施斌,南京大學特聘教授、博士生導師,南京大學(蘇州)高新技術研究院院長、南京大學地質工程與信息技術系主任、南京大學光電傳感工程監測中心主任,國家杰出青年科學基金獲得者、江蘇省“333工程”中青年科學技術帶頭人、江蘇高校優秀科技創新團隊帶頭人、南京市有突出貢獻中青年專家,國家“973”、科技支撐計劃、國家重大儀器專項、國家自然科學基金重點項目等數十個科研課題和項目的負責人。
創新模型方法,構建完善體系
分布式光纖感測技術是一類集傳感與傳輸為一體的新型傳感技術。在原理上,傳感光纖猶如人體感知神經,可對大規模岩土工程與地質災害進行遠程、長距離、長周期、連續監測,解決常規點式和電測類技術無法滿足的監測需求,但要實現其實際的監測功能,在理論和技術上極富挑戰性。
傳感光纜的感測性能取決於纖芯、包層、涂覆層和基材之間的耦合性。施斌建立了傳感光纜多層結構力學模型,剖析了高彈模纖芯與低彈模涂覆層和護套之間的應變傳遞能力,提出了以應變傳遞系數為依據的傳感光纜感測性能評價標准。
傳感光纜與被測岩土體之間的耦合性直接影響光纖的監測結果。施斌建立了纖—土界面變形協調及漸進性破壞力學模型,以局部應變軟化為基礎,提出了纖—土耦合時效判據,建立了光纖測值可靠性評價標准。
土體水分場長距離原位監測是一個世界性難題。施斌提出以線源熱耗散原理的水分場光纖監測方法,建立了土水熱傳導分段函數模型,解決了水分和滲流場光纖監測的理論瓶頸。
石英光纖的應變可測范圍一般為±1.5%。施斌採用差異變形轉換模型,建立了基於精巧換能結構的多尺度變形與光纖小應變間的關系,提出了光纖大變形監測原理。
國際橋梁維護與安全協會創始人Casas教授在綜述論文中高度評價了施斌等在光纖監測方面的成果,認為它具有“incomparable potential”、“impressive versatility”。鑒於施斌在岩土工程光纖監測技術領域的影響力,2014年劍橋大學特邀他參加“基礎設施光纖傳感劍橋大會”,並作大會報告。
創制新型設備,攻克技術難題
傳感光纜是實現岩土工程多場分布式監測的“神經”。施斌創制了岩土工程應變、應力、溫度、位移、水分、滲流等多場分布式傳感光纜系列﹔研制了水分和滲流場監測的主動變溫光電復合傳感光纜、米級量程的大變形光纖傳感器、厘米級空間分辨率的溫度光纖測管等﹔提出布裡淵頻譜分解方法,突破了米級空間分辨率的極限,大大提高了分布式應變解調設備的性能。
施斌還提出了多種功能化結構成纜技術,使直徑不足0.2mm光纖的抗拉強度提高1000倍以上,滿足了岩土工程惡劣環境下的高強度要求﹔設計了耐高溫、高抗壓的封裝結構和分節傳遞安裝工藝,實現了對千米以上鑽孔的深部岩土體多場監測﹔研發了非金屬耐腐蝕特殊封裝工藝,保証了海洋基礎工程光纖傳感器的成活率。
為推廣光纖監測技術應用,施斌主編和參編了3部光纖監測相關的國家標准、地質災害和基樁監測行業規程。
目前已有80余種技術產品推向了國內外市場,傳感光纜出口至美、英等國。成果成功應用於國內外300余個科研和工程項目,如世界上首個千米級深井接地極、世界上埋深最大的錦屏電站蝸殼、世界五宮之首的北京故宮城台、舉世矚目的南水北調PCCP管等的監測與評價,產生了顯著的社會和經濟效益,解決了常規技術難以解決的監測問題。
揭示微觀機理,助力防災減災
掌握工程土體災變的細微觀機理,對於土體災變防治具有重要意義。施斌創制了基於CT的可變速推移裝置,揭示了土中裂隙的發育過程,深化了地基土在極限荷載下破壞機理的認識﹔提出了黏土片和團聚體定向分布函數的確定方法,完善了Bazant黏性土微觀力學模型,揭示了各向異性土的應變速率變化規律和對蠕變的影響。成果將黏性土細微觀結構與土力學模型結合了起來,推動了結構性土力學的發展,為防治土體災害提供了理論依據。
利用光纖監測技術優勢,結合土結構研究成果,發現了地面沉降中的負壓現象,提出了土體壓縮潛力評價新判據﹔揭示了邊坡加筋機理及失穩演化規律,確立了土質滑坡預警的應變閾值﹔在長期監測的基礎上,揭示了城市環境中土體熱島效應的強度和機理。為減輕土體災害,研發了基於物理、化學、生物原理的纖維加筋、高分子土壤固化和微生物加固等土質改性新技術,豐富了我國岩土工程防災減災的理論與技術體系。
施斌的研究成果在重大岩土工程和地質災害監測中得到應用。如三峽庫區馬家溝滑坡光纖多場監測,該系統建於2012年,正發揮著預測預警的功能﹔長三角地面沉降鑽孔光纖監測,始於2011年,現已建成30余個光纖監測站,初步形成了該區大地感知網絡﹔2003年,南京玄武湖隧道出現滲漏事故,光纖監測系統精准定位了隱患點,避免了災害的擴大。