摸清土體「脾氣」 築牢工程根基 港大學者楊峻 研岩土本構模型 助優化工程設計標準

我們每天腳踩的土地，看似尋常，實則是工程師最難以捉摸的材料。它不像鋼筋混凝土般性質穩定，反而「脾氣」多變——在不同方向受力時表現各異，且剪切與體積變化之間存在強烈耦合。這種被稱為各向異性與剪脹特性的內在稟賦，使土體的力學行為高度複雜，成為岩土力學領域延續數十年的核心難題。

早前舉行的國家科學技術獎勵大會，香港與內地深入合作研究的「土的各向異性狀態相關理論及其本構模型」，獲頒國家自然科學獎二等獎。香港文匯報專訪有份參與的香港大學工程學院土木工程系教授楊峻，探討研究如何從實驗室的基礎發現，走向港珠澳大橋、川藏鐵路等國家重大工程，為更穩妥更安全的建設提供科學支撐。

●香港文匯報記者 劉沐藝

楊峻介紹，項目中的「土的各向異性狀態理論」，核心在於研究土體的力學行為與理論模擬，亦即岩土本構模型。幾乎所有人類的建築、橋樑、地鐵及填海工程，皆依託於土體地基；高樓與地下空間的安全穩定，亦完全由土體決定，一旦地基失穩，便可能引發重大災害。滑坡防治、地震防護、新市鎮開發，乃至香港的北部都會區建設，均離不開岩土工程的理論支撐。

項目系統揭示了土體各向異性與其狀態相關的本質，建立了廣義剪脹方程與硬化方程；嚴格證明了各向異性臨界狀態的存在性與唯一性，並提出臨界狀態下各向異性的共存條件。

在此基礎上，研究團隊創建了各向異性臨界狀態理論體系，並發展出系列本構模型，實現了對土體強度與變形的精確描述，為複雜環境下岩土工程問題的科學預測提供了堅實的理論基礎。

楊峻形容，該項研究屬於「應用基礎型」，介於純基礎數學理論與純落地工程技術之間。對於土體研究來說，應用型工程主要解決「怎麼加固、怎麼止損」的實際問題，通常由工程師直接給出治理方案，較少深究土體破壞的底層誘因。而團隊聚焦的核心問題是：地震、滑坡發生時，土體內部究竟經歷了哪些變化？不同受力條件下，土體行為差異的根本原因是什麼？

沙土摻細粉 力學性能發生巨變

研究成果能直接落地，優化災害防治方案。楊峻舉例說，實驗發現，純沙土中僅摻入10%肉眼難以分辨的細粉顆粒，在同等荷載與震動條件下，沙土的力學性能便會發生巨大改變。多數工程師可能忽略這10%細顆粒的影響，認為其無關緊要而不會進行精細檢測。然而，恰恰是這微小組分，卻可能成為填海造陸與抗震工程中誘發液化、山泥傾瀉的關鍵隱患。楊峻強調：「這就是基礎研究的價值所在——它能發現工程實踐中容易被忽略的細節，進而優化工程設計標準。」

不少人認為土木工程是傳統夕陽學科，但各類岩土災害一再證明，該領域仍有大量待解的難題。

楊峻指出，以1995年日本神戶地震為例，人工填海島嶼大面積損毀，地震僅持續20秒，便造成約千億美元經濟損失及六千餘人遇難。神戶作為日本核心貿易港口，其設施損毀直接中斷貿易，損失極為慘重。人工填海島因土體沉積年限短、結構鬆散，在地震作用下極易發生液化——即固態沙土在劇烈震動下轉變為可流動的液態，直接導致建築物坍塌。

楊峻進一步指出，工程類基礎研究與實踐無法割裂，必須具備潛在應用場景，土木工程尤其如此。他以香港高密度城市的地下開挖為例：地鐵、隧道施工必然擾動周邊土體，而附近實驗室的高精尖設備與醫院手術室對震動幾近零容忍，因此必須精準掌握土體力學行為，以設計有效的隔震減震方案。港大校內的地鐵豎井施工、瑪麗醫院周邊道路減震等工程，均需依託精細化的土體理論支撐。

在災害防控方面，無論是山泥傾瀉治理、地震土體液化防控，還是填海沉降控制，基礎理論皆能提供更經濟、更可靠的優化方案，有助於降低成本與災害破損機率。

「基礎研究不會憑空顛覆現有工程體系，但它能持續迭代出更優質的工程解決方案。工程技術永遠有優化空間，沒有最優，只有持續更好——這也正是我們深耕不輟的追求。」楊峻總結道。