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

2016 Vol.17 No.7 P.497-596

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Geo-energy and Geo-environment

Guest Editor-in-Chief: Charles W.W. NG

Editorial

Editorial: Trend setting research in “blue” and “green” directions

Charles W.W. Ng

DOI: 10.1631/jzus.A160gege Downloaded: 2241 Clicked: 3912 Cited: 0 Commented: 0(p.497-501) <Full Text>

Chinese summary <35> 引领"蓝绿"学科的前瞻性研究

概要：中国自然科学基金委员在2016年6月14日正式发布的《国家自然科学基金"十三五"发展规划》中明确指出，未来5年，基金委将重点支持与"绿色"（以环保为代表）和"蓝色"（以海洋、能源能为代表）相关的交叉学科研究。由于岩土地基是大多数环保和能源相关活动（如城市废弃物的填埋和覆盖、液岩气和海底天然气水合物的安全开采）的最终承载者，岩土工程师和环保、能源相关领域的学者在过去的30年里紧密合作，以应对人类在这两大领域所面对的严峻挑战，同时也催生了两个重要的交叉学科，即环境岩土和能源岩土。可以预见，随着环境污染和能源短缺等问题的日益凸显，针对环境岩土和能源岩土的深入研究显得愈发重要。以此为背景，香港科技大学主办了"第一届环境岩土和能源岩土国际会议（GeGe2015）"，旨在提供一个交流平台，分享探讨以岩土工程科学问题为载体的环境、能源相关领域的最新研究进展和发展趋势。此次会议由浙江大学、河海大学、重庆大学和瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）协办，并得到了香港岩土工程学会、香港工程师协会岩土分会以及国际土力学与岩土工程协会下属两大技术委员会（TC215环境岩土和TC308能源岩土）的联合支持。参会人员包括多位外籍院士、"朗肯"讲座人、"太沙基"讲座人以及环境岩土和能源岩土领域的国内外优秀学者。为了分享此次国际会议的成果，会务组筛选了部分优秀的会议论文摘要，并邀请相关作者撰写成全文。经过国际同行专家的评审，最终8篇文章入选本期特刊。第二届和第三届环境岩土和能源岩土国际会议（GeGe2017和GeGe2019）将分别在浙江大学和瑞士洛桑联邦理工大学举行，继续探讨相关领域的突破性进展，为世界的可持续发展提供科技支撑。

关键词组：十三五规划；"蓝绿"学科；环境岩土；能源岩土；国际会议

Articles

Energy harvesting from pavement via polyvinylidene fluoride: hybrid piezo-pyroelectric effects

Junliang Tao, Jie Hu

DOI: 10.1631/jzus.A1600166 Downloaded: 2419 Clicked: 4049 Cited: 1 Commented: 0(p.502-511) <Full Text> <PPT> 2152

Chinese summary <27> 路面能量收集：聚偏氟乙烯的混合压电-热释电效应

目的：研究聚偏氟乙烯的混合压电-热释电效应；评估混合压电-热释电效应在路面能量收集中的潜力。
创新点：首次实验验证了混合压电-热释电效应可视为压电效应和热释电效应的代数总和，即压电效应和热释电效应相对独立，既不相互压制也不相互促进。
方法：通过分别控制机械荷载和热荷载，实验测定聚偏氟乙烯压电效应、热释电效应及混合压电-热释电效应（图1和2）；根据实地交通量和气温变化，通过简化的混合压电-热释电能量收集解析模型，估算美国俄亥俄州东北部地区路面能量收集的潜力（图4）。
结论：混合压电-热释电效应可视为压电效应和热释电效应的代数总和；在聚偏氟乙烯路面能量收集的建模中应该同时考虑压电效应和热释电效应；以本文中所选地区和材料为例，热释电效应弱于压电效应；混合压电-热释电效应能量收集效率的提高有望通过新型的纳米复合材料实现。

关键词组：压电；热释电；混合；路面；能量收集

Experimental study on the anti-jacking-up performance of a screw pile for photovoltaic stents in a seasonal frozen region

Teng-fei Wang, Jian-kun Liu, Hua-gang Zhao, Ya-long Shang, Xiao-qiang Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1600407 Downloaded: 2550 Clicked: 3972 Cited: 3 Commented: 0(p.512-524) <Full Text> <PPT> 1829

Chinese summary <30> 季节性冻土区光伏支架螺旋桩抗冻拔试验研究

目的：基于相似性原理，模拟实际工况中的降温冻结过程；通过室内试验确定最优桩型，并推导冻拔量与冻深的定量关系。
创新点：1. 进行季节性冻土区螺旋桩的自由冻胀试验；2. 根据相似性原理，在室内试验过程中调整冷端温度与几何尺寸以缩短冻结时间；3. 推导得到6种桩型冻拔量与冻结深度的定量关系。
方法：1. 通过相似性原理确定试验条件，模拟实际工况中的降温冻结过程；2. 观测此过程中5种螺旋桩型的温度场、冻拔量和土压力随时间的变化规律，并设置一组光滑桩作为对比；3. 根据冻拔量大小选取最优桩型，并推导冻拔量与冻深的定量关系。
结论：1. 螺旋桩冻拔量小于光滑桩，验证了螺旋桩抗冻拔的有效性；采用不同土样有相同规律。2. 冻深达到0.9 m的季冻区，双螺旋大叶片桩抗冻拔效果最好；螺旋叶片建议设置在非冻区；冻拔量大小关系为：双螺旋大叶片桩<半螺旋大叶片桩<半螺旋小叶片桩<双螺旋小叶片桩<全螺旋桩<光滑桩。3. 得到6种桩型冻拔量与冻深的线性关系。4. 土中水开始冻结时土压力增大，含冰量稳定后土压力变化很小。

关键词组：季节性冻土区；螺旋桩；冻胀；相似性原理；冻拔

Time- and stress-dependent model for predicting moisture retention capacity of high-food-waste-content municipal solid waste: based on experimental evidence

Hui Xu, Liang-tong Zhan, He Li, Ji-wu Lan, Yun-min Chen, Hai-yan Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1600238 Downloaded: 2263 Clicked: 4383 Cited: 0 Commented: 0(p.525-540) <Full Text> <PPT> 1979

Chinese summary <21> 考虑应力和时间作用的高厨余含量生活垃圾的持水量预测模型：基于试验现象

目的：我国城市生活垃圾厨余含量高，导致初始含水量高，从而带来填埋场渗滤液水位高、堆体稳定性低、填埋气难以收集以及焚烧厂焚烧热值低、能耗大等问题。研究降解时间和上覆应力对高厨余垃圾持水量的影响，提出快速降低高厨余垃圾的持水量的方法，大幅减小进场（厂）垃圾的含水量，避免上述问题的发生。
创新点：1. 获得高厨余垃圾的持水量随降解时间和上覆应力的变化规律；2. 建立考虑时间和应力作用的垃圾持水量预测模型。
方法：1. 通过开展试验，分析高厨余垃圾的持水量随降解时间和上覆应力的变化（图3和5）；2. 基于试验结果，分析持水量变化机理（图7），并建立持水量预测模型（公式6）；3. 通过对比分析多种脱水方案的计算结果，提出高厨余垃圾堆体的快速脱水方法（图13）。
结论：1. 高厨余垃圾的持水量随降解时间呈复合指数形式下降，随应力的对数线性下降；2. 降解作用能够降低胞内水并增大孔隙水持有量，应力作用则同时降低胞内水和孔隙水持有量；3. 持水量模型计算结果与工程案例实测结果吻合较好，并进一步提出了采取加速降解和增大应力相联合的措施以实现高厨余垃圾快速脱水的目的。

关键词组：城市生活垃圾；持水量；应力；降解时间；模型

Field measurement of gas permeability of compacted loess used as an earthen final cover for a municipal solid waste landfill

Liang-tong Zhan, Qing-wen Qiu, Wen-jie Xu, Yun-min Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1600245 Downloaded: 2350 Clicked: 3772 Cited: 0 Commented: 0(p.541-552) <Full Text>

Chinese summary <25> 现场测试固废填埋场压实黄土覆盖层的气相渗透系数

目的：我国西北地区黄土分布广泛，黄土作为当地固废填埋场的覆盖土料具有广泛的应用前景。现场尺度测试压实黄土覆盖层的气相渗透系数，从而可用于评估其填埋气减排性能。
方法：1. 在西安固废填埋场建立压实黄土覆盖层试验基地（图2）；2. 在试验基地的膜内核心测试区域布置通气试验系统，包括空气压缩机、通气管网、气压测试装置、含水率测试装置、温度传感器和静态箱（图3， 5~7）；3. 在覆盖层表面裸露时和植草后分别进行通气试验测试压实黄土覆盖层的气相渗透系数。
结论：1. 当饱和度低于85%时，干密度为1.45 Mg/m³压实黄土的气相渗透系数随含水率增加而降低，但并不明显；但是当饱和度高于85%时，气相渗透系数随含水率增加而显著减小；2. 黄土层和碎石层之间的毛细阻滞作用使得上部黄土层储存更多水分，并显著降低其气相渗透系数，这有利于降低填埋气的排放；3. 裸露条件下，当压实黄土的体积含水率从36%增加至46%时，其气相渗透系数从3.67×10^-12 m² 降低至5.73×10^-14 m²； 4. 植草后压实黄土的气相渗透系数比裸露条件下小近一个数量级，这主要是因为植被根系占据了压实黄土的大孔隙；5. 现场尺度的压实黄土气相渗透系数比室内试验的结果高1至2个数量级，这主要是因为现场所用黄土含有大的结团，结团会增加黄土的孔隙直径以及减小孔隙的曲折度。

关键词组：压实黄土；毛细阻滞型覆盖层；气相渗透系数；体积含水率；填埋场

Laboratory and numerical study on an enhanced evaporation process in a loess soil column subjected to heating

Xiao-chuan Liu, Wen-jie Xu, Liang-tong Zhan, Yun-min Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1600246 Downloaded: 2341 Clicked: 3964 Cited: 0 Commented: 0(p.553-564) <Full Text> <PPT> 1926

Chinese summary <22> 黄土土柱加热加速蒸发的试验模拟研究

目的：土质覆盖层下的城市固体废弃物由于生化降解反应具有更高温度，该温度梯度增强了土质覆盖层内的水蒸气扩散，在覆盖层的蒸发模拟中不容忽视。与水蒸气扩散相关的参数一般通过瞬态剖面法测量，但在一定蒸发边界下的土体干燥过程会持续很长时间，因此这种传统测量方法十分耗时。本文旨在提出一个底部加热的新方法加速黄土土柱脱湿，更为高效地获取水蒸气运移相关参数。
创新点：1. 提出一个全新的底部加热方法用于加速土体脱湿，同时利用提出的数值模型反分析得到水蒸气运移的相关参数挠曲度τ；2. 发现底部加热加速脱湿的根本原因在于极大增强的水蒸气扩散。
方法：1. 研制一套室内黄土土柱试验装置（图3）；2. 在土柱底部施加恒温70 °C，监测黄土的水热响应（图4）；3. 提出一个数值模型模拟这一水热耦合运移过程，利用该模型反分析影响水蒸气运移的关键参数，包括试验黄土的挠曲度τ和经验蒸发公式的参数a。
结论：1. 在相同蒸发边界下，相比不加热的情况，底部加热使土柱脱湿加速了最高22天；2. 在第15天前，加热增强的水蒸气流量主导黄土蒸发过程，一直占总水分损失量的50%以上；3. 试验及数值模拟结果均表明，相比传统方法，本文提出的底部加热法可更为高效地获取水蒸气运移参数。

关键词组：土柱；加热；蒸发；水蒸气扩散；水热耦合模型

Field studies of a technique to mitigate ground settlement of operating highways

Yue-dong Wu, Hong-guo Diao, Jian Liu, Chui-chang Zeng

DOI: 10.1631/jzus.A1600231 Downloaded: 2470 Clicked: 3827 Cited: 0 Commented: 0(p.565-576) <Full Text> <PPT> 1719

Chinese summary <22> 既有高速公路沉降处治技术现场试验研究

目的：集成路堤竖向小直径引孔高压旋喷桩技术的施工工艺，分析其对既有高速公路沉降病害的处治效果，研究路堤在施工过程中的变形特性。
创新点：提出路堤竖向小直径引孔高压旋喷桩技术，并通过现场试验和理论研究分析其对既有高速公路沉降的处治效果。
方法：1. 通过两组现场试验，对处治前后路堤竖向变形（图6~8）、地基内超孔隙水压力（图10）和深层土体水平位移（图11）的变化特性进行分析与研究；2. 引用Wu et al. (2016)的理论解答（公式1）构建单桩引起的路堤隆起变形与路堤荷载和注浆压力之间的关系，为工艺参数调节提供依据，并利用实测数据加以验证。
结论：1. 竖向小直径引孔高压旋喷桩技术能够在较短的时间内抬升路堤和加固地基，从而有效降低既有高速公路的工后沉降速率，处治效果明显。2. 路堤隆起变形的大小主要与路堤荷载和注浆压力有关，且随着与桩中心距离的增大而减小；通过合理调节注浆压力可以防止路堤因隆起过大而发生破坏。3. 施工期内，高压旋喷会导致超孔隙水压力和深层土体水平位移显著增大；随后，超孔隙水压力逐渐消散，深层土体水平位移也发生一定的回弹。

关键词组：既有高速公路；工后沉降；旋喷桩；土体隆起

Mitigation of soil liquefaction using microbially induced desaturation

Jia He, Jian Chu, Shi-fan Wu, Jie Peng

DOI: 10.1631/jzus.A1600241 Downloaded: 2663 Clicked: 4214 Cited: 0 Commented: 0(p.577-588) <Full Text> <PPT> 2006

Chinese summary <24> 基于微生物诱导减饱和作用降低地基液化风险的研究

目的：常规的地基抗液化技术成本较高或实施复杂，因此有大量的工程建设未得到有效的抗液化处理。本文旨在提出一种新型的、基于微生物诱导减饱和作用的地基液化治理技术，期望能应用到普通的建筑和结构的抗液化治理中。
创新点：1. 获得一种基于微生物反硝化过程的砂土减饱和方法；2. 试验验证微生物减饱和法处理砂土的抗液化性能，获得微生物减饱和法处理砂土中的气泡分布形态以及气泡在静水和渗流条件下的稳定性规律。
方法：1. 利用微生物反硝化过程中产生的氮气降低饱和液化砂土的饱和度；2. 利用电脑断层扫描（CT）技术研究微生物减饱和法处理的砂土中气泡的分布形态；3. 利用振动台实验和三轴固结不排水试验研究微生物减饱和法处理的砂土的力学性能和抗液化性能；4. 采用一种自行研制的模型试验（图13）研究微生物减饱和法处理的砂土在静水和渗流条件下气泡的稳定性。
结论：1. 利用微生物反硝化过程可以实现可控的砂土饱和度降低；2. 微生物气泡在砂土中以小空隙的形态存在，小空隙的尺寸略大于砂土的平均粒径；3. 将饱和松砂的饱和度略作降低，其不排水强度和抗液化性能得到显著提升；4. 微生物减饱和法处理的砂土中的气泡在静水条件下是稳定的，但是在稳定渗流条件下会被水流缓慢带走，此时，需要采用一些手段来控制通过减饱和区的渗流。

关键词组：地基液化；减饱和；微生物反硝化；细菌

Technical note

Technical note: A simple model for the hysteretic elastic shear modulus of unsaturated soils

Jie Xu, Chao Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1600300 Downloaded: 2245 Clicked: 3819 Cited: 0 Commented: 0(p.589-596) <Full Text> <PPT> 1748

Chinese summary <23> 考虑滞回效应的非饱和土弹性剪切模量简化模型

目的：非饱和土的弹性剪切模量是预测土体变形和土工建筑物正常使用服役性能的重要参数之一。本文旨在提出一个描述非饱和土弹性剪切模量的简化模型，减少标定模型参数所需要的耗时非饱和土试验，并考虑吸力、应力、干湿循环及孔隙比对弹性剪切模量特性的影响。
创新点：1. 提出考虑滞回效应的非饱和土弹性剪切模量简化模型；2. 减少标定模型参数所需要的试验。
方法：1. 基于前人非饱和土弹性剪切模量试验结果，考虑非饱和土中土颗粒间的平均骨架应力及毛细水提供的法向应力作用，通过理论推导建立非饱和土弹性剪切模量的半经验简化模型；2. 通过文献中不同非饱和粉土及砂土的弹性剪切模量试验结果验证简化模型的适用性。
结论：1. 得到一个描述非饱和土弹性剪切模量的简化模型，该模型仅需两个模型参数，减少了标定模型参数所需要的耗时非饱和土试验；2. 通过四组不同非饱和土弹性剪切模量试验数据验证了简化模型的适用性，表明该模型能考虑吸力、应力、干湿循环以及孔隙比对弹性剪切模量特性的影响；3. 由于进行了简化，该模型可能存在少量预测误差，在宽应力和吸力范围内运用该模型时需要谨慎。

关键词组：非饱和土；理论模型；弹性剪切模量；小应变；吸力；饱和度