采访国家自然科学奖得奖者吴宏伟：用“中国香港荣誉出品”奉献我国所需，

时间：2023-10-06 16:03:37 来源：浏览：

港科大吴宏伟教授荣获2020年度国家自然科学奖二等奖

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11月3日，《南方都市报》今日头条发布：

南都讯记者孙小鹏通讯员卢梦舟今日，由香港科技大学吴宏伟教授领导的研究项目《状态相关非饱和土本构关系及应用》，因就非饱和土引发的工程及自然灾害作出了重大贡献，荣获2020年度国家自然科学二等奖。

据介绍，非饱和土兼具固体、液体及气体特性，既是所有建筑物的承载体，亦为斜坡的组成材料，与我们的生活息息相关。由于非饱和土的含水量以及应力状态受气候变化和人类工程活动的影响，了解两者与非饱和土状态相关的渗流-变形-强度耦合特性的关系，便变得至为重要，否则可能引起包括斜坡、水坝倒塌等工程灾害，不但对生命财产造成威胁，亦会影响社会的可持续发展。随着气候变化日趋严峻，寻找解决问题的方案更为迫切。

由港科大霍英东研究生院院长兼土木及环境工程系讲座教授吴宏伟领导的研究团队，自1995年起便开始对非饱和土进行系统性的深入研究，并多次率先发现包括非饱和土渗流随应力状态的变化规律、变形特征的吸力路径相关性，以及剪胀/剪缩与强度的吸力效应等。团队亦创建相关的力学理论，为斜坡、路基等基础设施的科学设计与安全施工奠定重要的理论基础，有助应对气候变化等挑战。

身兼港科大中电控股可持续发展冠名教授及香港科技大学（广州）副校长的吴宏伟对获奖感到欣喜，认为是团队合作的成果，更特别感谢香港大学的李焯芬院士。他说道：“我们院校之间应该加强合作才能与国际一流大学竞争，这才有真正意义，对香港和国家的贡献也更大。”

研究团队自主研发的新型非饱和土实验系统已被全球近300家研究院、大学和政府部门采用。吴宏伟表示，随着“一带一路”倡议及更多城市基建发展，非饱和土的理论和应用将发挥越来越大作用。

据悉，吴宏伟曾获国内外多个奖项，包括2013年教育部科技进步奖一等奖以及2015年国家科技进步二等奖。国际奖项包括东南亚岩土工程技术学会、加拿大岩土工程学会、英国结构工程师学会，以英国土木及工程师学会的最佳论文奖等。2017年他被选为国际土力学及岩土工程学会于1936年成立以来唯一一位华人主席。

《南方都市报》新闻截图

吴教授非饱和土试验技术的应用

非饱和土三轴仪STDTTS+HKUST

GDS非饱和土三轴试验系统（UNSAT）是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备*）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。

非饱和测试也可以运用到以下试验类型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三轴试验。

非饱和土体变测量方法:

方法A：通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量孔隙气体积和孔隙水的体积变化。
方法B：HKUST内压力室 — 用差压传感器测量内压力室中水的水位变化进而得到试样的总体积变化。
方法C：双压力室 — 试样的体变通过GDS压力体积控制器测量流进或流出内压力室的水体积来完成。由于外压力室加压，内压力室壁可视为是无限刚度的。
方法D：利用安装于试样上的局部应变传感器直接测量而得到试样的总体变。

应力相关-土水特征曲线压力板仪

1D SDSWCC

仪器是一套简便易用的非饱和土试验装置，用于应力相关的土水特征曲线及其滞后现象的研究，是研究一定压力下土壤与水分之间物理关系的基本工具。应力相关的土水特征曲线是指在一定应力状态下非饱和土的基质吸力（土壤内部的孔隙气压力和孔隙水压力的差值）与含水量或饱和度之间的曲线关系。应力相关的土水特征曲线是非饱和土的一个重要基本性质，表征土体在一定应力状态、不同吸力下的持水能力。

对于任何土，本仪器均可获得不同应力状态下完整的脱湿和吸湿土水特征曲线。该仪器的压力板配有两个不同规格的压力表和调节器，在低压范围提高测试精度。本仪器系统的设计可控制基质吸力高达1500kPa，但具体的基质吸力控制范围取决于陶土板的进气值。相较于传统的土水特征曲线压力板仪，除了可以测量土样在不同基质吸力下的水体积变化外，本仪器还能给土样施加一维荷载（即K0状态），并可以精确测量土体的总体积变化。用本仪器测得的应力相关的土水特征曲线比传统的土水特征曲线更准确，更接近现场土的性质。

不同应力作用下的土水特征曲线（SDSWCC）（Ng and Pang，2000）

特点：

通过一个试样可获得完整的脱湿、吸湿土水特征曲线
可以施加一维竖向应力，即K0状态
可以通过高精度的内压力传感器持续监控所施加的竖向应力
可以精确测量土样的总体变及含水量
双精度压力表和调节器用于精确气压控制

土体一维瞬时渗透系数测试仪

应力控制土柱仪可以对多层土柱自由加载法向应力和边界水力条件（例如：恒定水头，蒸发）。

另外，快速使用瞬时法，还可以减少实验中测量两种重要水力特性SDPFs和SDSWCCs的时间。

在给定的应力状态下，SDPF描述吸力和（或）含水量下水的渗透性的变化，而SDSWCC定义了吸力和含水量之间的关系。

Geo-Experts 使用一维瞬时剖面法（IPM）测量非饱和土对应不同一维法向应力下的SDPF的。基于体变测量（VWC）和孔隙水压测量（PWP），水流速率和水力梯度可以分别确定。因此，根据达西定律吸湿和脱湿状态下的渗透参数可获得。同时，不同应力状态下的，快速吸湿和（或）脱湿应力相关土水特征曲线（SDSWCC），可以通过建立体积含水量VWC和负孔隙水压PWP（例如.吸力）关系来确定。土柱的任何体变都能通过表面的LVDT测量到。

特点：

可以灵活准确的控制边界通量/水头（例如：恒定水头，蒸发，自由排水和底部边界的毛细上升）；
可以研究对应不同水力边界条件的多重土壤层的渗透特性；
使用瞬时法，可以加速应力相关渗透功能（SDPFs）和应力相关土水特征曲线（SDSWCCs）这两种水力特性的测量；
可以加载一维垂直应力。例如, K0应力条件

扩展：基于其他技术的非饱和土试验设备

快速脱湿吸湿(TRIM)系统

TRIM 系统是一个简单易用的实验室设备用于测量非饱和土土水回滞曲线（SWRC）和液压传导率（HCF）比其他方式更省时。在吸湿或脱湿过程中仅用５－７天的时间就可测量重塑样和原装样的 SWRC 和HCF曲线。系统能够在稳态模式或者瞬态模式使用，能够应用于所有主要的土壤类型，包括砂，砂浆和粘土。

特点：

快速获得吸湿和脱湿的SWCC和HCF
精密的渗透压力室结合高进气值底（300kPa）能够反演吸力范围到几MPa
具有可视的气泡限制系统，用于两个范围的气压:大于15kPa和小于15kPa
可选真空控制用于原位试样和高净气值陶土板饱和
自动监测孔隙水的体积
控制用电脑采集数据和后处理的用户图形用户界面。

自动相对湿度控制(Auto-RH)系统

Auto-RH系统是模块化实验台系统，用于自动控制介于1%RH到95%RH的相对湿度。相应的吸力控制为7MPa到600MPa。系统在非饱和土力学应用中可用于进行吸力控制试验，包括确定高吸力范围内的土水特征曲线（SWCC），吸力控制强度试验（如三轴、直剪），或吸力控制体变试验。Auto-RH系统有超越其他普通控制RH方法（如渗透或盐溶液法）：在吸湿和脱湿过程中可以自动确定RH的比值并逼近该值。系统的强制流动性大大地减少了平衡时间。自动RH控制对于温度变化不敏感。

特点：