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: 709 Clicked: 820 Cited: 0 Commented: 0(p.557-568) <Full Text> <PPT> 181

Chinese summary <18> 膨润土防水毯化学相容性对通过带缺陷复合衬垫中的渗流及污染物迁移影响的数值研究

作者：姚士元¹，李育超¹，仝杉¹，陈冠年^1，2,3，陈云敏¹
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058；²宁波大学，土木与环境工程与地理科学学院，中国宁波，315211；³宁波中淳高科股份有限公司，中国宁波，315211
目的：考虑膨润土防水毯（GCL）的化学相容性会影响带缺陷的复合衬垫中的渗流与污染物迁移。本文旨在探讨GCL的化学不相容性对复合衬垫的防污性能（衬垫底部的渗漏量以及污染物通量）产生的影响并分析导致这种影响产生的机理。
创新点：1.采用逻辑斯蒂函数模型拟合GCL渗透系数与无机渗滤液中盐浓度之间的关系；2.在计算模型中引入GCL渗透系数与孔隙水浓度的耦合曲线，模拟了在考虑GCL化学不相容性条件下复合衬垫中的渗流与污染物迁移过程；3.采用计算过程中衬垫内各物理量的实时变化表征了GCL化学不相容性的影响机理。
方法：1.通过数据收集、归纳与拟合得到GCL渗透系数在无机盐溶液中与溶液浓度之间的关系（图1和3，公式（5））；2.通过建立数值模型并引入GCL渗透系数与孔隙水浓度的耦合曲线，模拟在考虑GCL化学不相容性条件下复合衬垫中的渗流与污染物迁移过程，计算GCL化学不相容性对复合衬垫防污性能的影响大小（图5）；3.通过对污染物迁移过程中衬垫内的浓度、水头、流速以及通量分布的分析，得到GCL化学相容性影响衬垫性能的机理（图6~10）。
结论：1.在评估带缺陷复合衬垫防污性能时，尤其是对于含高浓度无机阳离子渗滤液的填埋场，有必要考虑GCL的化学不相容性；2.GCL的化学不相容性会导致孔洞正下方GCL中流速与通量明显增加，以及润湿区半径减小；3. GCL中化学不相容性的影响区域很小，在所有考虑的工况中均小于0.1m，且化学不相容性导致GCL渗透系数会在极短的时间内迅速增高；4. GCL的化学不相容性显著增加了通过复合衬垫的对流通量与扩散通量的比值。

关键词组：复合衬垫；化学相容性；渗漏；污染物迁移；渗透系数

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: 660 Clicked: 673 Cited: 0 Commented: 0(p.569-583) <Full Text> <PPT> 139

Chinese summary <11> 上覆土层岩石锚墩基础单调上拔承载特性研究

作者：孙义舟¹，孙宏磊²，唐冲³，蔡袁强²，潘峰⁴
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；²浙江工业大学，土木工程学院，中国杭州，310014；³大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，中国大连，116024；⁴中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，中国杭州，310012
目的：山区广泛存在上覆土层下卧岩层的地质情况。在基础工程建设上，为了满足抗拔和下压承载力要求，在这种场地采用传统单一形式的挖孔桩基础往往需要嵌入岩层，施工难度大，且经济性差，而采用岩石群锚基础又会导致土层大开挖，浪费土体承载力，且破坏环境。因此，一种由墩基础和群锚基础组成的锚墩基础被提出。在土层中采用墩基础、在岩层中补充群锚基础的方式，适用于山区"上土下岩"地质。该方式不仅能满足承载要求、优化传力机制，且施工难度小、经济性好。然而，锚墩基础属于新型基础，目前关于其上拔承载机理的研究还较少。本文旨在通过三个全尺寸锚墩基础现场单调上拔试验，分析承载机理，探究破坏模式，并提出承载力和承载发挥系数计算方法，为工程应用提供参考。
创新点：1.通过分析现场试验结果，提出锚墩基础上拔承载传力机理和破坏模式；2.基于荷载传递微分方程和变形协调，提出锚墩基础上拔承载发挥系数计算方法。
方法：1.通过试验结果分析，得到锚墩基础上拔承载力-位移曲线，确定极限承载状态和服役极限状态，并基于切线法确定抗拔承载力；2.通过现场试验现象分析，结合国内外已有桩基础、墩基础、群锚基础的研究结论，提出锚墩基础传力机理和上拔承载极限状态破坏模式；3.通过理论推导，基于荷载传递微分方程和变形协调，提出锚墩基础上拔承载发挥系数k值的计算方法，并结合本研究现场试验结果和国内外已发表的类似基础试验结果，验证方法的可行性和有效性。
结论：1.锚墩的抗拔承载力主要由墩和群锚基础两部分提供；2.率先达到极限抗拔承载力的部分是锚墩基础服役极限状态的控制因素；3.锚墩基础在上拔承载极限状态的破坏模式是墩和群锚基础的破坏模式组合；4.可根据地质条件对锚墩基础的设计进行灵活调整，且设计应包括荷载分担分析，以确定服役极限状态和设计抗拔承载力；5.通过将地质条件和工况代入本文所提理论方法计算得到的承载发挥系数与实测结果吻合度较好，可为锚墩基础的抗拔承载力计算和设计提供参考。

关键词组：抗拔承载力；锚墩基础；扩底墩；岩石锚杆；上拔承载发挥系数

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: 400 Clicked: 975 Cited: 0 Commented: 0(p.584-595) <Full Text> <PPT> 220

Chinese summary <10> 基于压汞试验的黄土小微孔分维分析及渗透评价

作者：鲁拓^1,2，唐亚明³，铁永波⁴，洪勃³，冯卫³
机构：¹中国地质科学院，中国北京，100037；²中国地质大学（北京），水资源与环境学院，中国北京，100083；³中国地质调查局西安地质调查中心，中国西安，710054；⁴中国地质调查局成都地质调查中心，中国成都，610081
目的：基于压汞法（MIP）的6种分形模型常被用来研究多孔介质的分形特征，但是这些模型中的大多数并不能直接适用于黄土的小微孔，且小微孔隙对水的渗流吼道有显著影响。本文旨在结合常规变水头渗透试验、MIP分析和扫描电镜（SEM）图像等，研究小微孔及其饱和渗透特性，并验证6种MIP分形模型是否可用于评估原状黄土的微结构类型和饱和渗透特征。
创新点：1.结合饱和渗透系数和SEM图像计盒维数等参数进行相关性分析和显著性检验，以确定最适合黄土小微孔的MIP分形模型；2.建立SEM分形维数和MIP分形维数的耦合，并结合黏粒含量，对原状黄土微结构类型进行分类和对饱和渗透系数从1×10^?4cm/s变到1×10^?5cm/s进行评价。
方法：1.通过压汞试验和6种MIP分形模型公式，得出原状黄土小微孔隙在不同分形模型下的分形维数。2.通过SEM图像和计盒维数计算得出原状黄土小微孔隙的二维分形维数。
结论：1.模型2（Neimark模型）对小微孔隙显示出非常好的线性拟合（拟合系数大于0.94）；其分形维数值与黏土含量、密度和饱和渗透系数呈强正相关，并与SEM图像的计盒维数相匹配。2.黏土颗粒含量高会导致小微孔数量增加；这些小微孔会导致孔隙结构的表面粗糙度和不均匀性增加，从而呈现出较大的分形维数；这一过程最终导致大中孔隙和主导流线减少，从而降低饱和渗透性。3.本研究提出了新的分维椭圆及其面积比（^*EAR）参数，其中两个主要的半轴由Neimark模型的结果（减2）和计盒维数（减1）组成；^*EAR和黏土含量可作为定量评价黄土微结构类型和饱和渗透性的有效参数；当^*EAR在35%至50%之间、黏土含量在9%至15%之间时，原状黄土微观结构从Ⅰ型转变为Ⅱ型；当^*EAR大于50%、黏土含量大于15%时，微结构进一步从Ⅱ型转变为Ⅲ型；相应地，饱和渗透系数从1×10^?4cm/s转变为1×10^?5cm/s。

关键词组：马兰黄土；分形模型；小微孔；压汞试验；微结构；饱和渗透系数

Underwater minirobots actuated by hybrid driving method

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

DOI: 10.1631/jzus.A2300056 Downloaded: 402 Clicked: 563 Cited: 0 Commented: 0(p.596-611) <Full Text> <PPT> 162

Chinese summary <12> 基于混合驱动技术的水下小型机器人

作者：叶星宏¹，杨旸^1，3，焦鹏程^1，2，贺治国^1，2，4，李灵炜¹
机构：¹浙江大学，海洋学院，港口海岸与近海工程研究所，中国舟山，316021；²浙江大学，海洋感知技术与装备教育部工程研究中心，中国舟山，316021；³新加坡国立大学，生物医学工程系，新加坡，119077；⁴浙江大学，海洋岩土工程与材料浙江省重点实验室，中国舟山，316021
目的：水下机器人运动时会受到水下环境中局部水流方向和流速的无规则变化等随机因素的干扰，并且其在水中的运动过程本身是一个强耦合的非线性系统，因此对水下机器人的动力驱动性能提出了较高的要求。本文旨在探索一种水下混合驱动技术，即将化学放能反应软体驱动器与螺旋桨推进器耦合，提升水下机器人动力驱动性能，以实现快速、灵活且可靠的水下运动表现。
创新点：1.提出了一种水下混合驱动技术，即将化学放能反应驱动（柔性）与螺旋桨驱动（刚性）相结合，且所提出的由刚性-柔性驱动协同运作的混合驱动技术能够结合两种驱动方式的优势特点，完成其中任一单一驱动方式无法实现的水下运动表现；2.建立了混合驱动水下小型机器人运动过程的数值模拟和机理分析模型，成功模拟了混合驱动机器人水下运动全过程，并定量研究了混合驱动技术的驱动性能和运动表现。
方法：1.通过实验研究，完成混合驱动水下小型机器人的设计制造及运动测试（图1~8）；2.建立运动过程的数值模拟模型，定量研究混合驱动水下小型机器人的动力学表现（图9）；3.建立运动过程的理论推导模型（公式(1)~(8)），揭示混合驱动水下小型机器人的驱动及运动过程的力学原理（图10），并对比验证实验、数模和理论结果，验证所提方法的可行性和有效性（图11）。
结论：1.混合驱动水下小型机器人能实现瞬时弹射，然后保持上升、转向或悬停于某一位置，具有优异的快速响应驱动能力且能满足水下运动多自由度要求；2.与现有混合驱动技术研究相比，所报道的混合驱动技术具有更强的运行可靠性和快速响应能力；3.化学放能反应驱动的极高驱动加速度，能够帮助水下机器人在面临被地形卡死或被水生植物缠绕等复杂情况时成功摆脱，或实现水下瞬间启动和制动、瞬间转向和避障等；4.螺旋桨推进驱动的机动性和持续性能够帮助机器人在水下稳定作业，实现水下监测等潜在应用。

关键词组：混合驱动技术；水下小型机器人；快速响应驱动；运动可靠性

Square cavity flow driven by two mutually facing sliding walls

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

DOI: 10.1631/jzus.A2200447 Downloaded: 623 Clicked: 637 Cited: 0 Commented: 0(p.612-624) <Full Text> <PPT> 180

Chinese summary <9> 双边反向驱动内流过渡流特性研究

作者：安博^1,2,3，Josep M. BERGADà⁴，桑为民¹，李栋¹，F. MELLIBOVSKY⁵
机构：¹西北工业大学,航空学院，中国西安，710072；²翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室，中国西安，710072；³中国空气动力研究与发展中心，结冰与防除冰重点实验室，中国绵阳，621000；⁴加泰罗尼亚理工大学，流体力学系，西班牙巴塞罗那，08034；⁵加泰罗尼亚理工大学，航空航天工程部，物理系，西班牙巴塞罗那，08034
目的：探究双边驱动方腔内流流场的过渡流临界特性，捕捉各种流动分岔点，分析其对流场特性带来的改变。确定流场演化模式，解释流动现象后的流动机理。通过流场拓扑结构和涡系演化分析流场稳定性与对称性的关系。
创新点：1.首次揭示驱动速度比对该流场过渡流临界特性的影响规律；2.从物理层面上阐明流动本质。
方法：1.以均匀直角网格构建计算域，通过基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟方法，计算各流动状态发生变化时的临界雷诺数。根据不同驱动速度比，绘制Hopf和Neimark-Sacker流动分岔点以及湍流临界点随速度比的函数图像（图9）；2.通过扰动衰减系数、速度相图、速度频谱分析来判断流动是否由定常变为非定常周期性流动，再由周期性流动变为准周期性流动直至演化为湍流；3.通过流场拓扑结构分析流场对称性的破坏与不稳定性的关系；4.通过能量频谱图像分析流动的能量级串现象（图11）。
结论：1.跟预期一样，该流场的稳定性丧失总是伴随着Hopf流动分岔点的出现；2.相较于顶盖驱动内流流场，双边驱动内流流场的稳定性较强，说明第二条边的驱动条件可以有效提高流场的稳定性；3.当时，流场稳定性最强，同时当双边驱动条件相同时可以更好的提高流场稳定性；4.不管驱动速度比如何变，流场始终展现了经典的Ruelle-Takens模式，从定常流动演化至非定常周期性流动，再由周期性流动演化至准周期性流动，最终演化为湍流；5.180度的旋转对称性对于推迟湍流的出现有很大作用。

关键词组：双边驱动方腔内流；驱动速度比；过渡流临界特性；涡系拓扑结构；能量级串

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: 878 Clicked: 1202 Cited: 0 Commented: 158(p.625-636) <Full Text> <PPT> 255

Chinese summary <13> 基于构架横向振动的转向架主动稳定性仿真与滚动比例试验台实验研究

作者：宋亚东，李虎，程俊，姚远
机构：西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，中国成都，610031
目的：本文提出了一种基于构架横向振动控制的高速列车转向架主动稳定性方法，来提高铁路车辆高速运行时的稳定性和临界速度。
创新点：1.通过转向架横向动力学模型，根据构架振动反馈控制策略，建立了转向架动力学主动控制系统，利用两个惯性做动器直接向构架的前后端梁施加主动控制力；2.搭建了转向架1:5比例滚动试验台，对仿真结果进行实验验证。
方法：1.仿真模拟，建立了转向架横向动力学主动控制系统的状态空间方程，对不同控制参数和时滞下系统稳定性进行仿真分析；2.理论分析，研究了控制时滞和悬挂参数对转向架稳定性的影响机理；3.实验分析，通过转向架1:5比例的滚动试验台进行主动稳定性试验验证。
结论：1.本文提出的构架横向振动主动控制可以有效地提高转向架系统在高速下的蛇行稳定裕度，其中构架速度反馈比位移反馈对稳定性的影响更大；2.控制系统中的时滞对稳定性影响机理不同，较小的延迟（5 ms左右）会导致构架振动的高频模态失稳，而较大的延迟（30 ms以上）会导致转向架低频的蛇行模态失稳；3.考虑主动悬挂系统时滞，原有的被动悬挂参数对转向架稳定性的影响也会发生改变（图5）。

关键词组：铁路车辆；转向架；主动稳定性；比例试验台；时滞分析

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: 642 Clicked: 846 Cited: 0 Commented: 0(p.637-652) <Full Text> <PPT> 195

Chinese summary <13> 隧道结构作用移动周期简谐荷载时的地表振动响应解析解

作者：徐利辉^1,2，马蒙^1,2
机构：¹北京交通大学，城市地下工程教育部重点实验室，中国北京，100044；²北京交通大学，土木建筑工程学院，中国北京，100044
目的：地铁列车运行时诱发的振动会对周围环境造成不利影响。本文旨在提出适用于振动预测的周期性隧道-地层耦合解析模型，探讨各种参数（地层参数、隧道参数、荷载参数等）对振动响应的影响，研究振动的传播规律，为减振设计提供理论依据。
创新点：1.根据平面波与柱面波之间的转换关系，推导适用于环境振动预测的周期性隧道-地层耦合解析模型；2.通过参数分析，明确移动周期简谐荷载下振动响应的规律及各种参数的影响。
方法：1.通过理论推导和考虑隧道结构与层状土间的动力相互作用，获得移动周期简谐荷载下动力响应的计算方法（公式(19)）；2.通过对比验证，以及根据现有移动常力及移动简谐荷载的动力响应结果，验证所提模型的准确性及高效性（图4~6）；3.通过参数分析，设置工程常见的参数（地层参数、隧道参数和荷载参数等），得到移动周期简谐荷载下的振动响应规律及各种参数的影响（图7~16）。
结论：1.所提周期性隧道-地层耦合解析模型的计算效率高，预测结果准确，可用于地铁列车振动环境影响预测。2.由于荷载移动效应及多普勒效应，荷载参数影响振动响应主频及频率分布带宽，但地层参数及隧道参数的影响较小。3.增加隧道埋深是降低地表振动水平的有效措施。4.地表一定距离处的振动水平高于隧道正上方，即出现振动放大区；环评时应当重点关注放大区内的振动水平，避免不利影响。

关键词组：隧道-地层耦合模型；周期荷载；传递矩阵法；波转换关系；参数分析