精彩回顾 | 姚仰平教授：“锅盖效应”的创新发展
文摘
科学
2024-10-25 16:33
北京
2024年10月10日，北京航空航天大学教授、博士生导师、士嘉书院院长，2023年度国家自然科学二等奖获得者，国家“973计划”首席科学家，国务院政府特殊津贴获得者姚仰平教授做客由北京大学科学研究部、北京大学研究生院主办的“传道经纬：科学家的故事”，分享“‘锅盖效应’的创新发展”为题的讲座。活动承办单位为北京大学建筑与景观设计学院/流域人居系统研究中心、流域地方性建成环境山西省重点实验室、中国城市规划学会流域空间规划分会、北大学堂；同时受到研究生院IdeaLab平台的大力支持。本次讲座由汪芳教授组织和主持，并得到国家自然科学基金重点项目（编号52130804）支持。
姚仰平教授对机场跑道中存在“锅盖效应”这一致灾问题进行了深入剖析。结合兰州中川机场，姚教授首次提出机场“锅盖效应”新概念，即土中水汽在温度梯度下向上迁移受道面阻挡，通过冷凝/凝华而水分聚集的现象。通过沈阳机场的实证研究，姚教授探讨了锅盖效应导致土体含水量提升及其对跑道产生裂缝的影响机制：温差驱动水汽迁移，土体中水汽从热端迁移至冷端并凝结或凝华，导致大量水分在道面下聚集，再次遇负温冻结，使机场道面产生裂缝。姚教授还介绍了理论与试验研究。在理论层面，姚教授提出了针对不同类型土在复杂应力状态下的统一本构模型（UH模型），并探讨了考虑时间因素、非饱和土影响以及循环加载等因素的本构模型扩展。在试验层面，通过研发“锅盖效应”试验仪与创新设计特殊土层结构，揭示了成层道基定量出水规律，验证了锅盖效应形成机理。在室内试验中，通过封闭式和开放式系统试验，证实了水汽迁移与冷凝的动态循环过程，解释了敦煌机场盐渍土病害和沈阳机场跑道裂缝问题。在现场试验中，在北京大兴国际机场的试验揭示了“锅盖效应”的规律，并验证了“锅盖效应”防治技术。最后，姚教授还分享了“锅盖效应”的创新应用。一是在机场防灾层面，提出了“疏堵结合” 防治技术，并应用于北京大兴国际机场；二是针对光伏板下长草的现象，发现双向“锅盖效应”是导致光伏板下土壤含水量增加的原因，致草籽生长；三是提出了一种利用“锅盖效应”的沙漠浅层蓄水技术；四是提出了利用“锅盖效应”的发电方法。交流讨论环节由汪芳教授主持，中国矿业大学李晓丹教授和北京大学李东锋研究员作为讨论嘉宾参与讨论。李晓丹教授高度评价了姚教授的工作，指出姚教授能够从日常现象中提炼出“锅盖效应”的深刻机制，并以简洁明了的语言进行阐释，展现了极强的创新性、逻辑性和思维广度。李东锋研究员同样对姚教授的工作给予了系统且创新的评价，他认为统一本构理论的研究不仅基于基本现象建立了统一的分析框架，还在试验设备和应用场景上实现了创新突破。李东锋研究员进一步表示，“锅盖效应”的研究成果在多个场景和其他学科中得到了应用，为他本人提供了极大的灵感。在随后的讨论中，李东锋研究员与姚仰平教授共同探讨了寒冷地区冻融循环加剧的现象，并讨论了“锅盖效应”在土木工程其他领域的潜在应用。姚教授指出，“锅盖效应”主要存在于温差显著变化的地区。对于其他土木工程领域，也可能出现锅盖效应的现象。问答环节中，师生们就试验方法与问题解决、科学研究的方法、科学研究的通俗化、城乡规划与工程研究的结合、城乡规划研究对象的数值化与具体化、自然科学与人文社会的交叉研究等问题展开讨论。报告最后，姚仰平教授鼓励大家在学术研究中保持探索精神，不断追求创新与突破。这次问答环节使师生们对科学研究的方法论有了更深刻的认识。
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图 交流讨论环节
本次讲座吸引到来自北京大学兄弟院系、北京航空航天大学、北京建筑大学、北京林业大学、中国矿业大学（北京）、中国矿业大学、中国地质大学（北京）、北方工业大学、北京工商大学、中冶建筑研究总院、中国青年政治学院、山西大学等学校的老师同学们。本次学术活动得到国家自然科学基金重点项目（编号52130804）支持。![]()
图 讲座现场师生合影
北京航空航天大学教授、博士生导师、士嘉书院院长，国家“973计划”首席科学家，国务院政府特殊津贴获得者，北京市昌平区第五届政协副主席，九三北京市委联络委主任委员，2022年度全国“九三楷模”，第18届黄文熙讲座和第15届曾国熙讲座主讲人，连续多年入选全球Top2%顶尖科学家榜单和Elsevier中国高被引学者榜单。创建了土的UH本构理论，实现了对不同类型土的复杂应力应变特性的统一描述，发现了“锅盖效应”现象并研发相应的病害防治技术，成果应用于北京大兴国际机场等重大工程。主持完成的“土的统一硬化本构理论”获2023年度国家自然科学二等奖，获美国土木工程师学会Thomas Fitch Rowland奖、教育部自然科学一等奖2项，中国交通运输协会科技进步特等奖、茅以升土力学及岩土工程大奖等。
供稿：努拉依· 艾布拉哈提
供图：毛少羿
编辑：李 懿
审核：宋 铮
