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

2023 Vol.24 No.4 P.299-386

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Microstructures and Micromechanics of Geomaterials

Guest Editor-in-Chief: Zhenyu YIN; Guest Editors: Pei WANG, Sheng DAI

Editorial

Editorial: Microstructures and micromechanics of geomaterials

Zhenyu YIN, Pei WANG, Sheng DAI

DOI: 10.1631/jzus.A2300MMG Downloaded: 346 Clicked: 407 Cited: 0 Commented: 0(p.299-302) <Full Text>

Chinese summary <20> 岩土材料的微觀結構和微觀力學

作者：尹振宇¹，王培¹，戴勝²
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.佐治亞理工(gōng)學院，土木與環境工(gōng)程系，美國亞特蘭大(dà)，30332 GA
概要：岩土材料（如黏土、砂土、岩石和混凝土等）在顆粒尺度上均具有獨特且明顯的微觀結構（如組構、粒徑、顆粒形狀、礦物(wù)組成、接觸模式和内部孔隙等）。這些顆粒尺度的微觀結構較難直接觀察，但對岩土材料的宏觀物(wù)理力學行爲（如剪切強度、壓縮性和滲透性等）有着顯著的影響。近年來，各種新型岩土工(gōng)程材料（如纖維增強土和生(shēng)物(wù)加固土）表現出更加複雜(zá)的微觀結構。岩土材料微觀結構對材料工(gōng)程性質的影響促使人們采用更加先進的理論、實驗和數值方法對其進行探索，從而大(dà)大(dà)加深了人們對宏微觀力學的認識與理解。爲分(fēn)享岩土材料微觀結構和微觀力學的最新研究進展，本專輯收集了在該研究領域具有代表性的研究成果，涵蓋了顆粒-顆粒和顆粒-流體(tǐ)相互作用、X射線計算機斷層掃描觀測技術及其應用、顆粒破碎和顆粒形狀的影響、岩石裂隙擴展等方面。希望本專輯能加強讀者對各個研究領域的理解，并進一(yī)步推動多場多尺度問題的應用和發展。

關鍵詞組：微觀結構；微觀力學；岩土材料

Research Articles

Effect of morphological gene mutation and decay on energy dissipation behaviour of granular soils

Wei XIONG, Qi-min ZHANG, Jian-feng WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200226 Downloaded: 797 Clicked: 1430 Cited: 0 Commented: 0(p.303-318) <Full Text> <PPT> 205

Chinese summary <19> 形貌基因突變與衰減對于顆粒材料能量耗散行爲的影響

作者：熊威¹，章琪敏¹，王劍鋒^1,2
機構：¹香港城市大(dà)學，建築與土木工(gōng)程系，中(zhōng)國香港；²香港城市大(dà)學深圳研究院，建築與土木工(gōng)程系，中(zhōng)國深圳，518057
目的：本文旨在探讨不同尺度顆粒形貌特征對于砂土應力-應變以及能量耗散行爲的影響。
方法：1.通過同步X射線計算斷層掃描實驗，提取高精度的真實顆粒形貌，并通過三維點雲表征；2.通過基于球諧分(fēn)析的主成分(fēn)分(fēn)析方法，構建不同尺度下(xià)顆粒形貌的突變與衰減；3.通過離(lí)散單元法仿真，模拟不同形貌試件的三軸剪切過程，并進一(yī)步讨論不同尺度顆粒形貌對于顆粒材料應力-應變以及能量耗散行爲的影響。
結論：1.通過比較較松散和較密實的試件，發現對于較松散試件，顆粒形貌對顆粒材料的初始剛度、應力-應變、體(tǐ)積應變和摩擦能量耗散等響應的影響更爲明顯；2.對于不同尺度下(xià)的顆粒形貌，局部圓度較長徑比對顆粒材料宏觀響應的影響更大(dà)；3.顆粒材料的能量耗散行爲由顆粒形貌和初始孔隙率共同決定。

關鍵詞組：X射線計算斷層掃描；球諧分(fēn)析；離(lí)散單元法；形貌基因突變；能量耗散

Experimental and numerical study of seepage-induced suffusion under K₀ stress state

Tuo WANG, Feng-shou ZHANG, Pei WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200198 Downloaded: 597 Clicked: 834 Cited: 0 Commented: 0(p.319-331) <Full Text>

Chinese summary <15> K₀應力狀态下(xià)滲流潛蝕試驗與數值研究

作者：王拓^1,2，張豐收^1,2，王培³
機構：¹同濟大(dà)學，岩土與地下(xià)工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國上海，200092；²同濟大(dà)學，土木工(gōng)程學院，地下(xià)工(gōng)程系，中(zhōng)國上海，200092；³香港理工(gōng)大(dà)學，土木與環境工(gōng)程系，中(zhōng)國香港，999077
目的：目前，潛蝕過程并不能被直接觀察到。本研究期望采用透明儀器直接觀察潛蝕的演化過程，探讨K₀應力狀态下(xià)間斷級配土的潛蝕過程。
創新點：1.研制出一(yī)個透明潛蝕儀器，可直接觀測間斷級配土的潛蝕過程；2.建立數值模型，擴展試驗參數，在顆粒尺度上解釋潛蝕規律。
方法：1.采用透明的潛蝕儀器，直接觀測間斷級配土的潛蝕過程，并記錄潛蝕質量；2.通過離(lí)散元數值模拟的方法，在顆粒尺度上揭示顆粒的遷移規律。
結論：1.随着侵蝕的進行，試樣内部形成侵蝕帶并逐漸擴大(dà)；從力鏈分(fēn)析可知(zhī)，細顆粒在水流作用下(xià)逐漸堆積在粗顆粒形成的孔隙中(zhōng)，并被粗顆粒堵塞。2.當侵蝕和阻塞區形成時，流速也逐漸局部化；在侵蝕區，孔隙度增大(dà)，流速普遍較快，但在阻塞區，流速較慢(màn)。3.參數分(fēn)析表明，最終潛蝕重量與水力梯度呈正相關關系，且潛蝕重量随K₀壓力的增大(dà)而減小(xiǎo)；随着細粉含量的增加，潛蝕重量增加。

關鍵詞組：潛蝕；間斷級配土；離(lí)散元法（DEM）；動态流體(tǐ)網格（DFM）

Examining the influence of the loading path on the cracking characteristics of a pre-fractured rock specimen with discrete element method simulation

Kang DUAN, Ri-hua JIANG, Xue-jian LI, Lu-chao WANG, Ze-ying YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200235 Downloaded: 786 Clicked: 906 Cited: 0 Commented: 0(p.332-349) <Full Text>

Chinese summary <14> 離(lí)散元法模拟研究加載路徑對預制裂縫岩石試樣裂紋擴展特性的影響

作者：段抗，姜日華，李雪劍，王路超，楊則英
機構：山東大(dà)學，土建與水利學院，中(zhōng)國濟南(nán)，250061
目的：結構面是岩體(tǐ)的重要組成部分(fēn)，其對岩體(tǐ)工(gōng)程結構的變形和失穩有着重要的影響。本文旨在探究加載路徑和圍壓對預制裂縫試樣裂紋擴展和強度的影響，揭示不同加載路徑下(xià)含預制裂縫岩石試樣的微觀破壞機理。
創新點：1.設計可以模拟各種工(gōng)程場景（如隧道、邊坡開(kāi)挖）下(xià)應力狀态變化的加載路徑，包括軸向加載試驗、圍壓卸載試驗和圍壓卸載伴随的軸向加載試驗；2.研究試樣裂紋擴展路徑及其與加載路徑和圍壓的關系；3.通過對局部應力集中(zhōng)和裂紋類型的分(fēn)析，探讨影響斷裂過程的微觀機制。
方法：1.基于試驗數據，開(kāi)展離(lí)散元模拟參數校準，實現對岩石試樣宏觀力學參數的再現（表3和圖4）；2.基于校準獲得微觀參數，并開(kāi)展三種加載路徑下(xià)預制裂縫岩石試樣數值模拟試驗，獲得加載路徑與圍壓對試樣裂紋擴展的影響（圖5~12）；3.通過分(fēn)析試樣加載過程的應力分(fēn)布以及微裂紋類型的占比，獲得預制裂縫試樣裂紋擴展的微觀機理（圖13~16）。
結論：1.預制裂縫岩石試樣加載過程中(zhōng)，裂紋擴展路徑與軌迹受圍壓與加載路徑的共同作用，圍壓的增大(dà)降低了加載路徑對裂紋擴展的影響。2.加載過程中(zhōng)，不同類型裂紋的産生(shēng)主要與不同局部應力的集中(zhōng)有關；在軸向加載條件下(xià)，會出現剪切應力的局部集中(zhōng)，抑制了張拉裂紋沿主應力方向擴展，但也會促進垂直于預制裂縫方向的剪切帶的産生(shēng)；卸圍壓的加載條件下(xià)會出現張拉應力的局部應力集中(zhōng)，進而促進細觀張拉裂紋的産生(shēng)。3.準靜态條件下(xià)，預制裂縫岩石試樣的失效階段可以通過Hoek-Brown準則進行預測。

關鍵詞組：裂紋擴展；加載路徑；裂隙岩體(tǐ)；離(lí)散元方法；局部應力集中(zhōng)

Discrete element method study of hysteretic behavior and deformation characteristics of rockfill material under cyclic loading

Mingchun LIN, Guanqi WANG, Jian ZHOU, Wei ZHOU, Ni AN, Gang MA

DOI: 10.1631/jzus.A2200286 Downloaded: 730 Clicked: 1072 Cited: 0 Commented: 0(p.350-365) <Full Text> <PPT> 207

Chinese summary <16> 循環荷載作用下(xià)堆石料滞回行爲及變形特性離(lí)散元研究

作者：林明春^1,2，王觀琪³，周劍⁴，周偉^1,2，安妮^1,2，馬剛^1,2
機構：¹武漢大(dà)學，水資(zī)源與水電工(gōng)程科學國家重點實驗室，中(zhōng)國武漢，430072；²武漢大(dà)學，水工(gōng)程科學研究院，中(zhōng)國武漢，430072；³中(zhōng)國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，中(zhōng)國成都，610072；⁴中(zhōng)國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,中(zhōng)國昆明，650051
目的：岩土顆粒材料在不同加載條件下(xià)表現出複雜(zá)的力學行爲，如滞回性。理解和掌握其滞回行爲及變形特性是建立具有良好變形預測能力的本構關系的基礎。本文旨在研究循環荷載下(xià)堆石料的變形特性，分(fēn)析試樣産生(shēng)殘餘變形的原因及導緻加卸載滞回圈逐漸重合的細觀機理，研究不同加載條件（圍壓、應力水平、加卸載幅度和循環次數）對回彈模量的影響，爲建立适用于堆石料的本構關系提供理論指導。
創新點：1.分(fēn)析循環荷載下(xià)堆石料試樣産生(shēng)殘餘變形的原因，揭示導緻加卸載條件下(xià)應力滞回圈逐漸靠近并重合的細觀機理；2.提出綜合考慮圍壓、應力水平和加卸載幅度影響的回彈模量函數表達式。
方法：1.采用離(lí)散元數值模拟方法對堆石料細觀模拟參數進行率定，并開(kāi)展不同加載條件的循環加卸載數值試驗（圖6和12）；2.研究循環作用下(xià)顆粒配位數、孔隙率及顆粒破碎行爲，并分(fēn)析産生(shēng)殘餘變形的原因及導緻加卸載滞回圈逐漸重合的細觀機理（圖9）；3.研究不同圍壓、應力水平、加卸載幅度和加卸載循環次數對塑性應變累積及回彈模量的影響，并提出考慮不同加載條件的回彈模量表達式（公式（14））。
結論：1.循環荷載條件下(xià)堆石料宏觀應力和體(tǐ)變存在滞回行爲，且與圍壓、應力水平、加卸載幅度和循環次數密切相關。2.堆石料試樣中(zhōng)無承載能力的顆粒的數量随循環荷載逐漸增加是産生(shēng)殘餘應變的原因；孔隙率随循環次數增加呈緩慢(màn)變化并逐漸穩定，在宏觀上反映爲滞回圈逐漸重合。3.根據圍壓、應力水平及加卸載幅度對塑性應變累積及回彈模量的影響，提出了綜合考慮不同加載條件影響的回彈模量表達式。

關鍵詞組：顆粒材料；離(lí)散元方法；塑性變形；循環荷載；滞回行爲

Regular papers

Optimal slag content for geopolymer composites under freeze-thaw cycles with different freezing temperatures

Lifeng FAN, Weiliang ZHONG, Guang WANG, Yan XI

DOI: 10.1631/jzus.A2200437 Downloaded: 411 Clicked: 620 Cited: 0 Commented: 0(p.366-376) <Full Text> <PPT> 244

Chinese summary <19> 不同凍結溫度的凍融循環作用下(xià)地聚物(wù)複合材料最佳礦渣摻量研究

作者：範立峰，鍾惟亮，王廣，席岩
機構：北(běi)京工(gōng)業大(dà)學，城市建設學部，中(zhōng)國北(běi)京，100124
目的：提高地聚物(wù)的抗凍融循環性能對确保地聚物(wù)在寒區中(zhōng)的耐久性具有重要意義。本文旨在研究凍結溫度對礦渣改性的偏高嶺土基地聚物(wù)物(wù)理和力學性能的影響，以期爲地聚物(wù)在寒區中(zhōng)的實際應用和耐久性評估提供參考。
創新點：1.提出了凍融循環條件下(xià)地聚物(wù)複合材料的最佳礦渣含量；2.發現礦渣的摻入可以抑制地聚物(wù)在寒冷環境中(zhōng)的開(kāi)裂，提高地聚物(wù)複合材料的抗凍融性。
方法：1.制備不同礦渣的纖維增強聚合物(wù)并對其開(kāi)展三種凍結溫度的凍融循環試驗；2.分(fēn)析不同礦渣的纖維增強聚合物(wù)的孔隙結構特性；3.分(fēn)析凍融循環後不同礦渣的纖維增強聚合物(wù)的物(wù)理力學性能；4.提出凍融循環作用下(xià)地聚物(wù)複合材料的最佳礦渣含量。
結論：1.随着礦渣含量的增加，地聚物(wù)複合材料的孔隙率降低，且凝膠孔和過渡孔均逐漸減小(xiǎo)；2.凍融循環後，地聚物(wù)複合材料中(zhōng)的裂縫寬度和數量都随着礦渣含量的增加而減少，表明礦渣的摻入可以抑制地聚物(wù)在寒冷環境中(zhōng)的開(kāi)裂；3.礦渣的摻入可以顯著降低地聚物(wù)複合材料在凍融循環後的質量損失率和強度損失率，進而提高地聚物(wù)複合材料的抗凍融性；4.40.0%和50.0%礦渣含量的地聚物(wù)複合材料在凍融循環後仍能保持較高的力學性能。

關鍵詞組：地聚物(wù)複合材料；凍融循環；凍結溫度；礦渣摻量

Coupling functional anodes with natural air-diffused cathodes enables highly efficient hydrogen peroxide electrosynthesis

Chen LING, Aiping LIANG, Chaolin LI, Wenhui WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200566 Downloaded: 454 Clicked: 617 Cited: 0 Commented: 0(p.377-386) <Full Text> <PPT> 192

Chinese summary <18> 功能化陽極耦合自然空氣擴散陰極高效電合成過氧化氫

作者：淩晨¹，梁愛萍¹，李朝林^1,2，王文輝¹
機構：¹哈爾濱工(gōng)業大(dà)學（深圳），土木與環境工(gōng)程學院，中(zhōng)國深圳，518055；²哈爾濱工(gōng)業大(dà)學，環境學院，城市水資(zī)源與水環境國家重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱，150090
目的：電化學合成過氧化氫（H₂O₂）是一(yī)種極具應用前景的分(fēn)散式生(shēng)産方法，但因傳統的單極電合成電流效率不高，其發展受到了嚴重限制。本文旨在通過自組裝單層膜修飾碳纖維紙(zhǐ)制備高效二電子水氧化合成過氧化氫的陽極，同時耦合負載聚四氟乙烯/炭黑的自然空氣擴散陰極，實現陰陽極同步電合成過氧化氫，從而大(dà)幅度提高其電流效率。
創新點：1.通過自組裝單層膜修飾碳纖維紙(zhǐ)制備功能化陽極高效二電子水氧化合成過氧化氫；2.耦合陽極和陰極大(dà)幅度提高電合成過氧化氫的電流效率。
方法：1.利用自組裝單層膜修飾碳纖維紙(zhǐ)制備功能化陽極，通過物(wù)化性能表征确定電極的結構特征（圖1），并通過活性、選擇性等指标考察電極的二電子水氧化性能（圖2）；2.制備負載聚四氟乙烯/炭黑的自然空氣擴散陰極，并通過電化學性能表征确定最佳的物(wù)料配比（圖3）；3.耦合功能化陽極和自然空氣擴散陰極，并通過電流效率、産率、穩定性等指标評估體(tǐ)系電合成過氧化氫的性能（圖4和表1）。
結論：1.利用自組裝單層膜修飾碳纖維紙(zhǐ)制備高效的二電子水氧化陽極；陽極過氧化氫的選擇性爲62.1%，産率爲12.6 μmol/(min·cm²)。2.确定自然空氣擴散陰極上聚四氟乙烯與炭黑的比例爲0.6，并将其與功能化陽極耦合同步電合成過氧化氫，所得電流效率高達152.9%，且産率達到38 μmol/min。

關鍵詞組：二電子水氧化；二電子氧還原；自組裝單層膜；過氧化氫；電合成