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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.12 P.971-1050
Special Feature on Soil Particle–Fluid Interaction Problems in Geotechnical Engineering towards Sustainability
Guest Editor-in-Chief: Jie YANG; Guest Editors: Zhen-Yu YIN, Ming XIAO
Editorial
Editorial: Soil particle–fluid interaction problems in geotechnical engineering oriented towards sustainability
Jie YANG, Zhen-Yu YIN, Ming XIAO
DOI: 10.1631/jzus.A24ED002 Downloaded: 49 Clicked: 93 Cited: 0 Commented: 0(p.971-973) <Full Text>
机构：1深圳大学，土木与交通工程学院，中国深圳，518000；2香港理工大学，土木及环境工程学系，中国香港；3宾夕法尼亚州立大学，土木与环境工程系，美国斯泰特科利奇，PA 16802-1408
概要：全球范围内，滑坡、泥石流、堤坝失效、地面沉降和天坑等地质灾害对基础设施和生命财产造成了重大损害，而减缓和防止这些灾害仍是岩土工程领域的长期挑战。土颗粒-流体相互作用引发的颗粒迁移是许多地质灾害的关键机制，其控制着表面侵蚀、内部侵蚀、沉积物运输、管涌、灌浆渗透等重要现象。尽管实验研究和数值模拟在该领域取得了重要进展，但对其复杂耦合作用的理解和实际预测仍存在显著的知识空白。为此，本专辑收录了多篇围绕土颗粒-流体相互作用问题的研究论文，重点介绍了实验研究与实际应用的最新进展。希望本专辑能为研究者提供交流与讨论的平台，同时启发读者产生新的思路与视角，为推动岩土工程领域的创新与可持续发展贡献力量。
关键词组：岩土工程；水土耦合；渗流
Research Articles
Xin LI, Hanqing CHEN, Dong SU, Xiangsheng CHEN, Xiang SHEN
DOI: 10.1631/jzus.A2400018 Downloaded: 330 Clicked: 595 Cited: 0 Commented: 0(p.974-990) <Full Text><PPT> 40
机构：1深圳大学，土木与交通工程学院，未来地下城市研究院，中国深圳，518060；2深圳大学，滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，中国深圳，518060；3深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，中国深圳，518060
目的：在干湿循环的过程中，岩溶区细角砾土的微观性能与宏观力学性能会发生变化，进而导致路基性能的改变。本文旨在探讨不同干湿循环次数后，土体的微观特征（颗粒组成和孔隙结构等）及宏观力学性能（应力-应变关系和破坏强度等）在不同初始含水率和压实度等条件下的变化趋势，研究干湿循环作用下土体力学性能与微观特征间的关联，并提出岩溶区细角砾土在路基中的使用建议。
创新点：1.基于Konder应力-应变归一化方程，引入干湿循环强度残余比概念，推导出不同环境变量下细角砾土应力-应变关系表达式；2.通过微观特征数据提取与宏观力学试验，建立了干湿循环作用下细角砾土力学性能与微观特征间的相互关联。
方法：1.通过试验分析，得到不同压实度、初始含水率和围压下干湿循环对岩溶区细角砾土宏观力学性能的影响规律；2.通过理论推导，构建引入干湿循环强度残余比概念的细角砾土应力-应变关系归一化表达式；3.通过电镜扫描试验和图像数据提取技术，得到不同干湿循环次数和不同条件下岩溶区细角砾土的微观结构及相关数据，并与宏观力学性能相互关联。
结论：1.岩溶区细角砾土的受力变形呈应力硬化型，因此高压实度和略低于最佳含水率的土壤更能抵抗干湿循环的劣化效应；2.提高含水率使土颗粒的棱角边界变得模糊，颗粒间大夹角的嵌挤骨架减少，且部分大骨架颗粒崩解为小颗粒，进而导致其力学性能的减弱；3.以岩溶区细角砾土为路基填料时，建议采用大压实度和略小于最佳含水率的方法进行填筑。
关键词组：岩溶地质；微观和宏观特性；路基性能；干湿循环
Dongmei ZHANG, Sirui CHEN, Zhongkai HUANG, Zhaoyuan ZHANG, Long SU
DOI: 10.1631/jzus.A2400354 Downloaded: 203 Clicked: 325 Cited: 0 Commented: 0(p.991-1005) <Full Text><PPT> 40
机构：1同济大学，岩土及地下工程教育部重点实验室，中国上海，200092；2同济大学，地下建筑与工程系，中国上海，200092；3中铁十四局集团大盾构工程有限公司，中国济南，250014
目的：城市盾构隧道在运营期间受外部环境扰动可能出现接缝张开、渗漏水等问题严重影响隧道安全。本文通过足尺试验的方法，研究外部荷载对纵向接缝防水性能的影响，为后续盾构隧道防水设计提供参考保障隧道安全运营。
创新点：1.设计了一种新型盾构隧道纵向接缝防水足尺试验设备；2.通过足尺试验，揭示了外荷载大小、偏心率和循环条件对盾构隧道纵向接缝防水性能的影响；3.根据试验结果及理论研究，研究了接头受力、密封垫片变形量和防水性能之间的相关性。
方法：1.针对盾构隧道纵向接缝进行三组足尺试验，揭示外荷载大小、偏心率和循环条件对盾构隧道纵向接缝防水性能的影响；2.通过理论研究，分析接头受力、密封垫片变形量和防水性能之间的相关性。
结论：1.外部荷载和弯矩的大小对纵向接缝的防水性能有很大影响，且接缝防水性能对外部荷载的改变很敏感。2.循环加载显著影响接缝的防水性能；在重新加载过程中，水密性极限仅为初始加载时的一半左右。3.在外部荷载作用下，隧道纵向接缝会产生旋转并张开。
关键词组：盾构隧道；防水性能；足尺试验；纵向接缝
Yu SU, Yue ZHANG, Junyi DUAN, Jianglin GAO, Zhongzheng WANG, Da LIU, Bo HAN, Wenzhe ZHU
DOI: 10.1631/jzus.A2300492 Downloaded: 613 Clicked: 1074 Cited: 0 Commented: 0(p.1006-1017) <Full Text><PPT> 44
机构：1南昌大学，工程建设学院，中国南昌，330031；2江西省水利科学院，江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，中国南昌，330029；3昆士兰科技大学，工程学院，澳大利亚布里斯班，QLD 4001
目的：由于列车长期的荷载作用，道砟嵌入基床表层细粒土形成铁路路基夹层。随着荷载幅值、道砟含量和含水量的变化，夹层中粗-细粒混合物的回弹模量发生改变，严重影响整个路基的正常服役性能。本文旨在研究在荷载幅值σd、粗颗粒含量fv和含水量wf共同作用下混合物回弹模量Mr的演化规律和在此过程中细粒土微观结构的变化，并揭示两者之间的内在关联。
创新点：揭示σd和wf对混合物回弹模量的耦合作用，并解释这种耦合作用产生的微观机理。
方法：1.基于动三轴试验，揭示σd、fv和wf共同作用下混合物回弹模量的演化规律；2.通过压汞试验，揭示不同含水量下细粒土微观结构的变化。
结论：σd和wf对Mr存在耦合作用--当wf>wp（塑限）,随着σd增加，Mr降低；当wf<wp，随着σd增加，Mr增加。这种耦合作用的产生可归因于细粒土微观结构变化：当wf<wp时，细粒土为双孔隙特征的团粒结构，具有低压缩性，因此随着σd增大，Mr增大；当wf>wp时，随着含水量增加，团粒结构逐渐分解、解体，可压缩性增加，因而出现相反的情况。
关键词组：铁路工程；回弹模量；非饱和土；微观结构
Permeability of structured porous media: numerical simulations and microfluidic models
Shaokai NIE, Pengfei LIU, Kexin CHEN, Wenyuan WANG, Yunmin CHEN, Bate BATE
DOI: 10.1631/jzus.A2300516 Downloaded: 679 Clicked: 1032 Cited: 0 Commented: 0(p.1018-1036) <Full Text><PPT> 39
机构：1浙江大学，建筑工程学院，岩土工程研究所，中国杭州，310058；2浙江大学，建筑工程学院，超重力研究中心，中国杭州，310058；3浙江大学，软弱土与环境工程教育部重点实验室，中国杭州，310058
目的：精密流体在微流控结构中的流动规律还不明晰。本文旨在探究雷诺数、各向异性、迂曲度、孔隙度和微通道深度等对微流控模型渗透率的影响，进一步提出基于二维矩形或圆形微柱的迂曲度模型和渗透率预测模型，并将实验结果、数值模拟结果和渗透率预测模型进行比较，以补充流体流动规律。
创新点：1.通过分析实验数据与数值模拟结果，推导出适用于微流控模型渗透率的计算公式；2.通过考虑颗粒排列方式，推导出更符合实验数据的迂曲度公式。
方法：1.通过设计实验模型，探究微柱颗粒排列方式、微柱直径和孔隙率等因素对微流控模型渗透率的影响（图8、10和15）；2.通过数值模拟，对实验模型进行仿真，进一步获取迂曲度值，并从微观层面解释不同模型渗透率差异的原因（图7、9和11）；3.通过理论推导，考虑颗粒排列方式，提出迂曲度公式，并进一步提出适用于微流控模型的渗透率预测模型（图13和公式(23)）。
结论：1.由旋转角表征的各向异性形成了优势流，降低了模型有效孔隙率，因此对模型渗透率影响较大；2.流态转变（达西流向福希海默流）的临界雷诺数为1；3.微流控芯片模型受孔隙率的影响最大，另外还受颗粒排列方式、微柱直径和形状等参数的影响。
关键词组：渗透率；微流控模型；孔隙率；迂曲度；各向异性
Regular paper
Zhiguo YAN, Sihang AI, Xia YANG, Long ZHOU, Bing FAN, Huan PANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300455 Downloaded: 611 Clicked: 1166 Cited: 0 Commented: 0(p.1037-1050) <Full Text><PPT> 46
机构：1同济大学，土木工程防灾国家重点实验室，中国上海，200092；2同济大学，地下建筑与工程系，中国上海，200092；3济南轨道交通集团有限公司，中国济南，250101；4南京理工大学，安全科学与工程学院（应急管理学院），中国南京，210094；5中铁五局集团有限公司，中国贵阳，550003
目的：盾构隧道的内部加固技术需在衬砌环整个内部截面施作钢环等结构；因其遮挡衬砌内表面，所以不利于渗漏水和裂缝等病害的观测。鉴于盾构衬砌结构的破坏多始于接缝，本文提出一种安装后不遮挡衬砌表面、不影响病害观测的拼装式增强结构用于加固衬砌环接缝，并对其加固效果及优化方式进行分析，以实现当衬砌环中某一接缝的张开量过大时，采用该拼装式增强结构进行加固可有效控制接缝的张开量。
创新点：研发了一种可对盾构隧道管片衬砌中局部接缝进行加固的拼装式增强结构。通过开展试验与数值分析，对采用拼装式增强结构加固的管片接缝变形与破坏特征进行了研究，并提出了拼装式增强结构的优化方法。
方法：1.通过试验分析，揭示拼装式增强结构加固后的管片接缝在承受正弯矩荷载时的变形与破坏特征；2.在管片接缝抗弯试验验证的基础上，建立三维精细化有限元模型分析拼装式增强结构的加固效果及加固后的管片接缝在承受正、负弯矩荷载时的薄弱点，并提出增强结构的优化方法。
结论：1.拼装式增强结构能够对管片接缝的张开起到限制作用，但增强结构与管片的连接是重要环节；当二者间的连接设计不合理时，增强结构与管片易脱离；可通过在管片混凝土中预埋锚固件来加强增强结构与管片之间的连接。2.在正、负弯矩承载时，拼装式增强结构加固的管片接缝的破坏失效模式不同；在正弯矩承载时，接缝的破坏由接缝外弧面混凝土的破碎引起；在负弯矩承载时，接缝的失效由渗漏水引起。
关键词组：盾构隧道；管片接缝；拼装式增强结构；力学性能