《北京日报》2025年2月6日整版（记者 何蕊）报道北航教授姚仰平：

筑基护航

姚仰平教授（左）指导博士生做实验

土，是生命的摇篮，承载着万物生长与繁衍；土，又是情感的纽带，寄托着浓浓的眷恋与乡愁。自古以来，无数文人墨客以笔为媒，抒发对脚下这片土地的深情厚谊。

在科研领域，同样有无数科学家，一门心思扎根土壤，破解土的奥秘，为大型工程建设保驾护航。国家“973计划”的首席科学家，北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、士嘉书院院长姚仰平就站在最前沿。

深耕岩土工程领域30余载，他带领团队围绕土的力学特性，开展岩土本构理论及机场工程变形控制等研究，创建了特色鲜明的土的统一硬化本构理论新体系，并将其应用于高填方机场、高土石坝等重大工程中，解决了土体变形及稳定性的精准计算问题。

基于冷凝现象，姚仰平提出了机场“锅盖效应”新概念，研发了相应的致灾防治技术，应用于北京大兴国际机场跑道设计，为机场跑道的安全运行提供了重要保障。基于北斗卫星系统等现代信息技术，他建立了土体沉降的实时监测和智能预警系统，实现了机场沉降灾害的预判预警。

2024年，姚仰平凭借“土的统一硬化本构理论”研究成果，获得了国家自然科学奖二等奖。怀抱沉甸甸的证书，姚仰平动力满满：“未来，我会继续带领团队脚踏实地，筑基护航。”

蒸锅里得来的科学灵感

冬日的北京大兴国际机场，古铜色的航站楼洒满阳光，犹如一只凤凰，展翅欲飞。登上70多米高的西塔台，机场独特的“三纵一横”的全向型跑道尽收眼底，数架航班同时起落，将旅客平安送往目的地。

大兴机场是我国首个拥有交叉跑道，并且能够同时运行的机场。一条条跑道平安高效地迎来送往的背后，是科技含量十足的中国智慧、中国方案。

冬季，我国北方机场的道面下普遍会出现积水与冻胀灾害现象，给机场跑道带来了安全隐患。早在2013年，兰州机场就出现过这种病害。“跑道下土层的含水量剧增。”姚仰平说，这种状况令大家十分不解——寒冷干燥的北方地区，地下水位埋深数十米甚至更深，跑道下的水显然不是土中的毛细水所致。

水到底是从哪里来的？

一筹莫展之际，姚仰平注意到一个生活现象：“蒸包子的时候，掀开盖子的一瞬间，锅盖上的冷凝水流了下来，在灶台上留下了一摊水。”

这一幕给姚仰平带来了灵感——

机场跑道相当于给土层盖了一个密不透气的锅盖，冬季土体中的水汽上升遇到“厚厚的大盖子”就会冷凝成水或凝结成冰。来年春夏，冰融化成水，又无法排出，这就导致跑道下产生积水。

姚仰平形象地将这种现象定义为“锅盖效应”。

无独有偶。

2015年，沈阳桃仙国际机场也出现了类似问题。始建于1989年的沈阳桃仙国际机场，跑道最初建设时铺设的是水泥道面。2008年，跑道道面发生了沉降病害，为了不影响机场正常运行，施工方通过注浆将道面抬平，并在表面加铺了沥青，对道面实施了修复。然而，8年后，跑道又出现了异常裂缝，晚春和初夏时尤其严重。

“道面上不仅有裂缝，还出现了一些鼓起的拥包。”如今，姚仰平仍记得到达现场时看到的场景：施工人员从跑道下的碎石垫层中引出了大量的水。后来，通过现场勘查，他确认这部分水就是“锅盖效应”所致。

回到北京，姚仰平一头扎进实验室，希望通过模拟试验揭示致灾机理，为“锅盖效应”找到原因。

北航交通科学与工程学院岩土工程实验室里的试验仪器，是姚仰平带领学生亲手改装而成的。“我们在一个透明的圆柱形罐内模拟机场跑道下的土层，自上而下是碎石和黏土。黏土中含有水，粗砂中仅含有水汽。”姚仰平解释，他们在仪器的最顶端加装了一层盖子，模拟机场的沥青混凝土跑道。

试验中，团队首先将盖子的温度降至零下，模拟北方冬季的地面温度，慢慢地，盖子底层结了薄薄的一层冰。“从地下上升的水汽被盖子挡住后无法蒸发，遇到零摄氏度以下的盖子，凝华成冰。”几个星期后，大家又把盖子的温度逐渐恢复到室温状态，模拟冬去春来的场景。此时，冰化成水，打开闸门后，水便从管道中涌了出来。

试验过程清晰地还原了机场跑道下积水的产生过程。

期间，姚仰平还带领团队在大兴机场搭起试验台，开展了现场原位试验。当年的老照片中，姚仰平和三位学生蹲在一个两米见方的土坑边，周围一片荒地，杂草丛生。“我们在大兴机场跑道位置的土体下埋了地下传感器，主要用来测量温度和湿度，目的是实时监测机场跑道土体的健康状况。”姚仰平回忆，照片里，他正在给学生布置任务，定时定点监测土体含水率。

通过数年的监测和研究，团队不仅证明了“锅盖效应”在大兴机场也同样存在，还找出了有效抑制其发生的方法——采取疏堵结合的方法，让土层变得更密实，阻止水汽向上迁移。同时，在土体的最大冻深处，加装一层土工织物布层，起到隔水隔汽的作用，“就像在跑道下方又给土体盖了第二层锅盖，具体盖在哪处，也是因地制宜，通过试验分析和计算得出。”姚仰平说。

长期和岩土工程打交道，姚仰平深知，科学研究和实践工程一定要经得起时间磨砺和考验，“我们的科研要有前瞻性，要能够经得起时间的检验。”姚仰平还提出了机场智能建造理念，他带领团队融合物联网、云计算、无人驾驶和虚拟现实等新一代信息技术，建立了强夯有效压实范围的计算模型，研发了机场智能压实质量实时监控系统，大幅提升了施工压实效率和质量。

姚仰平和团队还在大兴机场等全国多个机场布设了传感器，一端是北斗卫星，一端是数字化管理平台，采用跑道沉降时空连续算法，实现了机场沉降的实时监测和智能预警。

30年破解两个“经典之问”

起落平安，脚踏实地。姚仰平的研究成果不仅为机场的设计、建造和安全运行保驾护航，还在其他大型工程中发挥着重要作用。

这些研究成果离不开土力学及岩土工程基础理论的支撑。其中，土的本构理论称得上是“王冠上的明珠”。

1991年，姚仰平从攻读博士学位开始，就扎根于脚下的这片土地，潜心研究土的本构理论研究。“这就必须提到剑桥模型。”姚仰平从头讲起。1963年，在英国剑桥大学从事土力学研究的罗斯科教授等人提出了剑桥模型，从试验和理论上较好地阐明了土体弹塑性变形特征，尤其考虑了土的塑性体积变形。

“这一模型的问世，标志着土的本构理论发展进入新阶段，开创了土力学的临界状态理论。”姚仰平话锋一转，然而，长期的研究表明，剑桥模型仍然存在局限性。比如，无法对复杂环境下不同类型土应力应变特性进行统一描述。简单来讲，就是剑桥模型只适用于简单土体，这一局限使得该模型在工程应用范围上受到了限制。

对此，学者曾发出突破剑桥模型难题的两个经典之问——如何建立合理反映土的塑性变形特性的硬化方程，如何建立三维强度准则与本构模型相结合的一致框架。解决这两个关键问题成为提升剑桥模型理论、推动本构理论发展的关键，这也成为姚仰平的毕生追求。

1997年，姚仰平前往日本名古屋工业大学深造，带着两个经典之问开始了博士后研究工作。

“我的博士后导师是享誉世界的土的本构和强度理论大师。刚进入实验室，我提出想学习最新的土的本构理论，他便给我分配了一项十余年来悬而未决的研究任务——建立能够实现强度准则与本构模型完美结合的三维化方法。”姚仰平说，接下这项工作任务，需要有敢于碰硬的决心和勇气。

面对看似难以完成的任务，姚仰平从最基础的力学公式开始，一步步推导、计算和试验分析。

“曾有人劝我换个研究方向，因为这件事枯燥乏味又困难，很难出成果。但追求科学真谛的初心，让我继续拿起了笔。”在大家都希望快速产出论文的时候，姚仰平一人埋头苦算，不唯论文。在一次次的挫折和失败中，他默默挑战着理论局限上的“不可能”。

如今，姚仰平还清楚地记得，1997年7月1日一早，他推导出一个十分工整、特别漂亮的公式，兴冲冲地拿给导师看。看过公式之后，导师一拍大腿，兴奋地说，原来如此！这让姚仰平更坚定了自己的初心。

姚仰平直言，在推动土的本构理论发展方面，这个公式的推演只能算迈出了一小步，但哪怕是一点点进步，对他来说都十分珍贵。1999年，他学成归国，带领团队继续开展土的本构理论研究，历时20余载，构建了特色鲜明的土的统一硬化本构理论。

2004年，姚仰平带领团队提出了土的广义非线性强度理论，与博士后期间建立的“变换应力三维化方法”完美结合，回答了其中一个经典之问。

2007年，团队又初步形成了土的统一硬化模型理论框架，此后的十余年里，将其进一步发展为考虑饱和度、温度、时间等因素影响的本构模型，解决了传统模型的重要缺陷。

至此，两个“经典之问”都找到了完美的答案。

2019年，统一硬化理论系列研究再次获得突破性进展——扩展到能够统一描述黏土、砂土、土石混合料等不同岩土材料在三维应力、温度、湿度等复杂条件下的本构特性。姚仰平说，这为解决复杂岩土工程的变形与强度问题提供了重要理论基础。

从跟跑国外的剑桥模型、回答经典之问，到引领我国土的本构理论、实现国际领先，姚仰平坚守岩土工程基础研究30多年，不仅将土的本构理论和应用提升到一个新的高度，也证明了中国科技理论可以站在世界前列。

方寸讲台点亮“心灯”

师者，所以传道授业解惑也。

作为一名高校教师，姚仰平把教书育人看得和科学研究一样重要。1999年，姚仰平来到北京航空航天大学后，始终坚守在教学一线。如今，他除了指导研究生做课题，还一直承担着本科生的教学任务。由他主讲的本科课程“土力学”是北京航空航天大学交通学院的“金字招牌”，先后被评为北京市精品课、国家一流本科课程。

为了把复杂的岩土工程原理讲得更接地气儿，姚仰平专门在团队参与的各大项目施工现场收集图片、视频等教学资料，把工程一线的鲜活经验带进课堂。

在学生们看来，姚老师儒雅又亲切，和学生有着“隔辈儿亲”。学生说，和姚老师讲话一点都不紧张，就像和同龄人交流一样轻松。大家也愿意向姚仰平分享自己的学习和生活，也会说说自己在校期间遇到的各种问题。正因如此，姚仰平两度被评选为北航“我爱我师”十佳教师。

“相互用心”，姚仰平这样评价自己与学生的关系。而最令他难忘的，是寒冬里学生将馒头揣在怀里、从食堂带到教室，送到他身边的那份热腾腾的情谊。

2018年，兼任北京航空航天大学图书馆馆长的姚仰平提出了一项大刀阔斧的改革计划：校内图书馆24小时“不打烊”，寒暑假也照常开放！

这是北航首创，在北京高校里也是头一家。

其实这项改革，也源于姚仰平的用心。他注意到，经常有学生一大早就到图书馆门口排队等待开门，“尤其是冬天，早晨天冷，孩子们排队容易被冻感冒，也浪费时间。”

图书馆24小时开放，困难不少，但姚仰平还是决定在图书馆里设置24小时开放区，并在一周内就推动改革举措落地。图书馆安排了专人进行管理，确保夜读学生的安全，值班人员将夜间每个时间段学生数量等信息详细记录下来，汇总在夜班巡查登记表上。从此，姚仰平每天上班后直奔图书馆，翻阅前一天晚上的记录，及时了解24小时图书馆的运行情况。

“不管多晚，这里都有一盏为你点亮的灯，等你回家。”回想到图书馆里学生们埋头苦读的身影，姚仰平眼中闪着光，语气满是欣慰。

在北航，姚仰平先后担任交通学院党委书记，沙河校区党委书记、管委会主任，图书馆馆长，士嘉书院院长等职务。尽管校内的管理工作繁重，但姚仰平的科研脚步仍迈得飞快。

现在，人工智能技术的大潮滚滚而来。姚仰平畅想，未来可以用人工智能对岩土工程中的强夯、冲碾等压实施工进行实时测控，更重要的是，结合本构理论，对地面沉降、开裂、冻土融沉等可能发生的岩土工程病害进行智能预警，“一步一个脚印，不忘初心，我们正在向着既定目标前进。”

媒体链接：https://bjrbdzb.bjd.com.cn/bjrb/mobile/2025/20250206/20250206_009/content_20250206_009_1.htm#page8?digital:newspaperBjrb:s67a3caa3e4b068c68f0f6c9e

编辑：贾爱平