——记中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院副教授陶志刚

　　□　卫婷婷
　　
　　
　

　　
　　“这是我们针对滑坡研发的监测预警系统，这边是研制的具有负泊松比效应的NPR新型锚索......”中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院副教授陶志刚兴致勃勃地向记者介绍着。多年来，他在中国科学院院士何满潮的指导下，与深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的团队成员们共同研发了多种有关地质灾害的监测系统。
　　虽然是“80后”，但时至今日，陶志刚已经在岩土力学领域里驰骋多年，可以算得上是该领域里年轻的“老炮儿”了。本以为平日只需将自己沉浸在科研与教学中，但在谈到每日的工作状态时，陶志刚却吐露了其中的不易。除了涉足科研人员与教师两份不同的工作，在陶志刚的简历上还能看到其他身份。他对此打趣道：“我身上有许多标签，除了老师、导师，还有‘工程师’‘业务员’，甚至是‘后勤人员’。”说到这，他忍不住笑起来，欢乐的气氛也感染了周遭。
　　陶志刚所从事的岩土工程，是土木工程里极为重要的一门学科，包括土力学、岩石力学和地质学3个分支，三方面缺一不可。研究岩土工程，不仅要牢固掌握其基本概念与原理，还要对岩土的物理力学性质、强度变形计算、稳定性分析等理论与方法做到心知肚明，更要在这些理论与原理的基础上，将其应用到土木工程、地质工程和隧道工程的实际操作中，真正服务于民。因此，一入岩土工程深似海，陶志刚不但要时刻想着研究，也要深入矿山当起“工程师”，还要时不时充当“业务员”，广泛联系合作企业，将研发的新材料、新装备应用到对各种地质灾害的实际监测中。
　　这份听起来有些令人“叫苦连天”的工作，陶志刚却始终乐在其中。他在中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室这一平台上，尽情挥洒着自己满腔的科研热情和教学初衷，在科研和教学征途上不懈开拓着。
　　

“半路出家”的岩土人

　　两个人，三间房，几个简单的实验设备，这就是陶志刚刚刚接触岩土力学时的情形。当时，他跟随中国矿业大学（北京）何满潮教授（2013年当选中国科学院院士）进行有关地质灾害的监测预警研究。因为没有专门进行实验的场地，他常常要奔波于多个实验室，很大一部分时间都浪费在了路上。如今，当时仅靠几个人撑起的实验室已经发展成为“一办三部”，即一个办公室，教学部、科研部和实验部三个部门，且拥有近3000m2试验场所、120多个研究人员的成熟团队，并在近年来对矿山、冶金、交通、国防、水利等多方面的灾害控制及监测预警上做出了突出贡献。
　　可陶志刚却透露，他其实并不是地道的岩土力学研究人，而是半路加入的。原来，本科及硕士阶段，陶志刚一直在河北理工大学（现华北理工大学）研究地质学，直到2008年来到中国矿业大学（北京）师从何满潮攻读博士以后，才在其引领下，逐渐走入岩土工程的世界。
　　初入实验室不久发生的一件事就给陶志刚带来很大震撼。2008年恰逢我国汶川发生8.0级特大地震，举国悲痛中，何满潮在地震发生不到10天就亲赴现场进行调查。随后，他将调查结果进行汇总，用了不到一年时间就提出了一套全新的理论：双体灾变力学理论。何满潮基于牛顿力变化测量建立了双体灾变力学模型，将提出的牛顿力测量方法应用于发震断裂和滑坡的监测预警中，目前相关技术已经在全国381个滑坡牛顿力现场监测点得到广泛应用。
　　不到一年就可以使我国发震断裂及滑坡的监测预警技术前进一大步，陶志刚为此深受鼓舞，也更加确定了自己研究岩土工程的正确性。随后陶志刚被派到河南省灵宝罗山矿区进行了为期一年的实地研究，开展“灵宝市罗山矿区滑坡体远程监测预警系统的研发及工程应用”研究。
　　深入项目研究后，陶志刚才发现实验室是在该矿区已有总面积多达17.96万m2、总体积多达405.2万m3的滑坡体的情况下接下这块“烫手山芋”的。当时大面积的滑坡体已经严重影响矿区的安全开采，有关部门也早已下令停采。为了使矿山重获新生，项目团队历经重重攻关，最终取得了多项突破创新成果。
　　自从来到矿山，陶志刚积极参与研究。他提到，由于传统的滑坡监测主要是位移、变形、水位等参数的监测，是产生滑坡灾变的必要条件，而非充分条件，不能作为滑坡灾变预测预报的主要依据。要想预测准确，必须找出灾变发生的充分必要条件及其可测参数。经过研究，团队提出了牛顿力监测原理及测量方法，将可测的人为力学系统插入到不可测的天然力学系统中，使其焕然一新，成为全新的、部分力学量可测的复杂力学系统，再借助扰动力达到了通过直接测量而间接计算滑体滑动力的目的。丰富了原理知识后，团队进而针对已知原理提出了切实的牛顿力监测方法，建立了天然力学系统和人为力学系统之间的函数表达式，计算出了不可测的滑体下滑力。
　　在监测原理和方法的基础上，加上何满潮的指导，团队继续大开脑洞，成功研发出新一代滑坡体远程监测预警系统。该系统不但可自动调节自身功能，实现异常数据的实时捕捉；还增加了监测曲线平铺显示功能，可将所有监测曲线直观地显示在监测人员眼前，大大降低了监测人员的劳动强度，使其能够又快又准地对异常监测曲线进行定位。
　　团队还为罗山矿区布置了“天罗地网”，在矿区滑坡体上安装了53套远程监测系统，建立了罗山矿区滑坡灾害远程监测网。系统得到应用后大大节约了滑坡治理的成本，也在极大程度上保障了罗山矿区的安全开采。
　　不止是露天煤矿的开采，团队取得的一系列成果还可应用于因高速公路边坡、西气东输管线等工程因素引发的滑坡地质灾害，以及地震引发的滑坡地质灾害监测预报，也可用于对其他岩体边坡深部力学及其加固结构工作状态的监测上。其在确保人民生命和国家财产安全、延长矿山开采服务年限、促进社会和谐和企业可持续发展等多方面都具有重大意义和广阔的应用前景。
　　

为地球做心电图

　　哪里有山、有矿、有大坝，哪里就有陶志刚的身影。2009年，在离开河南省灵宝罗山矿区后，当时读博士三年级的陶志刚几乎无缝对接进入另一个号称亚洲最大的单体露天矿山——南芬露天铁矿，而且一待就是3年。他笑称，自己博士和博士后的时光完全寄托在了矿上，甚至博士时期的毕业论文都是在矿上完成的。
　　那时，陶志刚常常要在矿山上一直工作到夜幕降临，还要冒着滚石横飞的危险在矿山上艰难攀爬。但常年在矿上忍受的风吹日晒也给予了陶志刚最好的回馈。在何满潮的指导、陶志刚的实地考察下，实验室成功研发出恒阻大变形缆索研发及滑坡监测预警系统，为滑坡、崩塌等灾害的防治提供了重要帮助。用何满潮教的话来说，他们的研究目的就是为地球做心电图，而研发的这套系统就充当着做心电图的仪器，以此来监测地球心跳的平稳度。
　　本溪钢铁（集团）矿业公司南芬露天铁矿是亚洲最大的单体露天矿山。1999年以来，由于矿区的特殊地形以及长期开采的影响下，采场下帮边坡处形成了多处较大规模的滑坡体，严重的滑坡体一度使矿区十年来都处于不能开采的“空窗期”，给企业造成重大损失。实验室和南芬露天铁矿的专家齐心协力，试图解决边坡岩体大变形灾害监测过程中的一系列难题。
　　他们先是通过对不同材料、结构进行优化，确定了其中主要的参数。带着这些参数，团队来到矿区现场对恒阻大变形缆索进行力学特性试验，试验结果令所有人惊喜：当恒阻大变形缆索具有的恒阻力在达到850kN时，保持恒阻的变形量可达2000mm，填补了国内外在该方面的研究空白。此外，团队还建立了恒阻大变形缆索的能量本构关系，并在此基础上，成功研发了以北斗卫星为通信平台的滑动力3S远程监测预警系统，从根本上实现了对滑坡灾害进行远程实时监测与超前预警预报。将该技术用于矿区下帮边坡滑动力监测预警工程中时，在场的所有人都屏住呼吸，紧张的气氛蔓延在每一丝空气中，当最终发现通过该系统确实能及时掌握滑坡体稳定状态的那一刻，包括陶志刚在内的所有人都舒了一口气。
　　长久的研究压力终于得到纾解，开采一年后，矿区已安全采出80万吨矿石，并成功预警了两次边坡失稳灾害，实现了团队最初立下的“加固—防治—监测—预警一体化”的终极研究目标。
　　

打造锚索发展“加速器”

　　近年来，在软岩大变形和岩体滑坡锚索拉断等问题的解决中，普通锚索已渐渐变得有些“力不从心”，为此，从矿山回到“平原”不久的陶志刚，又于2016年与实验室研究团队在国家自然科学基金青年科学基金项目“恒阻大变形锚索负泊松比结构效应实验研究”中就这个问题展开研究。
　　采访中，陶志刚特别提到，其实在项目研究之前，实验室就已经在国家原“973”计划和国家自然基金重大项目的支持下，对负泊松比（NPR）新型锚索复合材料开展研制。其中发明的具有特殊结构的NPR新型锚索复合材料，突破了岩体大变形灾害控制受制于传统PR材料抵抗变形能力不足的技术瓶颈。此外，实验室还发明了以NPR锚索为主体的综合技术，解决了矿山岩体大变形灾害难以控制的大问题，已在吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古、河北等16个省份的露天煤矿、金属矿开采以及煤矿地下井工开采等工程中得到应用，近3年累计新增销售额12.5651亿元。
　　尽管如此，针对恒阻大变形锚索负泊松比效应的理论和试验研究尚属空白。对此，陶志刚以恒阻大变形锚索为试验对象，采用室内静力拉伸试验、连续红外热成像探测、离散激光测温、环向应变测量与数值模拟计算等理论和方法，研究恒阻大变形锚索的径向和轴向变形规律、温度效应、热红外成像效应、应力场演变特征及能量吸收特性等，从而揭示了恒阻大变形锚索负泊松比的结构效应和能量吸收机理。
　　其中，他首先利用HWL-2000恒阻大变形锚索静力拉伸试验系统，在处于静力拉伸的条件下，就恒阻大变形锚索径向和轴向变形规律这一问题与团队进行了探讨，继而揭示了几何尺度上的负泊松比结构特性。接下来，他们利用激光点阵测温系统、贴式测温传感器和热红外成像系统，通过红外图像及红外温度场的分析与反演，获得了恒阻大变形锚索能量吸收的热红外机理和负泊松比热红外响应特征，揭示了温度与恒阻大变形锚索负泊松比结构特性之间的关系。与此同时，团队通过应变片组群构建了恒阻大变形锚索环向应变场探测网，再通过对测量结果进行插值计算，获得了恒阻大变形锚索环向应变云图和应变场演化规律，最终探明了应变与恒阻大变形锚索负泊松比结构特性之间的关系。
　　目前，项目刚刚结题，从研究开始到结束，这两年来陶志刚有过苦恼，有过辛酸，但也收获了快乐与成就。在他看来，有苦有甜，这正是科研最好的意义。
　　

严谨治学教育为先

　　自从加入深部岩土力学与地下工程国家重点实验室这个大家庭以来，陶志刚的生活似乎就被各种研究理论、实验项目所包围，但在这之外，他也从未忘记自己的另一个重要身份：教师。
　　在谈到对学生的教育上，陶志刚特别强调，首先要让学生了解什么是科研。“很多学生不懂什么是科研，也不知道科研具体要做什么，甚至连论文也不会写。”为此，陶志刚感到颇为无奈。他所在的中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院显然也注意到这种情况，专门实行了“本科生导师制”这一制度。也就是说，在学生入学第一年学校就为其分配导师，手把手指导学生该研究什么，又该怎么去研究。到了第三年，学生就要亲自“上战场”，跟随导师到各种矿区现场参与实地研究。
　　能做到这些，对于刚入大学校园的学生来说显然很难，因此，在招收学生时，陶志刚极为看重学生的责任心与勤奋度。他表示：“既然选择科研，就不能‘三天打鱼两天晒网’，做就要做到底，决不能当‘半路逃兵’。”在他看来，良好的人品才是人生中最宝贵的财富，是最亮眼的黄金招牌。
　　这一点在陶志刚身上表现得很鲜明。有一年，陶志刚在连续工作多天后的一日清晨，猛然发现自己的脸有些不听使唤，到医院一查才发现一侧脸已经面瘫，不仅眼睛无法闭紧，连话也说不利索。在这种情况下，进行单独的实验研究还好，但该怎么给学生讲课？
　　陶志刚当机立断绝不能耽误学生的课程，于是他在每天扎完针灸后又继续走上讲台。就这样，整整两个星期，陶志刚每天贴着膏药，斜着眼、歪着嘴艰难地完成了教学内容。“从那以后，我也会适当进行自我调节，做到劳逸结合。”陶志刚笑谈道。
　　研究岩土工程以来，矿区、实验室和教室就好似成了陶志刚的另一个家，他与团队在这个大家庭里为地质灾害监测与预警谱写了多个传奇，但对自己的家庭却充满了愧疚之情。他提到，妻子同样是一名科研人员，每日结束了在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所繁杂的实验工作后，常常顾不上腰酸背痛，便又马不停蹄地赶回家照顾孩子、老人。而陶志刚由于工作原因，经常要到各地出差进行实地调研，因此即便想要帮助妻子分担家务，也时常感到无能为力。尽管作为科研人员，陶志刚已经尽全力做到最好，但作为丈夫，他表示亏欠妻子太多太多......
　　未来，陶志刚表示会兼顾科研之家与生活之家，平衡两个家之间的地位，并继续用不懈的追求、坚定的信念打造属于未来的科研之路。