自然基金重大項目的支持下，對負泊松比（NPR）新型錨索復(fù)合材料開展研制。其中發(fā)明的具有特殊結(jié)構(gòu)的NPR新型錨索復(fù)合材料，突破了巖體大變形災(zāi)害控制受制于傳統(tǒng)PR材料抵抗變形能力不足的技術(shù)瓶頸。此外，實驗室還發(fā)明了以NPR錨索為主體的綜合技術(shù)，解決了礦山巖體大變形災(zāi)害難以控制的大問題，已在吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古、河北等16個省份的露天煤礦、金屬礦開采以及煤礦地下井工開采等工程中得到應(yīng)用，近3年累計新增銷售額12.5651億元。

盡管如此，針對恒阻大變形錨索負泊松比效應(yīng)的理論和試驗研究尚屬空白。對此，陶志剛以恒阻大變形錨索為試驗對象，采用室內(nèi)靜力拉伸試驗、連續(xù)紅外熱成像探測、離散激光測溫、環(huán)向應(yīng)變測量與數(shù)值模擬計算等理論和方法，研究恒阻大變形錨索的徑向和軸向變形規(guī)律、溫度效應(yīng)、熱紅外成像效應(yīng)、應(yīng)力場演變特征及能量吸收特性等，從而揭示了恒阻大變形錨索負泊松比的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和能量吸收機理。

其中，他首先利用HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗系統(tǒng)，在處于靜力拉伸的條件下，就恒阻大變形錨索徑向和軸向變形規(guī)律這一問題與團隊進行了探討，繼而揭示了幾何尺度上的負泊松比結(jié)構(gòu)特性。接下來，他們利用激光點陣測溫系統(tǒng)、貼式測溫傳感器和熱紅外成像系統(tǒng)，通過紅外圖像及紅外溫度場的分析與反演，獲得了恒阻大變形錨索能量吸收的熱紅外機理和負泊松比熱紅外響應(yīng)特征，揭示了溫度與恒阻大變形錨索負泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。與此同時，團隊通過應(yīng)變片組群構(gòu)建了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變場探測網(wǎng)，再通過對測量結(jié)果進行插值計算，獲得了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變云圖和應(yīng)變場演化規(guī)律，最終探明了應(yīng)變與恒阻大變形錨索負泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。

目前，項目剛剛結(jié)題，從研究開始到結(jié)束，這兩年來陶志剛有過苦惱，有過辛酸，但也收獲了快樂與成就。在他看來，有苦有甜，這正是科研最好的意義。陶志剛作為現(xiàn)場技術(shù)負責人進行了“恒阻大變形錨桿研發(fā)及實驗系統(tǒng)”科研課題的研究，課題已于2011年3月通過教育部科技發(fā)展中心專家組的鑒定驗收，在恒阻器設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)以及實驗系統(tǒng)研發(fā)上達到“國際領(lǐng)先水平”；同年，項目申請人作為現(xiàn)場技術(shù)負責人進行了“恒阻大變形纜索研發(fā)及滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”科研課題的研究，已于2011年6月通過中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會的鑒定驗收，研究成果達到“國際領(lǐng)先水平”。

在中國科學(xué)院院士何滿潮的指導(dǎo)下，陶志剛在雙體災(zāi)變力學(xué)理論深化、滑坡（發(fā)震斷裂活動）災(zāi)害、隧道圍巖大變形災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警現(xiàn)場工程應(yīng)用等方面做出了突出貢獻，累計在全國17個省市（地區(qū)）建設(shè)滑坡災(zāi)害滑動力實時監(jiān)測點432個，參與成功預(yù)報12次滑坡和裂縫災(zāi)害，均提前4—13小時發(fā)出臨滑預(yù)警。