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

2022 Vol.23 No.11 P.845-954

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Physical Model Testing in Geotechnical Engineering

Guest Editor-in-Chief: Zhen-yu YIN; Guest Editors: Han-lin WANG, Xue-yu GENG

Editorial

Editorial: Physical model testing in geotechnical engineering

Zhen-yu YIN, Han-lin WANG, Xue-yu GENG

DOI: 10.1631/jzus.A22PMTGE Downloaded: 640 Clicked: 863 Cited: 0 Commented: 0(p.845-849) <Full Text>

Chinese summary <152> 岩土工(gōng)程物(wù)理模型試驗

作者：尹振宇¹，王瀚霖^2,3,4，耿雪玉⁵
機構：1. 香港理工(gōng)大(dà)學，土木及環境工(gōng)程學系，中(zhōng)國香港；2. 湖南(nán)大(dà)學，地下(xià)空間先進技術研究中(zhōng)心，中(zhōng)國長沙，410082；3. 湖南(nán)大(dà)學，建築安全與節能教育部重點實驗室，中(zhōng)國長沙，410082；4. 湖南(nán)大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國長沙，410082；5. 華威大(dà)學，工(gōng)程學院，英國考文垂，CV4 7AL
概要：土的三相組成（土顆粒、水和空氣）、土顆粒由多種礦物(wù)成分(fēn)構成（比如石英、高嶺石和蒙脫石等）以及土顆粒粒徑從微米級跨度到100毫米級決定了土的複雜(zá)性，從而造成了岩土工(gōng)程結構設計、建造及維護的複雜(zá)性。爲了複原現場岩土結構的複雜(zá)多場特性，物(wù)理模型試驗是一(yī)種有效、合理且被廣泛認可的方法。與現場測試相比，物(wù)理模型試驗具有高還原度、低價格和高可操作性等優勢，同時可充分(fēn)考慮衆多影響因素對實際工(gōng)況的影響。爲此，本專輯收集了在該研究領域具有代表性的研究成果，介紹了多個利用物(wù)理模型試驗揭示複雜(zá)岩土問題機理以及基于試驗結果提出設計方法和建議的最新研究進展，涵蓋了交通基礎設施、盾構掘進、侵蝕、凍土和地震災害等多個複雜(zá)岩土工(gōng)程問題。希望能加深讀者對各個研究領域的理解，以及進一(yī)步推動物(wù)理模型試驗在岩土工(gōng)程中(zhōng)的應用和發展。

關鍵詞組：複雜(zá)岩土問題；物(wù)理模型試驗

Research Articles

Influence of groundwater level changes on the seismic response of geosynthetic-reinforced soil retaining walls

Fei-fan REN, Qiang-qiang HUANG, Xue-yu GENG, Guan WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200188 Downloaded: 747 Clicked: 957 Cited: 0 Commented: 1(p.850-862) <Full Text> <PPT> 269

Chinese summary <150> 地下(xià)水位變化對加筋土擋牆地震響應的影響

作者：任非凡^1,2，黃強強¹，耿雪玉²，王冠^2,3
機構：¹同濟大(dà)學，地下(xià)建築與工(gōng)程系教育部重點實驗室，中(zhōng)國上海，200092；²華威大(dà)學，工(gōng)程學院，英國考文垂，CV4 7AL；³上海理工(gōng)大(dà)學，建築與環境學院，中(zhōng)國上海，200093
目的：土工(gōng)合成材料加筋土擋牆（GSRW）已被廣泛應用于各類工(gōng)程。然而，近年來受氣候變化的影響，極端天氣和自然災害頻(pín)發，這對加筋土擋牆的穩定性造成了較大(dà)的危害。本文主要研究了地下(xià)水位變化對加筋土擋牆動力穩定性的影響。首先，通過離(lí)心振動台試驗結果對數值方法進行了驗證。然後，利用建立的數值模型，對四種不同的工(gōng)況下(xià)的加筋土擋牆穩定性進行了探究。分(fēn)别爲：在低地下(xià)水位條件下(xià)發生(shēng)地震(CaseLW)、在地下(xià)水位上升的條件下(xià)發生(shēng)地震(Case RW)、在高地下(xià)水位條件下(xià)發生(shēng)地震(Case HW)，以及在地下(xià)水位下(xià)降的條件下(xià)發生(shēng)地震(CaseDW)。結果表明，加筋土擋牆在CaseDW工(gōng)況中(zhōng)的穩定性最差，這是由于水位下(xià)降時，地下(xià)水會從擋牆内部向外(wài)部滲流，此時的滲流力會加劇擋牆失穩破壞。相反，地下(xià)水位上升過程中(zhōng)，滲流力表現爲抵抗加筋土擋牆變形的阻力，因此加筋土擋牆在CaseRW工(gōng)況中(zhōng)的變形并不明顯。此外(wài)，受超孔隙水壓力的影響，加筋土擋牆在地下(xià)水位較高情況下(xià)(Case HW)的穩定性要小(xiǎo)于地下(xià)水位較低的情況(CaseLW)。本研究可以爲工(gōng)程實際提供參考和借鑒，因此具有一(yī)定的實際意義。
創新點：1.基于離(lí)心振動台試驗結果建立了可用于水位變動情況下(xià)加筋土擋牆地震響應的數值解析方法；2.基于建立的數值解析方法，系統揭示了不同地下(xià)水位工(gōng)況下(xià)加筋土擋牆抗震穩定性和變形破壞規律。
方法：1.利用離(lí)心振動台試驗結果驗證了數值方法的合理性；2.通過建立加筋土擋牆數值模型，系統考慮了低水位、上升水位、高水位和下(xià)降水位四組地下(xià)水位條件；3.通過對不同地下(xià)水位條件下(xià)的加筋土擋牆施加地震荷載，探讨了地下(xià)水位變化對加筋土擋牆抗震穩定性的影響。
結論：1.加筋土擋牆在地下(xià)水位下(xià)降情況下(xià)的動穩定性最差；2.地下(xià)水位上升可有效降低地震作用下(xià)加筋土擋牆的向外(wài)變形；3.加筋土擋牆在較高地下(xià)水位情況下(xià)的抗震穩定性要小(xiǎo)于地下(xià)水位較低的情況。

關鍵詞組：加筋土擋牆；地下(xià)水位；地震；穩定性分(fēn)析

Soil effect on the bearing capacity of a double-lining structure under internal water pressure

Dong-mei ZHANG, Xiang-hong BU, Jian PANG, Wen-ding ZHOU, Yan JIANG, Kai JIA, Guang-hua YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200215 Downloaded: 696 Clicked: 853 Cited: 0 Commented: 0(p.863-881) <Full Text> <PPT> 311

Chinese summary <60> 圍岩-雙層襯砌聯合承載能力研究

作者：張冬梅^1,2，蔔祥洪¹，逄健³，周文鼎¹，姜燕^4,5，賈恺⁴，楊光華⁴
機構：¹同濟大(dà)學，地下(xià)建築與工(gōng)程系，中(zhōng)國上海，200092；²同濟大(dà)學，岩土及地下(xià)工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國上海，200092；³國網天津電力公司建設分(fēn)公司，中(zhōng)國天津，300143；⁴廣東省水利水電科學研究院，中(zhōng)國廣東，510610；⁵鄭州大(dà)學，水利科學與工(gōng)程學院，中(zhōng)國鄭州，450001
目的：盾構隧道雙層襯砌廣泛應用于輸水隧道，然而圍岩的承載作用一(yī)直被忽略。本文通過模型試驗揭示圍岩-雙層襯砌的共同承載特性，爲高内水壓輸水隧道的圍岩-雙層襯砌共同承載設計方法提供支撐。
創新點：1.揭示圍岩條件對圍岩-雙層襯砌聯合承載能力的影響規律；2.建立圍岩-雙層襯砌聯合承載理論解析方法。
方法：1.通過模型實驗，分(fēn)析不同圍岩條件下(xià)（砂性土、強風化泥質粉砂岩）雙層襯砌内水壓受力變形特性，并确定圍岩和雙層襯砌内水壓承載比例以及圍岩對雙層襯砌承載能力的影響（圖1和2）；2.通過解析方法，揭示圍岩承載比例随圍岩彈性模量的變化規律（圖22和23），并提出承載比例的内襯厚度優化設計方法。
結論：1.内水壓作用下(xià)，圍岩承載能力與圍岩彈性模量和襯砌變形狀态有關；雙層襯砌未開(kāi)裂時，砂性土圍岩承擔3.7%的内水壓，而圍岩爲強風化岩石時，其貢獻上升至10.4%；雙層襯砌開(kāi)裂後，圍岩在承受内水壓方面起着更重要作用，即砂性土和強風化岩石的分(fēn)擔比分(fēn)别爲10.5%和27.8%。2.隧道設計中(zhōng)應考慮圍岩承載内水壓能力的影響。

關鍵詞組：盾構隧道；雙層襯砌；圍岩條件；承載力；内水壓

Model test of the mechanism underpinning water-and-mud inrush disasters during tunnel excavation in sandstone and slate interbedded Presinian strata

Peng XU, Peng PENG, Rong-hua WEI, Zhi-qiang ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200134 Downloaded: 738 Clicked: 883 Cited: 0 Commented: 1(p.882-899) <Full Text> <PPT> 260

Chinese summary <60> 前震旦系砂岩與闆岩互層地層隧道開(kāi)挖突水突泥災害機理模型試驗

作者：許芃^1,2，彭鵬^1,2，魏榮華^1,2，張志(zhì)強^1,2
機構：¹西南(nán)交通大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國成都，610031；²西南(nán)交通大(dà)學，交通隧道工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國成都，610031
目的：前震旦系砂闆岩互層地層突水突泥災害給隧道工(gōng)程建設帶來了巨大(dà)的困難。本文旨在通過室内模型試驗，再現前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥災害的災變演化過程，分(fēn)析圍岩應力應變、滲透壓力與流量随隔水層厚度減小(xiǎo)的變化規律，揭示砂闆岩互層隧道隔水層滲透失穩突水突泥的災變誘發機制，爲突水突泥災害的防控提供重要參考。
創新點：1.建立了前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥工(gōng)程地質模型；2.通過模型試驗再現了前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥災變演化過程；3.揭示了隔水層厚度減小(xiǎo)過程中(zhōng)隧道圍岩應力應變、滲流壓力與流量等特征參數的變化規律。
方法：1.通過突水突泥災害統計（圖3和6）和地質結構特征（圖4和5）分(fēn)析，構建前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥工(gōng)程地質模型（圖7）；2.通過正交試驗設計和材料配比試驗，研制闆岩和砂岩的流固耦合相似材料（圖12和13）；3.通過模型試驗，再現前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥災變演化過程（圖16）。
結論：1.前震旦系砂闆岩互層隧道突水突泥災變演化過程可劃分(fēn)爲滲流階段、高湧流階段和衰減階段3個階段，圍岩應力應變、滲流壓力與流量的變化具有階段性特征；2.圍岩應變能密度特征揭示了地下(xià)水對圍岩的侵蝕弱化作用。随着應變能密度的增大(dà)，圍岩穩定性減弱，而拱頂在滲流階段的應變能密度比拱肩高20.7%；3.滲流壓力與隔水層厚度呈線性正相關關系，流量與隔水層厚度呈線性負相關關系。特征參數突變點爲隔水層劣化特征點，該點對應的隔水層厚度爲臨界安全厚度；4.突水突泥本質上是在開(kāi)挖卸荷和應力-滲流耦合作用下(xià)突水突泥通道的形成、隔水層厚度減小(xiǎo)到臨界厚度、隔水層逐漸喪失阻水能力的災變過程。

關鍵詞組：突水突泥；砂闆岩互層地層；模型試驗；演變規律；隔水層厚度；誘發機制

Shaking table tests on a cantilever retaining wall with reinforced and unreinforced backfill

Ming WEI, Qiang LUO, Gui-shuai FENG, Teng-fei WANG, Liang-wei JIANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200192 Downloaded: 780 Clicked: 967 Cited: 0 Commented: 1(p.900-916) <Full Text> <PPT> 297

Chinese summary <58> 填土加筋與未加筋懸臂式擋牆的振動台試驗

作者：魏明¹，羅強^1,2，馮桂帥¹，王騰飛^1,2，蔣良濰^1,2
機構：¹西南(nán)交通大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國成都，610031；²西南(nán)交通大(dà)學，高速鐵路線路工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國成都，610031
目的：1.探讨牆後填土加筋與否對懸臂式擋牆地震響應的影響規律；2.評估填土加筋措施對改善懸臂式擋牆抗震性能的适用性。
創新點：1.設計并制作填土加筋與填土未加筋的懸臂式擋牆模型，開(kāi)展振動台模型試驗的對比研究，并分(fēn)析填土加筋對懸臂式擋牆地震響應的改善效果；2.分(fēn)析不同加載幅值作用下(xià)，牆-土相互作用的同步特性。
方法：1.開(kāi)展填土加筋與填土未加筋懸臂式擋牆的振動台模型試驗；在模型底部分(fēn)别輸入加速度幅值爲0.11g、0.24g及0.39g的正弦波，測試模型的加速度、位移、土壓力及筋帶拉力等響應量。2.重點分(fēn)析不同加速度幅值下(xià)模型的自振頻(pín)率及阻尼比、加速度沿高度的放(fàng)大(dà)規律、振動位移以及牆-土相互作用等規律，并對比模型動力特性及響應差異，明确懸臂式擋牆填土加筋的減震效應。
結論：1.填土加筋對懸臂式擋牆的地震響應具有改善作用；加筋模型的加速度、位移、動土壓力等響應量較未加筋模型更小(xiǎo)。2.基于均方根加速度的放(fàng)大(dà)系數沿高度表現出顯著的非線性放(fàng)大(dà)效應，并随加載加速度幅值的增加呈加速增大(dà)特征。3.懸臂式擋牆填土加筋可導緻牆體(tǐ)所承受地震慣性力與地震土壓力存在相位差，大(dà)幅降低最不利位移狀态時牆體(tǐ)所受地震土壓力；試驗表明，未加筋模型中(zhōng)牆體(tǐ)慣性力與地震土壓力基本同步，而填土加筋後，0.11g及0.24g加載工(gōng)況下(xià)牆-土相互作用的同步性明顯降低。

關鍵詞組：懸臂式擋牆；填土加筋；地震響應；振動台試驗；動土壓力；相位差

Frozen sand–concrete interface direct shear behavior under constant normal load and constant normal height boundary

Jian CHANG, Jian-kun LIU, Ya-li LI

DOI: 10.1631/jzus.A2200118 Downloaded: 698 Clicked: 889 Cited: 0 Commented: 610(p.917-932) <Full Text> <PPT> 263

Chinese summary <61> 常法向應力和常法向位移邊界條件下(xià)凍結砂-混凝土接觸面直剪特性

作者：常鍵¹，劉建坤^1，2，3，李亞利¹
機構：¹北(běi)京交通大(dà)學，土木建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國北(běi)京，100044；²中(zhōng)山大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國珠海，519082；³南(nán)方海洋科學與工(gōng)程廣東實驗室（珠海），中(zhōng)國珠海，591082
目的：探究不同邊界條件下(xià)，初始法向應力和溫度對凍結砂-混凝土接觸面剪切變形和強度特性、法向變形特性以及冰膠結特性的影響。
創新點：1.在不同邊界條件下(xià)對凍結砂-混凝土結構進行直剪試驗，了解接觸面法向和切向特性；2.建立試驗模型，成功模拟彈性剪切模量和強度随溫度及初始法向應力的變化關系。
方法：1.通過實驗分(fēn)析，得到凍結接觸面彈性模量和強度特性随溫度和初始法向應力的變化（圖14~21和表2~5）；2.通過理論推導，構建溫度、法向應力與彈性剪切模量和剪切強度之間的關系，得到相應的計算模型（公式(1)~(6)）。
結論：1.不同邊界條件下(xià)，凍結接觸面均表現出應變軟化特性；2.彈性剪切模量随初始法向應力的增加和溫度的降低呈線性增長趨勢；3.凍結接觸面剪切強度随初始法向應力的增加線性增長，而随溫度的降低呈指數增長。

關鍵詞組：凍結砂-混凝土接觸面；峰值剪應力；臨界剪應力；冰膠結；邊界條件

Evaluation of heavy roller compaction on a large-thickness layer of subgrade with full-scale field experiments

Shu-jian WANG, Hong-guang JIANG, Zong-bao WANG, Yu-jie WANG, Yi-xin LI, Xue-yu GENG, Xin-yu WANG, Kai WANG, Yi-yi LIU, Yan-kun GONG

DOI: 10.1631/jzus.A2200201 Downloaded: 650 Clicked: 765 Cited: 0 Commented: 0(p.933-944) <Full Text>

Chinese summary <57> 基于全比尺現場試驗的大(dà)厚度路基高能級壓實效果評價

作者：王術劍^1,3，蔣紅光¹，王宗寶²，王育傑¹，李宜欣^1,4，耿雪玉⁴，王新宇¹，王凱⁵，劉依依¹，公彥昆¹
機構：¹山東大(dà)學，齊魯交通學院，中(zhōng)國濟南(nán)，250002；²山東高速工(gōng)程檢測有限公司，中(zhōng)國濟南(nán)，250002；³山東高速濟青中(zhōng)線公路有限公司，中(zhōng)國高密，261599；⁴華威大(dà)學，工(gōng)程學院，英國考文垂，CV48UW；⁵山東高速集團有限公司，中(zhōng)國濟南(nán)，250002
目的：本文旨在通過65cm和80cm松鋪厚度路基的全比尺現場試驗，提出保障大(dà)厚度路基壓實效果的施工(gōng)工(gōng)藝和評價方法，以提高路基填築的施工(gōng)效率、降低能耗和碳排放(fàng)。
創新點：1.改進适用于大(dà)厚度路基壓實度評價的灌砂法；2.建立碾壓輪載作用下(xià)的路基内部動态土壓力計算修正方程；3.提出大(dà)厚度路基壓實施工(gōng)工(gōng)藝及驗收指标與壓實度的關聯關系，對大(dà)厚度路基壓實質量進行可靠快速評價。
方法：1.采用改進的灌砂筒及其标定方法，對大(dà)厚度路基的壓實度進行分(fēn)層檢測；2.基于現場土壓力分(fēn)層監測，獲得碾壓機械作用下(xià)動态土壓力沿路基深度的衰減規律；3.通過對每一(yī)遍碾壓後的壓實度、沉降差、K₃₀、動态回彈模量、動彎沉進行多點檢測和分(fēn)析，獲得各物(wù)理力學指标随碾壓遍數的變化規律及其相互關聯關系。
結論：1.高能級壓實下(xià)的65cm和80cm松鋪厚度路基動土壓力可達0.19~1.18 MPa和0.079~1.19 MPa，可采用修正後的Boussinesq方程表達；2.路基壓實效果與應力水平和土層下(xià)部支撐密切相關，底層土體(tǐ)壓實度提升前上層土體(tǐ)難以緻密化；3.高能級碾壓機械可保證大(dà)厚度路基全深度有效壓實，且動彎沉作爲大(dà)厚度路基壓實質量評價指标更爲可靠。

關鍵詞組：高速公路路基；高能級振動壓路機；松鋪厚度；動态土壓力；壓實度；壓實質量控制

Visualizing the dynamic progression of backward erosion piping in a Hele-Shaw cell

Gang ZHENG, Jing-bo TONG, Tian-qi ZHANG, Zi-wu WANG, Xun LI, Ji-qing ZHANG, Chun-yu QI, Hai-zuo ZHOU, Yu DIAO

DOI: 10.1631/jzus.A2100686 Downloaded: 777 Clicked: 1984 Cited: 0 Commented: 371(p.945-954) <Full Text> <PPT> 257

Chinese summary <60> 采用赫爾-肖氏薄闆開(kāi)展向源侵蝕過程的動态可視化研究

作者：鄭剛¹，佟婧博¹，張天奇¹，王子武²，李汛¹，張繼清^3，4，齊春雨^3，4，周海祚¹，刁钰¹
機構：¹天津大(dà)學，濱海土木工(gōng)程結構與安全教育部重點實驗室，中(zhōng)國天津，300072；²天津大(dà)學，理學院，中(zhōng)國天津，300072；³中(zhōng)國鐵路設計集團，中(zhōng)國天津，300308；⁴城市軌道交通數字化建設與測評技術國家工(gōng)程實驗室，中(zhōng)國天津，300308
目的：粉土、粉（細）砂土承壓含水層中(zhōng)的盾構隧道出現滲漏時，土顆粒會在滲流力作用下(xià)液化懸浮并随地下(xià)水湧入隧道，緻使隧道外(wài)土層在高速水流侵蝕下(xià)快速流失，引起隧道受力模式改變，進而造成襯砌結構的連續破壞（損）甚至垮塌。特别地，當滲漏點位于隧道底部時，侵蝕過程類似于水利大(dà)壩中(zhōng)的向源侵蝕，即逆着水流方向在隧道結構底部産生(shēng)侵蝕空腔，從而導緻隧道底部因失去(qù)土層支撐而産生(shēng)大(dà)範圍沉降和錯台。爲研究盾構隧道結構底部某點處由徑向水流（水流向漏點彙聚）引起的向源侵蝕過程及侵蝕區形态，本文采用物(wù)理學中(zhōng)的經典裝置，即赫爾-肖氏薄闆，開(kāi)展一(yī)系列可視化的模型試驗，研究了水流速度及試樣厚度對侵蝕過程及侵蝕形态的影響，以加深對向源侵蝕機制的理解。
創新點：1.研制了用于研究彙聚流下(xià)向源侵蝕過程的赫爾-肖氏薄闆儀器；2.清晰地捕捉了向源侵蝕動态發展過程；3.揭示水流速度及試樣厚度對侵蝕過程及侵蝕形态的影響。
方法：1.采用恒流速試驗，模拟瞬間施加水流下(xià)的向源侵蝕過程；2.通過數字圖像處理技術，定量描述向源侵蝕動态發展過程；3.通過調整闆間距及入流速度，分(fēn)析試樣厚度及水流大(dà)小(xiǎo)對侵蝕過程及形态的影響。
結論：1.瞬時恒流下(xià)的向源侵蝕過程可分(fēn)爲侵蝕發展和侵蝕穩定兩個階段。2.瞬時水流速度越大(dà)，侵蝕區的形狀表現爲分(fēn)叉越多，最大(dà)侵蝕半徑越大(dà)。3.試樣越厚，向源侵蝕越容易在赫爾-肖氏薄闆中(zhōng)啓動；同時侵蝕區面積越大(dà)，半徑也越大(dà)。

關鍵詞組：向源侵蝕；動态發展；赫爾-肖氏薄闆；可視化；數字圖像處理技術