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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2023 Vol.24 No.1 P.1-90
Special Feature on Multiscale Multiphysics Modeling in Geotechnical Engineering
Guest Editor-in-Chief: Zhenyu YIN; Guest Editors: Qi ZHANG, Farid LAOUAFA
Editorial
Editorial: Multiscale multiphysics modeling in geotechnical engineering
Zhenyu YIN, Qi ZHANG, Farid LAOUAFA
DOI: 10.1631/jzus.A22MMMiG Downloaded: 714 Clicked: 754 Cited: 0 Commented: 0(p.1-5) <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国家工业环境与风险研究所（INERIS），法国韦尔讷伊昂阿拉特，60550
概要：在岩土工程领域，许多应用都涉及到多尺度和多物理场，例如内部侵蚀、水力压裂、能源桩、城市垃圾处理、非常规油气藏的生产、天然气水合物的热激法和降压法开采、路面的冻融循环、放射性废物处理、污染物运移和二氧化碳封存等等。在文献中，这些多物理场通常可能包括以下两个或者两个以上方面：固体变形、流体流动扩散、热传导和热对流、化学/生物反应、电场等等。此外，所研究的空间尺度可以从纳米级到微米级到数百公里级，时间尺度也可以从纳秒到数百或数千年不等。近些年来，受益于计算能力的持续发展和对精密设备制造的大量投资，数值模拟和多尺度实验室测试已成为地质力学及其相关领域的主流方法。科学家们为了求解多尺度和多物理场过程，已经开发并成功应用了不同的本构理论、控制方程模型、数值离散方法、求解器等等。为此，本专题收集在该研究领域具有代表性的研究成果，涵盖用计算流体动力学和离散元法进行多层土的潜蚀模拟、裂缝变形滞回曲线对二氧化碳吞吐的影响、盐碱岩和石膏岩的溶解、射孔围岩水力压裂的起裂过程这四个方面。我们希望通过本专题，能帮助读者加强对各个研究领域的理解，进一步推动多场多尺度问题的应用和发展。
关键词组：多场耦合；岩土工程
Research Articles
Pei WANG, Ying GE, Tuo WANG, Qi-wei LIU, Shun-xiang SONG
DOI: 10.1631/jzus.A2200108 Downloaded: 1301 Clicked: 1155 Cited: 0 Commented: 0(p.6-19) <Full Text><PPT> 386
机构：1香港理工大学，土木与环境工程系，中国香港，999077；2湖南大学，土木工程学院，中国长沙，410082
目的：不同细颗粒含量及含不透水区域层状土中的潜蚀过程与均质土中的潜蚀过程存在差异。本文旨在探讨非均质土以及复杂边界条件下间断级配土的潜蚀过程。
创新点：1.建立计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）耦合数值模型，并通过单颗粒下落速度和Ergun测试进行模型验证，确认该方法的准确性；2.分析不同细颗粒含量层状土对潜蚀量的影响，从而阐述非均质土中潜蚀的演化过程；3.揭示层状土中不同分布的不透水区域对潜蚀的影响。
方法：1.采用颗粒下落以及Ergun测试对CFD-DEM耦合数值模拟中流体及颗粒参数进行标定（图2）；2.利用标定参数对具有不同细颗粒含量的层状土试样进行潜蚀模拟（图7）；3.对含有不透水区域的层状土试样进行潜蚀模拟。
结论：1.对于层状土样，累积侵蚀质量主要由底层土层决定；一般来说，底层土层的细颗粒含量越多，累积侵蚀量越大；此外，当底层以上的土层细颗粒含量较高时，潜蚀得到缓解；反之，则潜蚀较为严重。2.对具有不同不透水区域的试样进行的测试表明，流量在决定累积质量方面起主要作用；土样内部的不透水区域可以增加周围区域的流速，有利于细颗粒的迁移，加剧潜蚀；但当不透水区域较多时，由于增加了流动路径的长度，阻碍细颗粒的迁移，潜蚀程度则有所降低。
关键词组：潜蚀；层状土样；流动边界；不透水区；CFD-DEM
Modelling and applications of dissolution of rocks in geoengineering
Farid LAOUAFA, Jianwei GUO, Michel QUINTARD
DOI: 10.1631/jzus.A2200169 Downloaded: 844 Clicked: 1023 Cited: 0 Commented: 0(p.20-36) <Full Text>
1北京理工大学信息与电子学院，中国北京市，100081
2东南大学毫米波国家重点实验室，中国南京市，210096
摘要：为降低第六代移动网络中的数据处理负担和硬件成本，非对称大规模多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）系统被提出。然而，在非对称大规模MIMO系统中，上行和下行无线信道之间的互易性是无效的。因此，需要基站和用户设备都发送导频来预测双向信道，这会消耗更多传输和计算资源。本文提出一种基于集成迁移学习的非对称大规模MIMO系统的信道参数预测方法，可以预测多个下行信道参数，包括路径损耗、多径数、时延扩展和角度扩展。选择上行信道参数和环境特征来预测下行参数。此外，提出一种基于SHAP（SHapley Additive exPlanations）值和最小描述长度标准的两步特征选择算法，以降低由弱相关或不相关特征引起的计算复杂度和对模型准确性的负面影响。引入实例迁移方法，以支持预测模型应对在新的传播条件下难以在短时间内收集足够训练数据的问题。仿真结果表明，该方法比反向传播神经网络和3GPP TR 38.901信道模型更准确。当波束宽度或通信扇区发生变化时，所提出的基于实例迁移的方法在预测下行参数方面优于没有迁移学习的方法。
关键词组：非对称大规模MIMO系统；信道模型；集成学习；实例迁移；参数预测
Xia YAN, Pi-yang LIU, Zhao-qin HUANG, Hai SUN, Kai ZHANG, Jun-feng WANG, Xia YAN
DOI: 10.1631/jzus.A2200142 Downloaded: 1257 Clicked: 1051 Cited: 0 Commented: 0(p.37-55) <Full Text>
机构：1中国石油大学（华东），石油工程学院，中国青岛，266580；2青岛理工大学，土木工程学院，中国青岛，266520；3中国石油川庆钻探工程有限公司，川东钻探公司，中国重庆，40112
目的：在页岩气藏CO2吞吐过程中，水力裂缝处于循环载荷作用下时，极易发生不可逆变形（变形滞后），影响吞吐效果。本文旨在建立考虑水力裂缝变形滞后的页岩气藏CO2吞吐流固耦合模型，形成相应的高效求解方法，并开展流固耦合数值模拟研究，以揭示变形滞后对CO2吞吐的影响规律。
创新点：1.建立考虑水力裂缝变形滞后、复杂裂缝系统和特殊流动机理的页岩气藏多组分流固耦合模型，并形成相应的三维高效数值模拟技术；2.揭示水力裂缝变形滞后对页岩气藏CO2吞吐的影响规律。
方法：1.建立考虑水力裂缝变形滞后、复杂裂缝系统和特殊流动机理的页岩气藏多组分流固耦合模型；2.基于结构化网格构造高效稳定的多组分流固耦合模型数值求解算法；3.通过流固耦合数值模拟，揭示水力裂缝变形滞后对页岩气藏CO2吞吐的影响规律。
结论：1.水力裂缝变形滞后会阻碍CO2注入期间裂缝渗透率的恢复，对CO2吞吐有负面影响；2.较低的初始水力裂缝导流能力和生产压力、较晚的吞吐启动时间、较高的注入压力和较多的循环次数均会增强变形滞后的负面影响；3.CO2吞吐效果与初始水力裂缝导流能力、吞吐启动时间、注入压力和循环次数呈正相关，与生产压力呈负相关。
关键词组：提高气体采收率；二氧化碳吞吐；流固耦合；水力裂缝变形滞后；嵌入式离散裂缝模型
Correspondence
Correspondence: Finite volume method-based numerical simulation method for hydraulic fracture initiation in rock around a perforation
Yu ZHANG, Shaohao HOU, Songhua MEI, Yanan ZHAO, Dayong LI
DOI: 10.1631/jzus.A2200203 Downloaded: 771 Clicked: 827 Cited: 0 Commented: 0(p.56-63) <Full Text><PPT> 339
机构：1中国石油大学（华东），储运与建筑工程学院，中国青岛，266580；2中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，中国长沙，410014
目的：建立射孔围岩水力压裂起裂数值模型，提出基于有限体积法的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法，从而得到流体压力分布和起裂压力等相关参数及其规律。
创新点：1.运用坐标转换和叠加原理，推导出考虑孔隙度演化的射孔围岩应力分布；2.提出基于有限体积法的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。
方法：1.考虑初始地应力、流体渗流和温度传热对射孔围岩的影响，运用坐标转换和叠加原理得到射孔围岩应力分布。2.考虑围岩渗透率和孔隙率的应力敏感性，采用有限容积法对所提出的方程进行解耦确定射孔围岩的流体压力和温度。3.在水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上，提出射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。
结论：1.随着射孔方位角的上升，需要更多的注入时间和更高的流体压力才能达到裂缝的起始；井壁不可渗时的起裂压力更高。2.当井壁不可渗时，流体压力在射孔前呈椭圆形分布，且流体压力从射孔到远处逐渐减少。当井壁是可渗时，流体压力的分布沿着井筒向外扩散。3.渗透率和孔隙度的应力敏感性增加了井周区域的流体压力和渗透率，导致流体流动范围更广，且起裂压力和时间都有所降低。
关键词组：水力压裂；射孔围岩；有限容积法；起裂压力
Regular papers
Tian WANG, Jian WANG, Sheng JIANG, Jiahe ZHANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200238 Downloaded: 849 Clicked: 970 Cited: 0 Commented: 134(p.64-79) <Full Text><PPT> 351
机构：1河海大学，水利水电学院，中国南京，210098；2悉尼大学，土木工程学院，澳大利亚悉尼，NSW2006
目的：岩石的力学响应和最终破坏模式与破坏机制的演化有关。本文旨在通过光滑粒子流体力学（SPH）方法模拟材料混合破坏行为，探讨含填充及未填充裂缝的类岩圆盘试件加载后的破坏机制演变。
创新点：1.在SPH框架中引入混合破坏模型模拟类岩圆盘试样的破坏行为；2.通过SPH数值模拟方法分析圆盘试样的破坏机制演化过程，研究裂纹聚结和裂缝填充的破坏行为。
方法：1.在SPH框架下，分别采用张拉损伤模型和Drucker-Prager模型计算材料的张拉破坏和剪切破坏；模拟一系列巴西圆盘试样的破坏行为并与试验结果对比，验证所提SPH方法是否可用于模拟岩石的破坏机制演化。2.通过统计分析，研究不同裂缝倾角和材料属性联合作用对试样宏观破坏形态及力学响应的影响。
结论：1.对于含未填充裂缝的圆盘试样，岩桥区裂纹的聚结机制受裂缝倾角和材料性能的组合影响。2.对于含填充裂缝的圆盘试件，当圆盘和填充材料的抗拉强度与粘聚力的比值接近时，试样的张拉损伤的增长速度更快，使得整个试件表现更多的脆性特征。3.随着充填物分布不均匀程度的增加，试样张拉损伤的增长速率降低，且圆盘试样展现出更多的延性特征；当预制裂缝倾角接近45°时，填充物的影响更大。
关键词组：光滑粒子流体力学（SPH）；混合破坏模型；破坏机制演化；裂纹聚结；填充分布
Mechanistic investigation on Hg0 capture over MnOx adsorbents: effects of the synthesis methods
Dong YE, Yongjin HU, Zhichang JIANG, Xin LIU, Haining WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200388 Downloaded: 678 Clicked: 801 Cited: 0 Commented: 143(p.80-90) <Full Text><PPT> 346
机构：中国计量大学，质量与安全工程学院，中国杭州，310018
目的：针对当前单质汞高效脱除难题，本文旨在探讨不同制备方法对锰氧化物吸附剂单质汞捕集性能的影响，并通过对吸附剂物理化学性质的研究，揭示锰氧化物吸附剂的构效关系及脱汞机理。
创新点：1.揭示锰氧化物吸附剂脱汞性能与物化性质之间的构效关系；2.阐明锰氧化物吸附剂表面脱汞机理，并揭示其中的活性位点。
方法：1.采用常规的沉淀法、水热法及溶胶凝胶法合成锰氧化物吸附剂；2.采用微型固定床反应器研究系列锰吸附剂的脱汞性能；3.采用物化表征研究系列锰氧化物汞吸附剂的物化特性，揭示其中的构效关系；4.结合动力学计算，揭示锰氧化物汞吸附剂表面脱汞机理，并阐明影响吸附剂脱汞性能的关键因素。
结论：1.与采用沉淀法及水热法制备的汞吸附剂相比，采用溶胶凝胶法制备的汞吸附剂在150~250°C的温度区间内具有更为优异的脱汞性能；2.采用溶胶凝胶法制备的锰氧化物吸附剂具有丰富的表面酸性位点，可促进单质汞的吸附，并为接下来的单质汞氧化步骤提供充足的反应物，这也是该吸附剂具有优异脱汞性能的主要原因；3.脱汞过程中，初始吸附阶段是主要的速控阶段，而Mn4+及化学吸附氧为该反应中的主要活性位点。
关键词组：合成方法；汞捕集；锰氧化物；酸性；氧化性