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.4 P.299-386

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Microstructures and Micromechanics of Geomaterials

Guest Editor-in-Chief: Zhenyu YIN; Guest Editors: Pei WANG, Sheng DAI

Editorial

Editorial: Microstructures and micromechanics of geomaterials

Zhenyu YIN, Pei WANG, Sheng DAI

DOI: 10.1631/jzus.A2300MMG Downloaded: 321 Clicked: 386 Cited: 0 Commented: 0(p.299-302) <Full Text>

Chinese summary <20> 岩土材料的微观结构和微观力学

作者：尹振宇¹，王培¹，戴胜²
机构：1.香港理工大学，土木及环境工程学系，中国香港；2.佐治亚理工学院，土木与环境工程系，美国亚特兰大，30332 GA
概要：岩土材料（如黏土、砂土、岩石和混凝土等）在颗粒尺度上均具有独特且明显的微观结构（如组构、粒径、颗粒形状、矿物组成、接触模式和内部孔隙等）。这些颗粒尺度的微观结构较难直接观察，但对岩土材料的宏观物理力学行为（如剪切强度、压缩性和渗透性等）有着显著的影响。近年来，各种新型岩土工程材料（如纤维增强土和生物加固土）表现出更加复杂的微观结构。岩土材料微观结构对材料工程性质的影响促使人们采用更加先进的理论、实验和数值方法对其进行探索，从而大大加深了人们对宏微观力学的认识与理解。为分享岩土材料微观结构和微观力学的最新研究进展，本专辑收集了在该研究领域具有代表性的研究成果，涵盖了颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用、X射线计算机断层扫描观测技术及其应用、颗粒破碎和颗粒形状的影响、岩石裂隙扩展等方面。希望本专辑能加强读者对各个研究领域的理解，并进一步推动多场多尺度问题的应用和发展。

关键词组：微观结构；微观力学；岩土材料

Research Articles

Effect of morphological gene mutation and decay on energy dissipation behaviour of granular soils

Wei XIONG, Qi-min ZHANG, Jian-feng WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200226 Downloaded: 769 Clicked: 1403 Cited: 0 Commented: 0(p.303-318) <Full Text> <PPT> 194

Chinese summary <19> 形貌基因突变与衰减对于颗粒材料能量耗散行为的影响

作者：熊威¹，章琪敏¹，王剑锋^1,2
机构：¹香港城市大学，建筑与土木工程系，中国香港；²香港城市大学深圳研究院，建筑与土木工程系，中国深圳，518057
目的：本文旨在探讨不同尺度颗粒形貌特征对于砂土应力-应变以及能量耗散行为的影响。
方法：1.通过同步X射线计算断层扫描实验，提取高精度的真实颗粒形貌，并通过三维点云表征；2.通过基于球谐分析的主成分分析方法，构建不同尺度下颗粒形貌的突变与衰减；3.通过离散单元法仿真，模拟不同形貌试件的三轴剪切过程，并进一步讨论不同尺度颗粒形貌对于颗粒材料应力-应变以及能量耗散行为的影响。
结论：1.通过比较较松散和较密实的试件，发现对于较松散试件，颗粒形貌对颗粒材料的初始刚度、应力-应变、体积应变和摩擦能量耗散等响应的影响更为明显；2.对于不同尺度下的颗粒形貌，局部圆度较长径比对颗粒材料宏观响应的影响更大；3.颗粒材料的能量耗散行为由颗粒形貌和初始孔隙率共同决定。

关键词组：X射线计算断层扫描；球谐分析；离散单元法；形貌基因突变；能量耗散

Experimental and numerical study of seepage-induced suffusion under K₀ stress state

Tuo WANG, Feng-shou ZHANG, Pei WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200198 Downloaded: 581 Clicked: 790 Cited: 0 Commented: 0(p.319-331) <Full Text>

Chinese summary <15> K₀应力状态下渗流潜蚀试验与数值研究

作者：王拓^1,2，张丰收^1,2，王培³
机构：¹同济大学，岩土与地下工程教育部重点实验室，中国上海，200092；²同济大学，土木工程学院，地下工程系，中国上海，200092；³香港理工大学，土木与环境工程系，中国香港，999077
目的：目前，潜蚀过程并不能被直接观察到。本研究期望采用透明仪器直接观察潜蚀的演化过程，探讨K₀应力状态下间断级配土的潜蚀过程。
创新点：1.研制出一个透明潜蚀仪器，可直接观测间断级配土的潜蚀过程；2.建立数值模型，扩展试验参数，在颗粒尺度上解释潜蚀规律。
方法：1.采用透明的潜蚀仪器，直接观测间断级配土的潜蚀过程，并记录潜蚀质量；2.通过离散元数值模拟的方法，在颗粒尺度上揭示颗粒的迁移规律。
结论：1.随着侵蚀的进行，试样内部形成侵蚀带并逐渐扩大；从力链分析可知，细颗粒在水流作用下逐渐堆积在粗颗粒形成的孔隙中，并被粗颗粒堵塞。2.当侵蚀和阻塞区形成时，流速也逐渐局部化；在侵蚀区，孔隙度增大，流速普遍较快，但在阻塞区，流速较慢。3.参数分析表明，最终潜蚀重量与水力梯度呈正相关关系，且潜蚀重量随K₀压力的增大而减小；随着细粉含量的增加，潜蚀重量增加。

关键词组：潜蚀；间断级配土；离散元法（DEM）；动态流体网格（DFM）

Examining the influence of the loading path on the cracking characteristics of a pre-fractured rock specimen with discrete element method simulation

Kang DUAN, Ri-hua JIANG, Xue-jian LI, Lu-chao WANG, Ze-ying YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200235 Downloaded: 761 Clicked: 884 Cited: 0 Commented: 0(p.332-349) <Full Text>

Chinese summary <14> 离散元法模拟研究加载路径对预制裂缝岩石试样裂纹扩展特性的影响

作者：段抗，姜日华，李雪剑，王路超，杨则英
机构：山东大学，土建与水利学院，中国济南，250061
目的：结构面是岩体的重要组成部分，其对岩体工程结构的变形和失稳有着重要的影响。本文旨在探究加载路径和围压对预制裂缝试样裂纹扩展和强度的影响，揭示不同加载路径下含预制裂缝岩石试样的微观破坏机理。
创新点：1.设计可以模拟各种工程场景（如隧道、边坡开挖）下应力状态变化的加载路径，包括轴向加载试验、围压卸载试验和围压卸载伴随的轴向加载试验；2.研究试样裂纹扩展路径及其与加载路径和围压的关系；3.通过对局部应力集中和裂纹类型的分析，探讨影响断裂过程的微观机制。
方法：1.基于试验数据，开展离散元模拟参数校准，实现对岩石试样宏观力学参数的再现（表3和图4）；2.基于校准获得微观参数，并开展三种加载路径下预制裂缝岩石试样数值模拟试验，获得加载路径与围压对试样裂纹扩展的影响（图5~12）；3.通过分析试样加载过程的应力分布以及微裂纹类型的占比，获得预制裂缝试样裂纹扩展的微观机理（图13~16）。
结论：1.预制裂缝岩石试样加载过程中，裂纹扩展路径与轨迹受围压与加载路径的共同作用，围压的增大降低了加载路径对裂纹扩展的影响。2.加载过程中，不同类型裂纹的产生主要与不同局部应力的集中有关；在轴向加载条件下，会出现剪切应力的局部集中，抑制了张拉裂纹沿主应力方向扩展，但也会促进垂直于预制裂缝方向的剪切带的产生；卸围压的加载条件下会出现张拉应力的局部应力集中，进而促进细观张拉裂纹的产生。3.准静态条件下，预制裂缝岩石试样的失效阶段可以通过Hoek-Brown准则进行预测。

关键词组：裂纹扩展；加载路径；裂隙岩体；离散元方法；局部应力集中

Discrete element method study of hysteretic behavior and deformation characteristics of rockfill material under cyclic loading

Mingchun LIN, Guanqi WANG, Jian ZHOU, Wei ZHOU, Ni AN, Gang MA

DOI: 10.1631/jzus.A2200286 Downloaded: 679 Clicked: 1027 Cited: 0 Commented: 0(p.350-365) <Full Text> <PPT> 182

Chinese summary <16> 循环荷载作用下堆石料滞回行为及变形特性离散元研究

作者：林明春^1,2，王观琪³，周剑⁴，周伟^1,2，安妮^1,2，马刚^1,2
机构：¹武汉大学，水资源与水电工程科学国家重点实验室，中国武汉，430072；²武汉大学，水工程科学研究院，中国武汉，430072；³中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，中国成都，610072；⁴中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,中国昆明，650051
目的：岩土颗粒材料在不同加载条件下表现出复杂的力学行为，如滞回性。理解和掌握其滞回行为及变形特性是建立具有良好变形预测能力的本构关系的基础。本文旨在研究循环荷载下堆石料的变形特性，分析试样产生残余变形的原因及导致加卸载滞回圈逐渐重合的细观机理，研究不同加载条件（围压、应力水平、加卸载幅度和循环次数）对回弹模量的影响，为建立适用于堆石料的本构关系提供理论指导。
创新点：1.分析循环荷载下堆石料试样产生残余变形的原因，揭示导致加卸载条件下应力滞回圈逐渐靠近并重合的细观机理；2.提出综合考虑围压、应力水平和加卸载幅度影响的回弹模量函数表达式。
方法：1.采用离散元数值模拟方法对堆石料细观模拟参数进行率定，并开展不同加载条件的循环加卸载数值试验（图6和12）；2.研究循环作用下颗粒配位数、孔隙率及颗粒破碎行为，并分析产生残余变形的原因及导致加卸载滞回圈逐渐重合的细观机理（图9）；3.研究不同围压、应力水平、加卸载幅度和加卸载循环次数对塑性应变累积及回弹模量的影响，并提出考虑不同加载条件的回弹模量表达式（公式（14））。
结论：1.循环荷载条件下堆石料宏观应力和体变存在滞回行为，且与围压、应力水平、加卸载幅度和循环次数密切相关。2.堆石料试样中无承载能力的颗粒的数量随循环荷载逐渐增加是产生残余应变的原因；孔隙率随循环次数增加呈缓慢变化并逐渐稳定，在宏观上反映为滞回圈逐渐重合。3.根据围压、应力水平及加卸载幅度对塑性应变累积及回弹模量的影响，提出了综合考虑不同加载条件影响的回弹模量表达式。

关键词组：颗粒材料；离散元方法；塑性变形；循环荷载；滞回行为

Regular papers

Optimal slag content for geopolymer composites under freeze-thaw cycles with different freezing temperatures

Lifeng FAN, Weiliang ZHONG, Guang WANG, Yan XI

DOI: 10.1631/jzus.A2200437 Downloaded: 380 Clicked: 583 Cited: 0 Commented: 0(p.366-376) <Full Text> <PPT> 235

Chinese summary <19> 不同冻结温度的冻融循环作用下地聚物复合材料最佳矿渣掺量研究

作者：范立峰，钟惟亮，王广，席岩
机构：北京工业大学，城市建设学部，中国北京，100124
目的：提高地聚物的抗冻融循环性能对确保地聚物在寒区中的耐久性具有重要意义。本文旨在研究冻结温度对矿渣改性的偏高岭土基地聚物物理和力学性能的影响，以期为地聚物在寒区中的实际应用和耐久性评估提供参考。
创新点：1.提出了冻融循环条件下地聚物复合材料的最佳矿渣含量；2.发现矿渣的掺入可以抑制地聚物在寒冷环境中的开裂，提高地聚物复合材料的抗冻融性。
方法：1.制备不同矿渣的纤维增强聚合物并对其开展三种冻结温度的冻融循环试验；2.分析不同矿渣的纤维增强聚合物的孔隙结构特性；3.分析冻融循环后不同矿渣的纤维增强聚合物的物理力学性能；4.提出冻融循环作用下地聚物复合材料的最佳矿渣含量。
结论：1.随着矿渣含量的增加，地聚物复合材料的孔隙率降低，且凝胶孔和过渡孔均逐渐减小；2.冻融循环后，地聚物复合材料中的裂缝宽度和数量都随着矿渣含量的增加而减少，表明矿渣的掺入可以抑制地聚物在寒冷环境中的开裂；3.矿渣的掺入可以显著降低地聚物复合材料在冻融循环后的质量损失率和强度损失率，进而提高地聚物复合材料的抗冻融性；4.40.0%和50.0%矿渣含量的地聚物复合材料在冻融循环后仍能保持较高的力学性能。

关键词组：地聚物复合材料；冻融循环；冻结温度；矿渣掺量

Coupling functional anodes with natural air-diffused cathodes enables highly efficient hydrogen peroxide electrosynthesis

Chen LING, Aiping LIANG, Chaolin LI, Wenhui WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200566 Downloaded: 428 Clicked: 583 Cited: 0 Commented: 0(p.377-386) <Full Text> <PPT> 181

Chinese summary <17> 功能化阳极耦合自然空气扩散阴极高效电合成过氧化氢

作者：凌晨¹，梁爱萍¹，李朝林^1,2，王文辉¹
机构：¹哈尔滨工业大学（深圳），土木与环境工程学院，中国深圳，518055；²哈尔滨工业大学，环境学院，城市水资源与水环境国家重点实验室，中国哈尔滨，150090
目的：电化学合成过氧化氢（H₂O₂）是一种极具应用前景的分散式生产方法，但因传统的单极电合成电流效率不高，其发展受到了严重限制。本文旨在通过自组装单层膜修饰碳纤维纸制备高效二电子水氧化合成过氧化氢的阳极，同时耦合负载聚四氟乙烯/炭黑的自然空气扩散阴极，实现阴阳极同步电合成过氧化氢，从而大幅度提高其电流效率。
创新点：1.通过自组装单层膜修饰碳纤维纸制备功能化阳极高效二电子水氧化合成过氧化氢；2.耦合阳极和阴极大幅度提高电合成过氧化氢的电流效率。
方法：1.利用自组装单层膜修饰碳纤维纸制备功能化阳极，通过物化性能表征确定电极的结构特征（图1），并通过活性、选择性等指标考察电极的二电子水氧化性能（图2）；2.制备负载聚四氟乙烯/炭黑的自然空气扩散阴极，并通过电化学性能表征确定最佳的物料配比（图3）；3.耦合功能化阳极和自然空气扩散阴极，并通过电流效率、产率、稳定性等指标评估体系电合成过氧化氢的性能（图4和表1）。
结论：1.利用自组装单层膜修饰碳纤维纸制备高效的二电子水氧化阳极；阳极过氧化氢的选择性为62.1%，产率为12.6 μmol/(min·cm²)。2.确定自然空气扩散阴极上聚四氟乙烯与炭黑的比例为0.6，并将其与功能化阳极耦合同步电合成过氧化氢，所得电流效率高达152.9%，且产率达到38 μmol/min。

关键词组：二电子水氧化；二电子氧还原；自组装单层膜；过氧化氢；电合成