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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2022 Vol.23 No.11 P.845-954
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: 695 Clicked: 937 Cited: 0 Commented: 0(p.845-849) <Full Text>
机构：1. 香港理工大学，土木及环境工程学系，中国香港；2. 湖南大学，地下空间先进技术研究中心，中国长沙，410082；3. 湖南大学，建筑安全与节能教育部重点实验室，中国长沙，410082；4. 湖南大学，土木工程学院，中国长沙，410082；5. 华威大学，工程学院，英国考文垂，CV4 7AL
概要：土的三相组成（土颗粒、水和空气）、土颗粒由多种矿物成分构成（比如石英、高岭石和蒙脱石等）以及土颗粒粒径从微米级跨度到100毫米级决定了土的复杂性，从而造成了岩土工程结构设计、建造及维护的复杂性。为了复原现场岩土结构的复杂多场特性，物理模型试验是一种有效、合理且被广泛认可的方法。与现场测试相比，物理模型试验具有高还原度、低价格和高可操作性等优势，同时可充分考虑众多影响因素对实际工况的影响。为此，本专辑收集了在该研究领域具有代表性的研究成果，介绍了多个利用物理模型试验揭示复杂岩土问题机理以及基于试验结果提出设计方法和建议的最新研究进展，涵盖了交通基础设施、盾构掘进、侵蚀、冻土和地震灾害等多个复杂岩土工程问题。希望能加深读者对各个研究领域的理解，以及进一步推动物理模型试验在岩土工程中的应用和发展。
关键词组：复杂岩土问题；物理模型试验
Research Articles
Fei-fan REN, Qiang-qiang HUANG, Xue-yu GENG, Guan WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200188 Downloaded: 775 Clicked: 1017 Cited: 0 Commented: 1(p.850-862) <Full Text><PPT> 293
1北京理工大学信息与电子学院，中国北京市，100081
2中国信息通信研究院，中国北京市，100191
3中国人民解放军军事科学院，中国北京市，100091
摘要：本文研究协作多输入多输出（cooperative multi-input multi-output，C-MIMO）系统中的物理层安全技术，该技术可以被用于主次用户共存的衬底式认知无线电网络，并通过提高次级C-MIMO接收机的安全速率同时减少对主用户的干扰来实现上述安全通信范式。该通信模型尤其适合应用于基于非授权频谱的工业互联网安全传输场景，可以实现频谱效率和安全速率的有效平衡和折衷。为此，我们提出一种特征空间自适应预编码（eigenspace-adaptive precoding, EAP）方法，并给出在单站发射功率约束和干扰功率约束下的安全速率优化问题。通过将原始优化问题分解为预编码特征空间选择和功率分配两个子问题，来实现安全预编码器的设计，其中，特征空间由发射机根据主用户和次级用户的信道条件进行自适应选择。此外，本文针对海量设备、大维天线系统提出一种简化的EAP方法，该方法充分利用大维天线的空间自由度来降低安全预编码优化的复杂度。仿真结果表明，在自适应选择的特征空间中传输信号和人工噪声，C-MIMO系统可以完全消除保密中断概率，获得相比固定特征空间预编码方案更高的安全速率。此外，针对大维C-MIMO提出的简化EAP方法可以显著提高安全速率。
关键词组：感知无线电；物理层安全；协作多输入多输出（C-MIMO）；特征空间自适应预编码；差分凸规划
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: 738 Clicked: 910 Cited: 0 Commented: 0(p.863-881) <Full Text><PPT> 334
机构：1同济大学，地下建筑与工程系，中国上海，200092；2同济大学，岩土及地下工程教育部重点实验室，中国上海，200092；3国网天津电力公司建设分公司，中国天津，300143；4广东省水利水电科学研究院，中国广东，510610；5郑州大学，水利科学与工程学院，中国郑州，450001
目的：盾构隧道双层衬砌广泛应用于输水隧道，然而围岩的承载作用一直被忽略。本文通过模型试验揭示围岩-双层衬砌的共同承载特性，为高内水压输水隧道的围岩-双层衬砌共同承载设计方法提供支撑。
创新点：1.揭示围岩条件对围岩-双层衬砌联合承载能力的影响规律；2.建立围岩-双层衬砌联合承载理论解析方法。
方法：1.通过模型实验，分析不同围岩条件下（砂性土、强风化泥质粉砂岩）双层衬砌内水压受力变形特性，并确定围岩和双层衬砌内水压承载比例以及围岩对双层衬砌承载能力的影响（图1和2）；2.通过解析方法，揭示围岩承载比例随围岩弹性模量的变化规律（图22和23），并提出承载比例的内衬厚度优化设计方法。
结论：1.内水压作用下，围岩承载能力与围岩弹性模量和衬砌变形状态有关；双层衬砌未开裂时，砂性土围岩承担3.7%的内水压，而围岩为强风化岩石时，其贡献上升至10.4%；双层衬砌开裂后，围岩在承受内水压方面起着更重要作用，即砂性土和强风化岩石的分担比分别为10.5%和27.8%。2.隧道设计中应考虑围岩承载内水压能力的影响。
关键词组：盾构隧道；双层衬砌；围岩条件；承载力；内水压
Peng XU, Peng PENG, Rong-hua WEI, Zhi-qiang ZHANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200134 Downloaded: 809 Clicked: 965 Cited: 0 Commented: 1(p.882-899) <Full Text><PPT> 282
机构：1西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；2西南交通大学，交通隧道工程教育部重点实验室，中国成都，610031
目的：前震旦系砂板岩互层地层突水突泥灾害给隧道工程建设带来了巨大的困难。本文旨在通过室内模型试验，再现前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥灾害的灾变演化过程，分析围岩应力应变、渗透压力与流量随隔水层厚度减小的变化规律，揭示砂板岩互层隧道隔水层渗透失稳突水突泥的灾变诱发机制，为突水突泥灾害的防控提供重要参考。
创新点：1.建立了前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥工程地质模型；2.通过模型试验再现了前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥灾变演化过程；3.揭示了隔水层厚度减小过程中隧道围岩应力应变、渗流压力与流量等特征参数的变化规律。
方法：1.通过突水突泥灾害统计（图3和6）和地质结构特征（图4和5）分析，构建前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥工程地质模型（图7）；2.通过正交试验设计和材料配比试验，研制板岩和砂岩的流固耦合相似材料（图12和13）；3.通过模型试验，再现前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥灾变演化过程（图16）。
结论：1.前震旦系砂板岩互层隧道突水突泥灾变演化过程可划分为渗流阶段、高涌流阶段和衰减阶段3个阶段，围岩应力应变、渗流压力与流量的变化具有阶段性特征；2.围岩应变能密度特征揭示了地下水对围岩的侵蚀弱化作用。随着应变能密度的增大，围岩稳定性减弱，而拱顶在渗流阶段的应变能密度比拱肩高20.7%；3.渗流压力与隔水层厚度呈线性正相关关系，流量与隔水层厚度呈线性负相关关系。特征参数突变点为隔水层劣化特征点，该点对应的隔水层厚度为临界安全厚度；4.突水突泥本质上是在开挖卸荷和应力-渗流耦合作用下突水突泥通道的形成、隔水层厚度减小到临界厚度、隔水层逐渐丧失阻水能力的灾变过程。
关键词组：突水突泥；砂板岩互层地层；模型试验；演变规律；隔水层厚度；诱发机制
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: 825 Clicked: 1045 Cited: 0 Commented: 1(p.900-916) <Full Text><PPT> 319
机构：1西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；2西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031
目的：1.探讨墙后填土加筋与否对悬臂式挡墙地震响应的影响规律；2.评估填土加筋措施对改善悬臂式挡墙抗震性能的适用性。
创新点：1.设计并制作填土加筋与填土未加筋的悬臂式挡墙模型，开展振动台模型试验的对比研究，并分析填土加筋对悬臂式挡墙地震响应的改善效果；2.分析不同加载幅值作用下，墙-土相互作用的同步特性。
方法：1.开展填土加筋与填土未加筋悬臂式挡墙的振动台模型试验；在模型底部分别输入加速度幅值为0.11g、0.24g及0.39g的正弦波，测试模型的加速度、位移、土压力及筋带拉力等响应量。2.重点分析不同加速度幅值下模型的自振频率及阻尼比、加速度沿高度的放大规律、振动位移以及墙-土相互作用等规律，并对比模型动力特性及响应差异，明确悬臂式挡墙填土加筋的减震效应。
结论：1.填土加筋对悬臂式挡墙的地震响应具有改善作用；加筋模型的加速度、位移、动土压力等响应量较未加筋模型更小。2.基于均方根加速度的放大系数沿高度表现出显著的非线性放大效应，并随加载加速度幅值的增加呈加速增大特征。3.悬臂式挡墙填土加筋可导致墙体所承受地震惯性力与地震土压力存在相位差，大幅降低最不利位移状态时墙体所受地震土压力；试验表明，未加筋模型中墙体惯性力与地震土压力基本同步，而填土加筋后，0.11g及0.24g加载工况下墙-土相互作用的同步性明显降低。
关键词组：悬臂式挡墙；填土加筋；地震响应；振动台试验；动土压力；相位差
Jian CHANG, Jian-kun LIU, Ya-li LI
DOI: 10.1631/jzus.A2200118 Downloaded: 745 Clicked: 963 Cited: 0 Commented: 610(p.917-932) <Full Text><PPT> 279
关键词组：图像秘密分享；影子图像验证；公钥；像素扩张；无损恢复
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: 696 Clicked: 822 Cited: 0 Commented: 0(p.933-944) <Full Text>
机构：1山东大学，齐鲁交通学院，中国济南，250002；2山东高速工程检测有限公司，中国济南，250002；3山东高速济青中线公路有限公司，中国高密，261599；4华威大学，工程学院，英国考文垂，CV48UW；5山东高速集团有限公司，中国济南，250002
目的：本文旨在通过65cm和80cm松铺厚度路基的全比尺现场试验，提出保障大厚度路基压实效果的施工工艺和评价方法，以提高路基填筑的施工效率、降低能耗和碳排放。
创新点：1.改进适用于大厚度路基压实度评价的灌砂法；2.建立碾压轮载作用下的路基内部动态土压力计算修正方程；3.提出大厚度路基压实施工工艺及验收指标与压实度的关联关系，对大厚度路基压实质量进行可靠快速评价。
方法：1.采用改进的灌砂筒及其标定方法，对大厚度路基的压实度进行分层检测；2.基于现场土压力分层监测，获得碾压机械作用下动态土压力沿路基深度的衰减规律；3.通过对每一遍碾压后的压实度、沉降差、K30、动态回弹模量、动弯沉进行多点检测和分析，获得各物理力学指标随碾压遍数的变化规律及其相互关联关系。
结论：1.高能级压实下的65cm和80cm松铺厚度路基动土压力可达0.19~1.18 MPa和0.079~1.19 MPa，可采用修正后的Boussinesq方程表达；2.路基压实效果与应力水平和土层下部支撑密切相关，底层土体压实度提升前上层土体难以致密化；3.高能级碾压机械可保证大厚度路基全深度有效压实，且动弯沉作为大厚度路基压实质量评价指标更为可靠。
关键词组：高速公路路基；高能级振动压路机；松铺厚度；动态土压力；压实度；压实质量控制
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: 812 Clicked: 2023 Cited: 0 Commented: 371(p.945-954) <Full Text><PPT> 284
机构：1天津大学，滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，中国天津，300072；2天津大学，理学院，中国天津，300072；3中国铁路设计集团，中国天津，300308；4城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室，中国天津，300308
目的：粉土、粉（细）砂土承压含水层中的盾构隧道出现渗漏时，土颗粒会在渗流力作用下液化悬浮并随地下水涌入隧道，致使隧道外土层在高速水流侵蚀下快速流失，引起隧道受力模式改变，进而造成衬砌结构的连续破坏（损）甚至垮塌。特别地，当渗漏点位于隧道底部时，侵蚀过程类似于水利大坝中的向源侵蚀，即逆着水流方向在隧道结构底部产生侵蚀空腔，从而导致隧道底部因失去土层支撑而产生大范围沉降和错台。为研究盾构隧道结构底部某点处由径向水流（水流向漏点汇聚）引起的向源侵蚀过程及侵蚀区形态，本文采用物理学中的经典装置，即赫尔-肖氏薄板，开展一系列可视化的模型试验，研究了水流速度及试样厚度对侵蚀过程及侵蚀形态的影响，以加深对向源侵蚀机制的理解。
创新点：1.研制了用于研究汇聚流下向源侵蚀过程的赫尔-肖氏薄板仪器；2.清晰地捕捉了向源侵蚀动态发展过程；3.揭示水流速度及试样厚度对侵蚀过程及侵蚀形态的影响。
方法：1.采用恒流速试验，模拟瞬间施加水流下的向源侵蚀过程；2.通过数字图像处理技术，定量描述向源侵蚀动态发展过程；3.通过调整板间距及入流速度，分析试样厚度及水流大小对侵蚀过程及形态的影响。
结论：1.瞬时恒流下的向源侵蚀过程可分为侵蚀发展和侵蚀稳定两个阶段。2.瞬时水流速度越大，侵蚀区的形状表现为分叉越多，最大侵蚀半径越大。3.试样越厚，向源侵蚀越容易在赫尔-肖氏薄板中启动；同时侵蚀区面积越大，半径也越大。
关键词组：向源侵蚀；动态发展；赫尔-肖氏薄板；可视化；数字图像处理技术