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.7 P.557-652

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Numerical investigation of the effect of geosynthetic clay liner chemical incompatibility on flow and contaminant transport through a defective composite liner

Shiyuan YAO, Yuchao LI, Shan TONG, Guannian CHEN, Yunmin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200416 Downloaded: 731 Clicked: 858 Cited: 0 Commented: 0(p.557-568) <Full Text> <PPT> 197

Chinese summary <18> 膨潤土防水毯化學相容性對通過帶缺陷複合襯墊中(zhōng)的滲流及污染物(wù)遷移影響的數值研究

作者：姚士元¹，李育超¹，仝杉¹，陳冠年^1，2,3，陳雲敏¹
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，軟弱土與環境土工(gōng)教育部重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058；²甯波大(dà)學，土木與環境工(gōng)程與地理科學學院，中(zhōng)國甯波，315211；³甯波中(zhōng)淳高科股份有限公司，中(zhōng)國甯波，315211
目的：考慮膨潤土防水毯（GCL）的化學相容性會影響帶缺陷的複合襯墊中(zhōng)的滲流與污染物(wù)遷移。本文旨在探讨GCL的化學不相容性對複合襯墊的防污性能（襯墊底部的滲漏量以及污染物(wù)通量）産生(shēng)的影響并分(fēn)析導緻這種影響産生(shēng)的機理。
創新點：1.采用邏輯斯蒂函數模型拟合GCL滲透系數與無機滲濾液中(zhōng)鹽濃度之間的關系；2.在計算模型中(zhōng)引入GCL滲透系數與孔隙水濃度的耦合曲線，模拟了在考慮GCL化學不相容性條件下(xià)複合襯墊中(zhōng)的滲流與污染物(wù)遷移過程；3.采用計算過程中(zhōng)襯墊内各物(wù)理量的實時變化表征了GCL化學不相容性的影響機理。
方法：1.通過數據收集、歸納與拟合得到GCL滲透系數在無機鹽溶液中(zhōng)與溶液濃度之間的關系（圖1和3，公式（5））；2.通過建立數值模型并引入GCL滲透系數與孔隙水濃度的耦合曲線，模拟在考慮GCL化學不相容性條件下(xià)複合襯墊中(zhōng)的滲流與污染物(wù)遷移過程，計算GCL化學不相容性對複合襯墊防污性能的影響大(dà)小(xiǎo)（圖5）；3.通過對污染物(wù)遷移過程中(zhōng)襯墊内的濃度、水頭、流速以及通量分(fēn)布的分(fēn)析，得到GCL化學相容性影響襯墊性能的機理（圖6~10）。
結論：1.在評估帶缺陷複合襯墊防污性能時，尤其是對于含高濃度無機陽離(lí)子滲濾液的填埋場，有必要考慮GCL的化學不相容性；2.GCL的化學不相容性會導緻孔洞正下(xià)方GCL中(zhōng)流速與通量明顯增加，以及潤濕區半徑減小(xiǎo)；3. GCL中(zhōng)化學不相容性的影響區域很小(xiǎo)，在所有考慮的工(gōng)況中(zhōng)均小(xiǎo)于0.1m，且化學不相容性導緻GCL滲透系數會在極短的時間内迅速增高；4. GCL的化學不相容性顯著增加了通過複合襯墊的對流通量與擴散通量的比值。

關鍵詞組：複合襯墊；化學相容性；滲漏；污染物(wù)遷移；滲透系數

Monotonic uplift behavior of anchored pier foundations in soil overlying rock

Yizhou SUN, Honglei SUN, Chong TANG, Yuanqiang CAI, Feng PAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200446 Downloaded: 683 Clicked: 690 Cited: 0 Commented: 0(p.569-583) <Full Text> <PPT> 148

Chinese summary <11> 上覆土層岩石錨墩基礎單調上拔承載特性研究

作者：孫義舟¹，孫宏磊²，唐沖³，蔡袁強²，潘峰⁴
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；²浙江工(gōng)業大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310014；³大(dà)連理工(gōng)大(dà)學，海岸和近海工(gōng)程國家重點實驗室，中(zhōng)國大(dà)連，116024；⁴中(zhōng)國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，中(zhōng)國杭州，310012
目的：山區廣泛存在上覆土層下(xià)卧岩層的地質情況。在基礎工(gōng)程建設上，爲了滿足抗拔和下(xià)壓承載力要求，在這種場地采用傳統單一(yī)形式的挖孔樁基礎往往需要嵌入岩層，施工(gōng)難度大(dà)，且經濟性差，而采用岩石群錨基礎又(yòu)會導緻土層大(dà)開(kāi)挖，浪費(fèi)土體(tǐ)承載力，且破壞環境。因此，一(yī)種由墩基礎和群錨基礎組成的錨墩基礎被提出。在土層中(zhōng)采用墩基礎、在岩層中(zhōng)補充群錨基礎的方式，适用于山區"上土下(xià)岩"地質。該方式不僅能滿足承載要求、優化傳力機制，且施工(gōng)難度小(xiǎo)、經濟性好。然而，錨墩基礎屬于新型基礎，目前關于其上拔承載機理的研究還較少。本文旨在通過三個全尺寸錨墩基礎現場單調上拔試驗，分(fēn)析承載機理，探究破壞模式，并提出承載力和承載發揮系數計算方法，爲工(gōng)程應用提供參考。
創新點：1.通過分(fēn)析現場試驗結果，提出錨墩基礎上拔承載傳力機理和破壞模式；2.基于荷載傳遞微分(fēn)方程和變形協調，提出錨墩基礎上拔承載發揮系數計算方法。
方法：1.通過試驗結果分(fēn)析，得到錨墩基礎上拔承載力-位移曲線，确定極限承載狀态和服役極限狀态，并基于切線法确定抗拔承載力；2.通過現場試驗現象分(fēn)析，結合國内外(wài)已有樁基礎、墩基礎、群錨基礎的研究結論，提出錨墩基礎傳力機理和上拔承載極限狀态破壞模式；3.通過理論推導，基于荷載傳遞微分(fēn)方程和變形協調，提出錨墩基礎上拔承載發揮系數k值的計算方法，并結合本研究現場試驗結果和國内外(wài)已發表的類似基礎試驗結果，驗證方法的可行性和有效性。
結論：1.錨墩的抗拔承載力主要由墩和群錨基礎兩部分(fēn)提供；2.率先達到極限抗拔承載力的部分(fēn)是錨墩基礎服役極限狀态的控制因素；3.錨墩基礎在上拔承載極限狀态的破壞模式是墩和群錨基礎的破壞模式組合；4.可根據地質條件對錨墩基礎的設計進行靈活調整，且設計應包括荷載分(fēn)擔分(fēn)析，以确定服役極限狀态和設計抗拔承載力；5.通過将地質條件和工(gōng)況代入本文所提理論方法計算得到的承載發揮系數與實測結果吻合度較好，可爲錨墩基礎的抗拔承載力計算和設計提供參考。

關鍵詞組：抗拔承載力；錨墩基礎；擴底墩；岩石錨杆；上拔承載發揮系數

Fractal analysis of small-micro pores and estimation of permeability of loess using mercury intrusion porosimetry

Tuo LU, Yaming TANG, Yongbo TIE, Bo HONG, Wei FENG

DOI: 10.1631/jzus.A2200528 Downloaded: 428 Clicked: 1027 Cited: 0 Commented: 0(p.584-595) <Full Text> <PPT> 230

Chinese summary <10> 基于壓汞試驗的黃土小(xiǎo)微孔分(fēn)維分(fēn)析及滲透評價

作者：魯拓^1,2，唐亞明³，鐵永波⁴，洪勃³，馮衛³
機構：¹中(zhōng)國地質科學院，中(zhōng)國北(běi)京，100037；²中(zhōng)國地質大(dà)學（北(běi)京），水資(zī)源與環境學院，中(zhōng)國北(běi)京，100083；³中(zhōng)國地質調查局西安地質調查中(zhōng)心，中(zhōng)國西安，710054；⁴中(zhōng)國地質調查局成都地質調查中(zhōng)心，中(zhōng)國成都，610081
目的：基于壓汞法（MIP）的6種分(fēn)形模型常被用來研究多孔介質的分(fēn)形特征，但是這些模型中(zhōng)的大(dà)多數并不能直接适用于黃土的小(xiǎo)微孔，且小(xiǎo)微孔隙對水的滲流吼道有顯著影響。本文旨在結合常規變水頭滲透試驗、MIP分(fēn)析和掃描電鏡（SEM）圖像等，研究小(xiǎo)微孔及其飽和滲透特性，并驗證6種MIP分(fēn)形模型是否可用于評估原狀黃土的微結構類型和飽和滲透特征。
創新點：1.結合飽和滲透系數和SEM圖像計盒維數等參數進行相關性分(fēn)析和顯著性檢驗，以确定最适合黃土小(xiǎo)微孔的MIP分(fēn)形模型；2.建立SEM分(fēn)形維數和MIP分(fēn)形維數的耦合，并結合黏粒含量，對原狀黃土微結構類型進行分(fēn)類和對飽和滲透系數從1×10^?4cm/s變到1×10^?5cm/s進行評價。
方法：1.通過壓汞試驗和6種MIP分(fēn)形模型公式，得出原狀黃土小(xiǎo)微孔隙在不同分(fēn)形模型下(xià)的分(fēn)形維數。2.通過SEM圖像和計盒維數計算得出原狀黃土小(xiǎo)微孔隙的二維分(fēn)形維數。
結論：1.模型2（Neimark模型）對小(xiǎo)微孔隙顯示出非常好的線性拟合（拟合系數大(dà)于0.94）；其分(fēn)形維數值與黏土含量、密度和飽和滲透系數呈強正相關，并與SEM圖像的計盒維數相匹配。2.黏土顆粒含量高會導緻小(xiǎo)微孔數量增加；這些小(xiǎo)微孔會導緻孔隙結構的表面粗糙度和不均勻性增加，從而呈現出較大(dà)的分(fēn)形維數；這一(yī)過程最終導緻大(dà)中(zhōng)孔隙和主導流線減少，從而降低飽和滲透性。3.本研究提出了新的分(fēn)維橢圓及其面積比（^*EAR）參數，其中(zhōng)兩個主要的半軸由Neimark模型的結果（減2）和計盒維數（減1）組成；^*EAR和黏土含量可作爲定量評價黃土微結構類型和飽和滲透性的有效參數；當^*EAR在35%至50%之間、黏土含量在9%至15%之間時，原狀黃土微觀結構從Ⅰ型轉變爲Ⅱ型；當^*EAR大(dà)于50%、黏土含量大(dà)于15%時，微結構進一(yī)步從Ⅱ型轉變爲Ⅲ型；相應地，飽和滲透系數從1×10^?4cm/s轉變爲1×10^?5cm/s。

關鍵詞組：馬蘭黃土；分(fēn)形模型；小(xiǎo)微孔；壓汞試驗；微結構；飽和滲透系數

Underwater minirobots actuated by hybrid driving method

Xinghong YE, Yang YANG, Pengcheng JIAO, Zhiguo HE, Lingwei LI

DOI: 10.1631/jzus.A2300056 Downloaded: 418 Clicked: 584 Cited: 0 Commented: 0(p.596-611) <Full Text> <PPT> 169

Chinese summary <12> 基于混合驅動技術的水下(xià)小(xiǎo)型機器人

作者：葉星宏¹，楊旸^1，3，焦鵬程^1，2，賀治國^1，2，4，李靈炜¹
機構：¹浙江大(dà)學，海洋學院，港口海岸與近海工(gōng)程研究所，中(zhōng)國舟山，316021；²浙江大(dà)學，海洋感知(zhī)技術與裝備教育部工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國舟山，316021；³新加坡國立大(dà)學，生(shēng)物(wù)醫學工(gōng)程系，新加坡，119077；⁴浙江大(dà)學，海洋岩土工(gōng)程與材料浙江省重點實驗室，中(zhōng)國舟山，316021
目的：水下(xià)機器人運動時會受到水下(xià)環境中(zhōng)局部水流方向和流速的無規則變化等随機因素的幹擾，并且其在水中(zhōng)的運動過程本身是一(yī)個強耦合的非線性系統，因此對水下(xià)機器人的動力驅動性能提出了較高的要求。本文旨在探索一(yī)種水下(xià)混合驅動技術，即将化學放(fàng)能反應軟體(tǐ)驅動器與螺旋槳推進器耦合，提升水下(xià)機器人動力驅動性能，以實現快速、靈活且可靠的水下(xià)運動表現。
創新點：1.提出了一(yī)種水下(xià)混合驅動技術，即将化學放(fàng)能反應驅動（柔性）與螺旋槳驅動（剛性）相結合，且所提出的由剛性-柔性驅動協同運作的混合驅動技術能夠結合兩種驅動方式的優勢特點，完成其中(zhōng)任一(yī)單一(yī)驅動方式無法實現的水下(xià)運動表現；2.建立了混合驅動水下(xià)小(xiǎo)型機器人運動過程的數值模拟和機理分(fēn)析模型，成功模拟了混合驅動機器人水下(xià)運動全過程，并定量研究了混合驅動技術的驅動性能和運動表現。
方法：1.通過實驗研究，完成混合驅動水下(xià)小(xiǎo)型機器人的設計制造及運動測試（圖1~8）；2.建立運動過程的數值模拟模型，定量研究混合驅動水下(xià)小(xiǎo)型機器人的動力學表現（圖9）；3.建立運動過程的理論推導模型（公式(1)~(8)），揭示混合驅動水下(xià)小(xiǎo)型機器人的驅動及運動過程的力學原理（圖10），并對比驗證實驗、數模和理論結果，驗證所提方法的可行性和有效性（圖11）。
結論：1.混合驅動水下(xià)小(xiǎo)型機器人能實現瞬時彈射，然後保持上升、轉向或懸停于某一(yī)位置，具有優異的快速響應驅動能力且能滿足水下(xià)運動多自由度要求；2.與現有混合驅動技術研究相比，所報道的混合驅動技術具有更強的運行可靠性和快速響應能力；3.化學放(fàng)能反應驅動的極高驅動加速度，能夠幫助水下(xià)機器人在面臨被地形卡死或被水生(shēng)植物(wù)纏繞等複雜(zá)情況時成功擺脫，或實現水下(xià)瞬間啓動和制動、瞬間轉向和避障等；4.螺旋槳推進驅動的機動性和持續性能夠幫助機器人在水下(xià)穩定作業，實現水下(xià)監測等潛在應用。

關鍵詞組：混合驅動技術；水下(xià)小(xiǎo)型機器人；快速響應驅動；運動可靠性

Square cavity flow driven by two mutually facing sliding walls

Bo AN, Josep M. BERGADÀ, Weimin SANG, Dong LI, F. MELLIBOVSKY

DOI: 10.1631/jzus.A2200447 Downloaded: 640 Clicked: 653 Cited: 0 Commented: 0(p.612-624) <Full Text> <PPT> 194

Chinese summary <9> 雙邊反向驅動内流過渡流特性研究

作者：安博^1,2,3，Josep M. BERGADà⁴，桑爲民¹，李棟¹，F. MELLIBOVSKY⁵
機構：¹西北(běi)工(gōng)業大(dà)學,航空學院，中(zhōng)國西安，710072；²翼型、葉栅空氣動力學國家重點實驗室，中(zhōng)國西安，710072；³中(zhōng)國空氣動力研究與發展中(zhōng)心，結冰與防除冰重點實驗室，中(zhōng)國綿陽，621000；⁴加泰羅尼亞理工(gōng)大(dà)學，流體(tǐ)力學系，西班牙巴塞羅那，08034；⁵加泰羅尼亞理工(gōng)大(dà)學，航空航天工(gōng)程部，物(wù)理系，西班牙巴塞羅那，08034
目的：探究雙邊驅動方腔内流流場的過渡流臨界特性，捕捉各種流動分(fēn)岔點，分(fēn)析其對流場特性帶來的改變。确定流場演化模式，解釋流動現象後的流動機理。通過流場拓撲結構和渦系演化分(fēn)析流場穩定性與對稱性的關系。
創新點：1.首次揭示驅動速度比對該流場過渡流臨界特性的影響規律；2.從物(wù)理層面上闡明流動本質。
方法：1.以均勻直角網格構建計算域，通過基于格子玻爾茲曼方法的數值模拟方法，計算各流動狀态發生(shēng)變化時的臨界雷諾數。根據不同驅動速度比，繪制Hopf和Neimark-Sacker流動分(fēn)岔點以及湍流臨界點随速度比的函數圖像（圖9）；2.通過擾動衰減系數、速度相圖、速度頻(pín)譜分(fēn)析來判斷流動是否由定常變爲非定常周期性流動，再由周期性流動變爲準周期性流動直至演化爲湍流；3.通過流場拓撲結構分(fēn)析流場對稱性的破壞與不穩定性的關系；4.通過能量頻(pín)譜圖像分(fēn)析流動的能量級串現象（圖11）。
結論：1.跟預期一(yī)樣，該流場的穩定性喪失總是伴随着Hopf流動分(fēn)岔點的出現；2.相較于頂蓋驅動内流流場，雙邊驅動内流流場的穩定性較強，說明第二條邊的驅動條件可以有效提高流場的穩定性；3.當時，流場穩定性最強，同時當雙邊驅動條件相同時可以更好的提高流場穩定性；4.不管驅動速度比如何變，流場始終展現了經典的Ruelle-Takens模式，從定常流動演化至非定常周期性流動，再由周期性流動演化至準周期性流動，最終演化爲湍流；5.180度的旋轉對稱性對于推遲湍流的出現有很大(dà)作用。

關鍵詞組：雙邊驅動方腔内流；驅動速度比；過渡流臨界特性；渦系拓撲結構；能量級串

Bogie active stability simulation and scale rig test based on frame lateral vibration control

Yadong SONG, Hu LI, Jun CHENG, Yuan YAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200127 Downloaded: 897 Clicked: 1223 Cited: 0 Commented: 158(p.625-636) <Full Text> <PPT> 264

Chinese summary <13> 基于構架橫向振動的轉向架主動穩定性仿真與滾動比例試驗台實驗研究

作者：宋亞東，李虎，程俊，姚遠
機構：西南(nán)交通大(dà)學，牽引動力國家重點實驗室，中(zhōng)國成都，610031
目的：本文提出了一(yī)種基于構架橫向振動控制的高速列車(chē)轉向架主動穩定性方法，來提高鐵路車(chē)輛高速運行時的穩定性和臨界速度。
創新點：1.通過轉向架橫向動力學模型，根據構架振動反饋控制策略，建立了轉向架動力學主動控制系統，利用兩個慣性做動器直接向構架的前後端梁施加主動控制力；2.搭建了轉向架1:5比例滾動試驗台，對仿真結果進行實驗驗證。
方法：1.仿真模拟，建立了轉向架橫向動力學主動控制系統的狀态空間方程，對不同控制參數和時滞下(xià)系統穩定性進行仿真分(fēn)析；2.理論分(fēn)析，研究了控制時滞和懸挂參數對轉向架穩定性的影響機理；3.實驗分(fēn)析，通過轉向架1:5比例的滾動試驗台進行主動穩定性試驗驗證。
結論：1.本文提出的構架橫向振動主動控制可以有效地提高轉向架系統在高速下(xià)的蛇行穩定裕度，其中(zhōng)構架速度反饋比位移反饋對穩定性的影響更大(dà)；2.控制系統中(zhōng)的時滞對穩定性影響機理不同，較小(xiǎo)的延遲（5 ms左右）會導緻構架振動的高頻(pín)模态失穩，而較大(dà)的延遲（30 ms以上）會導緻轉向架低頻(pín)的蛇行模态失穩；3.考慮主動懸挂系統時滞，原有的被動懸挂參數對轉向架穩定性的影響也會發生(shēng)改變（圖5）。

關鍵詞組：鐵路車(chē)輛；轉向架；主動穩定性；比例試驗台；時滞分(fēn)析

Analytical solution of ground-borne vibration due to a spatially periodic harmonic moving load in a tunnel embedded in layered soil

Lihui XU, Meng MA

DOI: 10.1631/jzus.A2200385 Downloaded: 664 Clicked: 881 Cited: 0 Commented: 0(p.637-652) <Full Text> <PPT> 205

Chinese summary <13> 隧道結構作用移動周期簡諧荷載時的地表振動響應解析解

作者：徐利輝^1,2，馬蒙^1,2
機構：¹北(běi)京交通大(dà)學，城市地下(xià)工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京，100044；²北(běi)京交通大(dà)學，土木建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國北(běi)京，100044
目的：地鐵列車(chē)運行時誘發的振動會對周圍環境造成不利影響。本文旨在提出适用于振動預測的周期性隧道-地層耦合解析模型，探讨各種參數（地層參數、隧道參數、荷載參數等）對振動響應的影響，研究振動的傳播規律，爲減振設計提供理論依據。
創新點：1.根據平面波與柱面波之間的轉換關系，推導适用于環境振動預測的周期性隧道-地層耦合解析模型；2.通過參數分(fēn)析，明确移動周期簡諧荷載下(xià)振動響應的規律及各種參數的影響。
方法：1.通過理論推導和考慮隧道結構與層狀土間的動力相互作用，獲得移動周期簡諧荷載下(xià)動力響應的計算方法（公式(19)）；2.通過對比驗證，以及根據現有移動常力及移動簡諧荷載的動力響應結果，驗證所提模型的準确性及高效性（圖4~6）；3.通過參數分(fēn)析，設置工(gōng)程常見的參數（地層參數、隧道參數和荷載參數等），得到移動周期簡諧荷載下(xià)的振動響應規律及各種參數的影響（圖7~16）。
結論：1.所提周期性隧道-地層耦合解析模型的計算效率高，預測結果準确，可用于地鐵列車(chē)振動環境影響預測。2.由于荷載移動效應及多普勒效應，荷載參數影響振動響應主頻(pín)及頻(pín)率分(fēn)布帶寬，但地層參數及隧道參數的影響較小(xiǎo)。3.增加隧道埋深是降低地表振動水平的有效措施。4.地表一(yī)定距離(lí)處的振動水平高于隧道正上方，即出現振動放(fàng)大(dà)區；環評時應當重點關注放(fàng)大(dà)區内的振動水平，避免不利影響。

關鍵詞組：隧道-地層耦合模型；周期荷載；傳遞矩陣法；波轉換關系；參數分(fēn)析