Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2018 Vol.19 No.8 P.579-662

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Coastal and Offshore Geotechnics & Geo-energy and Geo-environment

Guest Editor-in-Chief: Li-zhong WANG; Guest Editors: Zhong-xuan YANG, Yi HONG

Review

Review: Design of suction foundations

Bas van Dijk

DOI: 10.1631/jzus.A1700465 Downloaded: 3462 Clicked: 2881 Cited: 0 Commented: 0(p.579-599) <Full Text> <PPT> 1571

Chinese summary <35> 吸力式基礎設計

目的:吸力式基礎具有投資(zī)費(fèi)用低、施工(gōng)時間短、無噪音和可重複使用等優點,因此被廣泛應用在海洋工(gōng)程領域. 本文針對吸力式基礎設計中(zhōng)的關鍵問題,主要綜述現有設計理論,指出理論缺陷,并給出設計建議.
創新點:綜述砂土、粘土和成層土中(zhōng)吸力式基礎的安裝、回收、基礎承載力、基礎沉降和服役性能中(zhōng)的關鍵科學問題和現有設計理論.
方法:1. 基于文獻報道的現場試驗和模型試驗,針對吸力式基礎安裝過程中(zhōng)的沉貫阻力、臨界吸力和土塞效應,評估現有設計理論的準确性; 2. 分(fēn)析粘土和砂土中(zhōng)吸力式基礎的完全排水、完全不排水和部分(fēn)排水條件下(xià)靜力和循環承載力計算理論; 3. 針對吸力式基礎的長期服役性能,分(fēn)析荷載引起的基礎變形、固結沉降、循環再固結沉降和極端荷載下(xià)的"棘輪效應".
結論: 1. 現有的吸力式基礎安裝中(zhōng)沉貫阻力計算理論沒有普适性;對于臨界吸力的計算,由于沒有考慮"土拱效應",理論計算值均低估了安裝吸力. 2.對于粘土中(zhōng)吸力式基礎承載力的計算需要考慮循環作用下(xià)土體(tǐ)的強度弱化和基礎-土間空隙引起的承載力降低,而砂土中(zhōng)基礎承載力計算需要考慮排水條件的影響. 3. 對于吸力式基礎的長期服役性能,特别是基礎變形的計算,目前還缺少成熟的計算理論.

關鍵詞組：吸力式基礎;安裝;承載力;變形

Articles

A coupled thermal–hydraulic–mechanical–chemical (THMC) model for methane hydrate bearing sediments using COMSOL Multiphysics

Xiang Sun, Hao Luo, Kenichi Soga

DOI: 10.1631/jzus.A1700464 Downloaded: 2945 Clicked: 3880 Cited: 0 Commented: 0(p.600-623) <Full Text> <PPT> 1638

Chinese summary <40> 基于COMSOL Multiphysics天然氣水合物(wù)沉積物(wù)熱-水-力-化多場耦合模型研究

目的:水合物(wù)沉積物(wù)開(kāi)采過程是一(yī)個熱-水-力-化多場耦合過程,該過程包含了不同土層間的熱對流、壓縮引起的局部變形以及膠結結構破壞引起的應力松弛. 不适當的開(kāi)采會引起出砂、塌孔等破壞問題. 本文旨在建立天然氣水合物(wù)沉積物(wù)多場耦合計算模型,以量化由開(kāi)采引起的地質災害風險.
創新點:1. 通過COMSOL Multiphysics實現水合物(wù)開(kāi)采過程多場耦合有限元控制方程的計算; 2. 建立的模型考慮變形-滲流雙向全耦合過程.
方法:1. 通過理論推導,給出開(kāi)采天然氣水合物(wù)過程模拟的控制方程;采用偏微分(fēn)方程模塊實現除力學之外(wài)其他物(wù)理場的耦合計算;采用結構力學模塊實現變形計算. 2. 通過與試驗數據進行比較驗證模型的可靠性. 3. 通過對比全耦合模型與半耦合模型,分(fēn)析雙向耦合對水合物(wù)開(kāi)采過程中(zhōng)沉積物(wù)物(wù)理力學行爲的影響.
結論:1. 所建立模型能夠精确模拟水合物(wù)開(kāi)采過程中(zhōng)沉積物(wù)的物(wù)理力學行爲. 2. 當考慮壓縮對滲流的影響時,由于孔隙率的降低,計算得到的水合物(wù)分(fēn)解速度要小(xiǎo)于不考慮該影響時的速度. 3. 由于存在層間對流效應,非均質模型計算得到的水合物(wù)分(fēn)解速度要快于均質模型.

關鍵詞組：水合物(wù)沉積物(wù);多場耦合模型;COMSOL;産氣

Hypoplastic modeling of soil-structure interfaces in offshore applications

Hans Henning Stutz, Frank Wuttke

DOI: 10.1631/jzus.A1700469 Downloaded: 2569 Clicked: 3391 Cited: 0 Commented: 0(p.624-637) <Full Text> <PPT> 1561

Chinese summary <31> 近海應用中(zhōng)土壤-結構界面的亞塑性模型

目的:研究一(yī)種使用連續的土壤模型模拟土壤-結構界面的新方法,并闡述這些模型增強土壤-結構相互作用的建模方法
創新點:1. 基于先前的亞塑性模型,通過将晶粒間應變的概念融入模型公式來模拟循環載荷. 2. 整體(tǐ)性較好的模型具有更好、更精确的模拟結果.
方法:1. 采用一(yī)種砂漿接觸的力學方法,其中(zhōng)一(yī)個表面作爲主面,另一(yī)個表面作爲從屬面. 2. 采用砂漿接觸的力學方法并結合用戶定義的子程序,對土壤-結構界面進行建模. 3. 基于先前的亞塑性模型,将晶粒間應變的概念融入模型公式來模拟循環載荷.
結論:1. 整體(tǐ)性較好的模型具有更好、更精确的模拟結果. 2. 本文提出的土壤-結構界面建模方法不僅提高了模拟結果,且在某些模拟中(zhōng)提高了數值收斂性.

關鍵詞組：亞塑性;接觸面;循環荷載;細顆粒和粗粒土

Thermo-mechanical behaviour of floating energy pile groups in sand

Huai-feng Peng, Gang-qiang Kong, Han-long Liu, Hossam Abuel-Naga, Yao-hu Hao

DOI: 10.1631/jzus.A1700460 Downloaded: 2835 Clicked: 5632 Cited: 0 Commented: 0(p.638-649) <Full Text> <PPT> 1942

Chinese summary <26> 砂土地基中(zhōng)摩擦型能量樁群樁熱力學特性研究

目的:能量樁在工(gōng)作狀态下(xià)的熱力學響應十分(fēn)複雜(zá),同時受到樁頂荷載、樁側摩擦以及溫度等多重因素的影響. 當群樁中(zhōng)出現部分(fēn)能量樁不工(gōng)作時,将造成上部結構的額外(wài)應力與變形. 因此,本文重點探讨摩擦型能量樁群樁中(zhōng)部分(fēn)能量樁在加熱制冷作用下(xià)的熱力學響應,并與單樁的熱力學效應進行對比分(fēn)析.
創新點:1. 通過建立摩擦型能量樁群樁模型試驗,探讨樁側摩擦對能量樁群樁的影響規律; 2. 利用能量樁群樁與單樁對比,揭示能量樁群樁與單樁熱力響應特性的區别; 3.揭示部分(fēn)能量樁加熱制冷作用對能量樁群樁的影響機理.
方法:1. 建立摩擦型能量樁群樁及單樁的模型試驗; 2. 将能量樁群樁與單樁進行對比,研究能量樁群樁與單樁熱力響應特性的區别; 3. 進行能量樁群樁部分(fēn)加熱制冷試驗.
結論:1. 對于長期工(gōng)作的能量群樁,可以将其視爲一(yī)個長寬高與整個群樁相同的熱交換體(tǐ),其表面溫度與群樁的平均表面溫度一(yī)緻. 2. 能量樁單樁在加熱過程中(zhōng),由于樁底受到的限制較大(dà),所以樁頂位移大(dà)于樁底位移. 3. 能量樁單樁在制冷過程中(zhōng),由于土體(tǐ)及樁體(tǐ)收縮,會出現明顯的下(xià)沉. 4. 能量樁群樁樁帽在加熱過程中(zhōng),樁帽的位移與群樁的上半部分(fēn)長度相關;在本文的試驗中(zhōng),由于群樁上半部分(fēn)受土的限制較小(xiǎo),因此其位移與樁自由膨脹的位移一(yī)樣. 5. 能量樁群樁在制冷期間,群樁的下(xià)沉量級要比單樁的大(dà). 6. 在制冷過程中(zhōng),能量樁群樁在群樁效應作用下(xià),内部樁的樁底熱位移較大(dà). 7. 能量樁群樁在部分(fēn)加熱的情況下(xià),會出現不均勻沉降,且在加熱期間,沉降主要受到不工(gōng)作樁的牽制影響;而在制冷期間,沉降主要受工(gōng)作樁的下(xià)沉影響. 8. 摩擦型能量樁的熱引起的樁身軸力是與樁側的土壓力大(dà)小(xiǎo)相關的;由于群樁在群樁效應作用下(xià),樁側土壓力要小(xiǎo)于單樁,因此群樁的熱引起的樁身軸力要大(dà)于單樁.

關鍵詞組：能量樁;純摩擦型樁;群樁;不均勻加熱;不均勻沉降

A strength degradation model of saturated soft clay and its application in caisson breakwater

Zhen Yan, Yuan-zhan Wang, Zhong-xuan Yang, Zhong Xiao, Kun Pan

DOI: 10.1631/jzus.A1700461 Downloaded: 2523 Clicked: 4346 Cited: 0 Commented: 0(p.650-662) <Full Text> <PPT> 1807

Chinese summary <31> 飽和軟黏土不排水強度弱化模型及其在沉箱式防波堤的應用分(fēn)析

目的:本文旨在建立簡單實用的飽和軟黏土不排水強度損傷弱化模型,應用于波浪循環荷載作用下(xià)沉箱式防波堤與軟土地基相互作用的非線性數值計算,爲解決防波堤軟土強度弱化計算問題提供有效途徑.
創新點:1. 基于不排水強度循環損傷弱化機理,得到軟黏土不排水強度随循環荷載作用次數和應力水平的變化規律; 2. 結合Tresca屈服準則進行數值開(kāi)發,應用于波浪循環荷載作用下(xià)沉箱式防波堤與軟土地基相互作用的數值計算.
方法:1. 引入累積塑性變形相關的損傷變量表征土體(tǐ)結構性的損傷和重塑對軟黏土不排水強度弱化的影響(公式(3)和(11)); 2. 建立軟黏土不排水強度随循環荷載作用次數和應力水平變化的損傷弱化模型(公式(14)); 3. 結合Tresca屈服準則,實現軟黏土不排水強度損傷弱化的數值計算過程(圖9); 4. 針對煙台軟黏土動三軸試驗數據進行分(fēn)析,對模型及其數值開(kāi)發過程進行驗證(圖11和12); 5. 将模型應用到軟土地基上沉箱式防波堤數值運算,分(fēn)析軟土地基響應,驗證模型的有效性(圖15~18).
結論:1. 在臨界循環應力比以下(xià),損傷變量和歸一(yī)化最大(dà)孔壓比随循環荷載作用次數的增加逐漸增大(dà),并趨于穩定;随循環應力比增大(dà)逐漸增大(dà).循環後不排水強度折減系數随着循環荷載作用次數和循環應力比的增加而減小(xiǎo). 2. 有限元數值開(kāi)發過程是正确的,不排水強度損傷弱化模型是合理的. 3. 該模型簡單實用,可應用于波浪等循環荷載作用下(xià)沉箱式防波堤與軟土地基相互作用的非線性數值計算,且能模拟循環荷載下(xià)軟土地基的孔隙水壓力增長以及不排水強度弱化等響應. 軟土地基的響應主要分(fēn)布在基床兩趾及正下(xià)方的軟土層上部.

關鍵詞組：飽和軟黏土;不排水強度;循環弱化模型;損傷;數值模拟