最新刊期
      2021 年 第 53 卷 4 期

        科学前沿

      • 谢和平,张茹,邓建辉,高明忠,李怡航,何治良,张泽天,任利
        2021, 53(4): 1-12. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100493
        摘要：地球是已知的唯一适合人类生存的行星，揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展，地震地质灾害频繁发生，深地工程动力灾害事故更加凸显，且机理不清，难以预测和有效防控，其根本原因在于，人类无法准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系；现有地球深部基础科学研究已滞后于人类深部工程实践活动，传统地质灾害信息的浅表监测存在较大局限。在此基础上，开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。“深地–地表”联动战略体系以深入理解深地科学与地质灾害内在联系，进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划为核心目标，通过基于典型深部工程的“深地–地表”联动科学研究平台，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群和纵深的深地科学实验室、矿区及深地工程示范基地，借助区块链大数据技术，建设“深地–地表”智慧中心，统筹不同区域、不同类型、不同深度研究平台；最终，在此基础之上，以“深地–地表”联动为核心，建设“深地–地表”地灾防控联动探测大科学系统，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控，助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。  
        关键词：深地科学;地灾防控;“深地–地表”联动;战略研究   
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        发布时间：2024-01-10

        聚焦国家重点研发计划

      • 熊峰,吴潇,柳金峰,宋飞,刘宜丰,陈猷鹏,周政旭
        2021, 53(4): 13-22. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100237
        摘要：中国西南地区幅员辽阔、山地占比高，是中国少数民族分布最为集中的区域。区内分布着众多的民族村寨，地形复杂、灾害多发、生态脆弱、经济欠发达、人居环境问题突出。为进一步提高村寨的灾害防范化解能力，系统提升村寨人居质量，亟需开展灾害综合防控和宜居性能改善研究。“西南民族村寨防灾技术综合示范”项目，以西南地区民族村寨的安全与宜居性能为主线，凝练了4个关键的科学技术问题：1）村寨灾害特征与孕育机制；2）村寨人居环境特征与“环境–建造”交互影响机制；3）村寨低成本生态型灾害防控与治理技术；4）村寨本土化适应性宜居性能集成化改善技术。通过村寨地质灾害智能监测与治理技术、村寨火灾预警与防火建材技术、村寨防灾结构体系与增强技术、村寨环境污染防治与回用技术、村寨适应性空间优化与民居性能提升技术共5个方面内容的系统研究，研发低成本、分散式、生态型、智能化的灾害综合防控技术，和本土化、适应性宜居性能集成改善技术，构建西南民族村寨综合防灾和人居环境改善成套技术体系。全面提升西南民族村寨的灾害防范化解能力，系统改善人居环境质量，保护民族特色及风貌，促进可持续发展。  
        关键词：西南地区;民族村寨;人居环境;综合防灾;宜居性能   
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      • 魏自民,黄彩虹,谢丽,袁绍军,杨兴民,吴俊秋
        2021, 53(4): 23-32. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100307
        摘要：城乡混合有机垃圾包括易腐垃圾及部分农业废弃物，其产量大、成分复杂、含水率及养分含量高。目前，好氧发酵已成为其资源化处理处置关键技术之一，但因转化效率低、副产物风险不明等原因限制了其在中国的应用。因此，针对中国有机垃圾好氧发酵瓶颈问题，通过对中国城乡混合有机垃圾资源化利用技术进行对比分析，明确好氧发酵处理有机固体废弃物的优势，并深入解析好氧发酵过程中有机质转化方式，揭示好氧发酵处理有机垃圾面对的主要问题。在此基础上，进一步明确影响好氧发酵产物高效稳定化及资源化利用的主要影响因素。针对上述问题，提出城乡混合有机垃圾快速稳定化及资源化利用技术研究构想，即好氧发酵工艺过程中，解析城乡混合有机垃圾好氧发酵微生物代谢网络定向转化的调控原理；研发智屏显示—在线监测—反馈调控等智能一体式快速稳定化技术装备；攻克生物强化水解—微生物碳泵定向转化—功能材料钝化固碳微生物细胞微工厂定向腐殖化、副产物风险评估—原位阻控—再循环利用等增质控污技术，构建资源化产物深加工—分质评估—属性互补等末端对“征”利用技术。集成快速稳定化与资源化利用技术装备模块体系，针对技术模块的互补性、资源可持续利用性特征，建立与区域匹配的对“征”示范工程，形成商业化推广模式。这种围绕有机垃圾好氧发酵原位削减、过程增质控污、末端资源化利用的国家科技重大需求，开展相关研发与工程示范，旨在为中国城乡混合有机垃圾资源化处理提供技术支撑。  
        关键词：有机垃圾;好氧发酵;稳定化;副产物控制;资源化   
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        发布时间：2024-01-10

        水利与土木工程

      • 王威,黄元昭,苏三庆,宋江良,徐善文,李昱
        2021, 53(4): 33-44. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000573
        摘要：为研究墙趾可更换组合剪力墙的抗震性能，设计并制作了2片带有可更换墙趾构件的波形钢板–混凝土组合剪力墙试件。采用拟静力试验和ABAQUS有限元软件模拟的方法，分析了内置波形钢板波纹方向对墙趾可更换组合剪力墙抗震性能的影响。试验结果表明：各试件墙趾构件先于主体构件破坏，且在达到极限位移角前其破坏主要集中于可更换墙趾构件；墙趾可更换组合剪力墙其内置波形钢板竖向波纹与横向波纹相比，抗侧承载力提高18.3%，延性系数提高28.69%，累积耗能量提高3.3倍，且具有更低的承载能力退化速率、刚度退化速率、等效黏滞阻尼系数减小比和刚度退化比，并且初始刚度有略微提高，即内置竖向波纹钢板组合剪力墙具有更优的受力性能和抗震性能；通过ABAQUS有限元模型分析与试验过程对比，其破坏形态与试验现象基本吻合，说明本文所建立的有限元模型具有一定的可靠性。  
        关键词：可更换构件;波形钢板–混凝土组合剪力墙;拟静力试验;可恢复功能结构;有限元分析   
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      • 陈勇,严可翔,苏剑,王世梅,谭建民
        2021, 53(4): 45-52. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000633
        摘要：非饱和土的持水性能通常以土水特征曲线的变化规律来体现。荷载和温度等因素对土水特征曲线的重要影响已逐渐被认识，但综合考虑湿–载–热对土水特征曲线共同作用的研究鲜见报道，对其主导性影响因素的分析更为罕见。为了探究粉质黏土在湿–载–热共同作用下的持水性能，本文开展了在不同竖向应力和温度条件下粉质黏土的干湿循环实验，分析了各因素的影响机理、特征和重要性，并建立了反映多因素共同作用的预测模型。研究结果表明：1）随着竖向应力的增加，非饱和土的进气值增加、减湿率降低、干湿循环过程的滞回效果变强，且在各个温度下皆表现出相同的特征。2）对比在相同的竖向应力、不同温度下的实验曲线，发现在温度较高的状态下，土体的进气值相对略低。3）竖向应力对于土体持水性能的影响最大，但主要局限于低吸力阶段；干湿循环的作用排第2，且随着循环次数增加会快速衰减；温度的影响较小，且在吸力值或密实度较高时可忽略不计。4）基于Logistic曲线改进后的L模型比常用的V–G模型更适用于巴东粉质黏土的土水特征曲线拟合。综合研究结果得出：竖向应力引起特征值变化的根本原因在于内部孔隙结构的改变，进而导致持水性能产生差异；温度主要影响土体处于低应力低吸力状态时的持水性能；3种赋存条件对粉质黏土持水性能的影响程度呈竖向应力>干湿循环>温度分布；改进后的L模型可以有效反映粉质黏土在湿–载–热共同作用下的持水性能演变特征。  
        关键词：土水特征曲线;竖向应力;干湿循环;温度;Logistic曲线   
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      • 侯精明,王俊珲,同玉,张兆安,郭敏鹏,苏锋,高徐军
        2021, 53(4): 53-62. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000760
        摘要：随着计算机技术的发展，网格划分技术日趋成熟。针对变化环境下洪涝灾害频发以及实际地形范围广泛，且通常存在狭长沟道与广阔泛洪区等问题，本文建立了一套具有层次拓扑关系的结构化非均匀网格划分模型，并与基于GPU加速的高分辨率数值模型相结合模拟地表水流动过程。高质量网格影响着模型计算精度与计算效率，非均匀网格划分技术以地形高程的梯度变化为基础设计网格划分原则，在需要高分辨率网格的计算域中检测关键地形特征以可靠地求解浅水方程，并对局部区域网格静态加密，从而在较准确捕获水位计算敏感区的同时减少计算网格数量，降低计算成本。数值模型采用Godunov格式有限体积法进行空间离散，利用TVD–MUSCL格式将模型时间与空间精度提高至2阶，通过GPU并行技术在不降低计算精度基础上大幅提高模型运行速度。使用理想和实际案例来演示基于GPU加速的高分辨率模型在非均匀网格上的流量模拟性能，以较为准确获取洪水淹没时间及淹没面积等信息。结果表明，基于非均匀网格的高分辨率数值模型具有良好的稳定性，与均匀网格相比，在保证模拟精度的前提下，其运行速度约为均匀网格的2～3倍，计算效率在GPU加速基础上进一步提高。新模型适用于模拟复杂区域的大规模洪水演进及城市内涝过程，在实际大尺度洪水模拟中具有一定潜力。  
        关键词：浅水方程;非均匀网格;洪水模拟;Godunov型;TVD-MUSCL;GPU并行技术   
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      • 张鸿,张榜,丰浩然,吴灿
        2021, 53(4): 63-72. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000671
        摘要：边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的，基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性，但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理，存在明显的局限性。将离散元方法（discrete element method，DEM）与计算流体动力学方法（computational fluid dynamic，CFD）进行耦合，建立了煤系土边坡3维DEM–CFD流固耦合细观作用计算模型，对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行分析。结果表明，采用DEM–CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷，边坡滑动面预测为近似的直线段，这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近，验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数，在降雨过程中都会随之发生变化，如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.80，这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联。文中通过对颗粒细观参数变化分析，从细观角度解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。研究成果为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据，并从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种思路。  
        关键词：煤系土边坡;失稳机理;DEM–CFD流固耦合方法;模型试验;宏细观分析   
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        发布时间：2024-01-10
      • 李海锋,曹宝安,罗文伟
        2021, 53(4): 73-83. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000852
        摘要：为探讨单调拉伸及低周疲劳荷载下开孔Q460高强钢板的力学性能，对33个开孔材性试件进行试验测试，通过分析试件的应力–应变曲线、骨架曲线和耗能能力对比图，探讨了试件设计尺寸、开孔数量及加载模式等因素对开孔材性试件的强度、刚度、延性和耗能能力等力学性能的影响规律。在此基础上，使用ANSYS有限元分析软件建立了疲劳加载作用下开孔材性试件的精细有限元模型，并与材性试验结果进行了对比分析，验证了模型的正确性和可靠性。试验结果表明：开孔对Q460高强钢试件的力学性能有不利影响，导致应力集中加剧；在疲劳荷载作用下，增加试件轴向的开孔数量有利于提高试件的延性，但对钢材的耗能能力产生不利影响。开孔试件在低周反复荷载下易在开孔位置发生应力集中导致裂缝产生，且孔洞四周存在鼓曲现象，断后试件整体呈马鞍形。试件厚度对高强钢的破坏模式及力学性能影响显著，在低周疲劳荷载下，开孔试件的破坏形态与未开孔试件差别较大，且随厚度增加呈现两种不同的断口形态，随着试件设计厚度增加，断口截面与试件横截面呈约45°夹角和锯齿形交错相嵌两种断口类型；且随着钢材厚度的增加，试件的抗拉强度、延性和耗能能力均有所提高。加载模式对开孔Q460高强钢的抗拉强度影响较小，随着荷载循环圈数的增加，Q460高强钢的延性降低，耗能能力提高。  
        关键词：Q460高强钢;开孔试件;低周疲劳荷载;延性;耗能能力   
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      • 张庆贺,方致远,马衍坤,章政
        2021, 53(4): 84-91. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000865
        摘要：含瓦斯煤是具有多孔特性和固气耦合特性的二相介质复合材料，为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性，基于相似准则和主控参数相似比尺，进行了80余组材料配比试验和力学参数试验，研制了煤岩−瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性，并基于新材料进行了3维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要试验结果如下：1）以煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数与原煤相似，通过调节材料配比，可以配制不同弹塑性参数的相似材料。相似材料的吸附性与原煤也具有一致性；2）CO2和N2二元混合气体的膨胀能介于CO2和N2之间，气体膨胀能比例系数与CO2体积分数呈二次函数关系，CO2体积分数为45%的混合气体的膨胀能与CH4的膨胀能一致；CO2和N2二元混合气体可作为CH4相似气体，且比CH4安全性高；3）研制的煤岩−瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数均具有高度相似性，实现了固气耦合特性模拟；4）3维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象，得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量，验证了相似材料的合理性，也为进一步研究煤与瓦斯突出规律，监测突出前兆信息提供了科学手段。  
        关键词：煤与瓦斯突出;相似材料;固气耦合;3维相似模拟;配比试验   
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      • 卢召红,王凯勃,王尊策,徐艳,刘海水
        2021, 53(4): 92-100. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001070
        摘要：为研究薄壁衬层再生复合管材层间界面力学行为，对带腐蚀缺陷管钢与薄壁不锈钢衬层所组成的复合管材进行切向与法向拉伸破坏试验，基于试验结果，建立了带腐蚀缺陷管钢修复后的有限元分析模型。试验试件在切向力作用下的试验结果表明，随着带腐蚀缺陷管钢腐蚀程度的增加，粘结层与基层管钢剥离所占的比例逐渐减小，界面极限强度逐渐增大，界面黏聚力随着腐蚀损失率的增加略有增加，但随着粘结材料失效所占比例的增加，这种增加趋势慢慢趋于平缓，层间界面切向破坏以粘结材料内聚力失效为主。试验试件在法向力作用下的试验结果表明，各试件的破坏形式基本相同，破坏以粘结层内聚力失效破坏为主。利用差值法建立复合管材层间界面切向应力与相对位移双线性本构关系模型，界面法向应力与相对位移之间的关系也可简化为双线性本构关系。通过有限元分析模型对试件进行了数值分析，分析结果与试验结果基本吻合，双线性界面内聚力模型在有限元模型分析中能够准确模拟薄壁内衬复合管材层间力学性能，研究内容和结果可为埋地管道非开挖连续内衬修复技术提供理论依据。  
        关键词：薄壁衬层;再生复合管材;界面力学性能;本构关系   
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      • 孙兆云,韦金城,王林,李夏,吴文娟
        2021, 53(4): 101-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000595
        摘要：为解决黄河冲积平原地区粉土黏聚力低、水稳定性差等工程应用问题，以烧结法赤泥和基质沥青为主材制备粉土固化剂（RAC），对粉土进行综合稳定。按5%水泥优选掺量并附加0、2%、4%、6%、8% RAC成型稳定粉土试件，经过标准养护、浸水强度、循环加热、低温冻融、高温自愈等特定试验条件后，进行3、7和28 d龄期的抗压强度与单轴压缩弹性模量试验，对比分析不同掺量RAC稳定粉土综合路用性能的变化规律。采用扫描电镜（SEM）分别观察粉土、水泥稳定粉土和RAC稳定粉土的微观结构形貌和孔隙特征，进而探讨固化稳定机理。结合实体工程的应用实践对RAC稳定粉土的路用性能进行测试分析与验证。结果表明：与单掺水泥相比，RAC稳定粉土具有良好的力学性能和水稳定性，2%、4%、6%、8% RAC稳定粉土标准养护3 d，强度分别提高110%、146%、156%、161%，28 d龄期浸水强度损失率由大于50%降低至小于20%；5次循环加热水泥稳定粉土强度增幅不大，高于4%掺量的RAC稳定粉土强度增长超过140%；经低温冻融后，单掺水泥稳定粉土试件发生开裂损坏，而RAC稳定粉土试件完好无损，且强度损失率小于15%；高温自愈试验中，试件加载至90%极限荷载，循环加热5次后，2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土强度变化率分别为–8.3%、–2.3%、8.0%、12.9%。SEM图像显示RAC稳定使粉土形成密实的胶结凝聚体和均匀分布的孔径小于1 μm的非连通微孔结构，有利于稳定粉土水稳定性和抗冻性的提高；高温条件下沥青组分发生湿润黏结包裹粉土颗粒及水化产物，同时加速扩散填充内部孔隙和微裂缝，实现了土体的损伤修复和结构补强。实体工程采用“4%RAC+5%水泥”对粉土稳定后用于道路基层，通车后，通过现场取芯、FWD弯沉等测试分析，道路整体承载能力和使用状况良好，未出现裂缝、坑槽、松散等损坏现象。  
        关键词：道路工程;稳定粉土;对比试验;路用性能;微观结构;烧结法赤泥–沥青粉   
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      • 黄卫东,余明辉,姚仕明,渠庚
        2021, 53(4): 110-117. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000770
        摘要：潜坝是控制分汊型河道河势的常用工程之一，一般位于汊道口门处，该区域流态复杂，建成后潜坝及下游经常会遭到不同程度的冲刷导致不均匀沉陷，对其进行抛石加固是维持其功能的重要措施。抛石以往多用于护岸加固工程，传统的抛投落距公式适用于浅水区，对深水区抛石加固工程抛投落距研究不多，对抛投离散程度的研究更少，很难实现抛石准确定位。本文以长江下游和畅洲左汊口门潜坝加固工程为例，通过分析深水潜坝加固施工区水流流速的垂线分布规律，引入群体沉速的概念，推导出块石沉速、抛投落距和综合抛投离散参数公式，并用现场试验资料对其进行了验证和优化，确定了工程量扩大系数，实时实现施工准确定位及有效加固。该研究将传统的抛投落距公式延伸到深水区，同时对抛投离散程度进行了有益的探讨。研究基于现场试验成果，可为潜坝加固工程和其他类似工程的施工提供更可信的依据和参考。  
        关键词：潜坝加固;现场试验;施工定位;离散程度   
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      • 盖彤彤,曾森,于德湖,杨淑娟,孙宝娣
        2021, 53(4): 118-127. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000743
        摘要：索的受力状态关系着索体系桥梁的安全，索力值是衡量索力学状态的重要指标。目前，索的边界条件难以判别是影响索力识别结果准确性的重要因素。为此，利用ANSYS对拉索振动进行数值模拟，并借助已有索力计算公式对建模方式的可靠性进行验证，并生成模拟数据；然后，以索长、线密度、抗弯刚度、1阶频率、2阶频率、3阶频率为输入参数，以索力值为输出参数，结合振动模拟数据，分别建立BP神经网络和广义回归神经网络索力预测模型，并将两种神经网络索力预测模型和已有索力计算公式应用于实际工程中，并进行对比验证。结果表明：BP神经网络索力预测模型的神经网络结构为6–13–13–1，输入层与隐含层1、隐含层1与隐含层2、隐含层2与输出层之间的激励函数分别为tansig、tansig、purelin，训练算法为L–M优化算法trainlm，学习速率为0.1，网络迭代次数为1 000，显示间隔为100，均方误差为0.001，索力预测模型的预测效果良好，但还有进一步优化的空间；广义回归神经网络索力预测模型的最佳spread值为0.002 15，索力预测模型的预测效果优于BP神经网络和已有索力计算公式，且预测误差基本控制在5%以内。利用广义回归神经网络对桥梁索力进行预测，避免了索的边界条件判别错误对索力识别结果准确性的影响，提高了索力的识别精度，具有良好的工程应用价值。  
        关键词：索力;振动法;BP神经网络;广义回归神经网络   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张霄,孙玉学,张庆松,李相辉,尹占超,李壮,周政
        2021, 53(4): 128-139. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000556
        摘要：增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）作为干热岩资源开采的有效手段，具有广阔的发展前景和巨大的利用价值，因此，对其进行产能和寿命预测显得尤为重要。为实现双井EGS产能和寿命预测，利用理论推导和数值模拟的方法对不同工况下的EGS系统进行产能分析，最终得到双井EGS产能和寿命预测方法。首先，以Dupuit公式与吸放热公式为基础，建立EGS产能和寿命控制方程，为EGS寿命预测提供理论支撑。然后，根据地下水流动方程和热传导方程，结合牛顿冷却公式，分析出影响EGS产能和寿命控制方程中4个未知参数（热储减少热量、大地热补偿热量、生产井平均产出温度和热储形状系数）的5个因素分别为热储初始温度、热媒介质注入温度、热储体积、热储比表面积和EGS运行时间。在考虑大地热补偿的情况下，利用双井EGS的3维数值模拟分别对不同工况下的热储发生热突破时各未知参数的影响因素进行分析、修正和定量化研究，得到4个未知参数随5个因素变化的具体预测公式。基于上述结果得到一种适用于双井EGS产能和寿命的预测方法，即：利用EGS产能和寿命控制方程、4个未知参数的预测公式及热储渗透率对双井EGS产能和寿命进行预测。最后，利用于双井EGS产能和寿命的预测方法预测已有文献的工况并进行比较，两者结果较吻合，证明了控制方程和预测公式的适用性和预测方法的准确性。  
        关键词：增强型地热系统;干热岩;流–热耦合;EGS产能预测;EGS寿命预测   
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        发布时间：2024-01-10
      • 金保明,林鹏,李光敦
        2021, 53(4): 140-148. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000637
        摘要：滑坡往往发生在强降雨时期的陡峭山坡区域，建立滑坡预测模型是山坡地防灾重要策略之一。结合山坡运动波壤中流理论与无限边坡稳定分析理论，构建了降雨型浅层滑坡的预测模型。首先，根据运动波壤中流理论对坡面进行产汇流计算得到出口断面径流过程线及土壤蓄水量随时间与空间变化过程；然后，研究坡面出口处饱和水位随时间的变化特性；最后，根据无限边坡稳定分析理论计算坡面平均安全系数变化过程，对坡面稳定性进行分析。将模型应用于台湾高雄市那玛夏区达喀尔努瓦里，研究发现，在莫拉克台风期间滑坡发生的预测位置与卫星影像图所得到的结果一致，率定的土壤参数物理意义明显，说明此模型具有一定的可靠性。同时，分析了双峰降雨过程中坡面安全系数的变化规律。随着降雨量增大，壤中流流量快速增大，出口处饱和水位快速上升，坡面安全系数快速减小；当降雨量减少时，土壤排水速率大于降雨强度，饱和水位缓慢下降，安全系数缓慢增大至天然状态条件下的安全系数。在此基础上，进一步分析对称双峰降雨条件下表层土壤厚度对坡面稳定性的影响，结果显示，坡面安全系数随着土壤厚度增大而减小，在先小后大的降雨条件下土壤汇集的水量较多，发生滑坡的可能性增大。上述土壤蓄水机制的研究，可以为滑坡预测模型提供物理依据。  
        关键词：滑坡预测;运动波壤中流理论;降雨径流模拟;无限边坡稳定分析;安全系数   
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      • 陈英,谢辉,杨俊,王皓冉,刘昭伟
        2021, 53(4): 149-157. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000921
        摘要：软弱层间带裂隙岩石的水压弱化效应是水利工程长期稳定研究的重要方向。针对锦屏一级坝肩软弱层间带裂隙大理岩在高水压力作用下的长期变形特性，采用特定的岩石流变试验系统，开展不同水压作用下预制裂隙大理岩的蠕变试验；结合典型蠕变过程曲线分析水压对裂隙岩石蠕变变形、蠕变速率、蠕变破坏荷载及长期强度的影响，并基于蠕变破坏断口的电镜扫描成果，从细观角度分析岩石蠕变破坏机制。结果表明：裂隙大理岩宏观破裂现象与断口微观特征相吻合，随着水压的增加，岩石破裂形式逐渐由张拉破裂向剪切破裂过渡，破裂断口由凹凸锯齿状逐渐趋于平滑。压力水沿大理岩裂隙的“楔入”可加速原始裂纹的发育，促进岩石的蠕变发展，水压越大，“楔入”效应越明显，加速蠕变速率越大，加速阶段持续时间越短，蠕变破坏的分级荷载越小；相较于稳定蠕变阶段，水压对加速蠕变阶段的影响效应更大。裂隙大理岩长期强度约占完整岩石峰值强度的50%～70%，水压的增大会降低岩石的长期力学性能，并加速岩石的蠕变破坏；工程中，建议取稳定蠕变阶段最大一级强度作为裂隙大理岩的长期强度。研究成果的应用可提高锦屏一级水电站长期稳定运行评估的准确性，并为裂隙岩石蠕变本构模型研究提供重要支撑，具备显著的工程应用与理论研究价值。  
        关键词：水压;大理岩;裂隙岩石;电镜扫描;分级加载;蠕变特性;长期强度   
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      • 邹先坚,王川婴,宋欢
        2021, 53(4): 158-167. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000664
        摘要：岩体结构形态特征对岩土地质工程的开挖建设具有重要的意义，数字钻孔摄像技术是快速有效地直接获取孔内岩体结构形态的一种重要手段。针对现有数字全景钻孔摄像系统及其分析软件在现场复杂环境凸显出来的问题，本文提出一种孔内全景视频环状图像快速拼接融合成图方法。该方法通过转化原始孔内视频图像为众多有序的帧窄带状图像，并进行图像特征检测与匹配筛选，从而实现孔内全景图像的快速拼接融合。结果表明：该方法可在不完全依靠指南针或电子罗盘及深度编码器的情况下，快速完成孔内全景视频图像的连续拼接融合；拼接图像的横向、纵向分辨率和图像清晰度均提高了一个数量级，实际工作时间可减半；该方法能够实现拼接出图过程的智能化和自动化分析处理，减轻工作人员的负担，提高工作效率。本方法可仅仅依靠孔内视频图像的固有特征而快速有效地形成无偏差的高质量钻孔全景图像，促进了孔内摄像技术的发展，为高精度岩体工程勘察提供了一种更便捷有效的技术手段。  
        关键词：数字钻孔摄像;图像拼接;特征检测;数据融合;孔壁成像   
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        发布时间：2024-01-10
      • 成浩,曾国东,周敏,王晅,张家生,王佳
        2021, 53(4): 168-177. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000574
        摘要：结构物表面粗糙度是影响土体与结构接触面剪切力学特性的重要因素。为研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响，采用大型直剪仪进行不同粗糙条件下黏土–混凝土接触面剪切试验，分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律，并揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明：不同粗糙度条件下黏土–混凝土接触面剪切应力位移曲线均表现为剪切软化型，且粗糙度越大，曲线的峰值点越明显。粗糙度的增大能显著提高接触面的峰值剪切强度，且粗糙度的影响存在临界值；不同粗糙接触面的剪切破坏面形态特征分析结果表明，剪切过程中光滑接触面主要发生界面剪切滑移破坏，随着粗糙度的增大，土体与结构面间的摩擦、咬合作用得到增强，导致接触面剪切破坏逐渐向土体内部剪切破坏发展。接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成，通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数，并提出了粗糙效应系数与粗糙度间的函数关系式，最终建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型；最后将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析，模型计算最大相对误差为11.01%，平均相对误差为4.74%，验证了本文模型的准确性与合理性。  
        关键词：接触面;大型直剪试验;粗糙度;峰值剪切强度   
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        发布时间：2024-01-10
      • 高占远,薛素铎,罗大杰,杨伟奇
        2021, 53(4): 178-183. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000517
        摘要：劲性支撑穹顶结构在遭受意外冲击时，可能发生连续倒塌，造成财产损失，甚至人员伤亡，因此分析其连续倒塌性能十分必要。本文依据Levy型劲性支撑穹顶结构的特点，给出杆件阀值系数及其计算公式，提出连续倒塌判别准则及倒塌类型；基于响应差值的损伤系数，给出杆件重要性系数；依据杆件重要性系数对Levy型劲性支撑穹顶结构的杆件重要性进行计算并排序；基于连续倒塌判别准则和杆件重要性分析结果，提出连续倒塌分析方法和流程，分析结构的连续倒塌性能，矢跨比、初始预应力对连续倒塌性能的影响，给出劲性支撑穹顶结构抗连续倒塌的方法。研究表明：Levy型劲性支撑穹顶结构的连续倒塌类型分为无倒塌、局部倒塌和整体倒塌；结构外环杆重要性系数最大，其次是内环杆；外环杆、内环杆和节点发生破坏，结构将发生连续倒塌，其它杆件破坏结构不会发生倒塌；矢跨比越小、初始预应力越大，杆件的重要性越小；加强节点和环向杆件根数可提高结构的抗连续倒塌能力。  
        关键词：劲性支撑穹顶结构;倒塌分析;判别准则;抗倒塌措施   
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        发布时间：2024-01-10
      • 高矗,孔祥振,申向东
        2021, 53(4): 184-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000418
        摘要：为在特定灾变程度下，对轻骨料混凝土抗冻融性能进行精确定量描述及预测，通过反复加载对轻骨料混凝土预加初始应力损伤来模拟灾变，以相对动弹性模量为评价指标，研究初始损伤度分别为0、0.05、0.12、0.19、0.27的轻骨料混凝土抗冻融性能；将灰色系统理论引入混凝土抗冻耐久性研究中，利用相对动弹性模量实测数据建立基于GM(1,1)的应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能预测模型，与修正的Loland混凝土损伤模型对比并进行精度分析；借助建立的GM(1,1)预测模型定量研究初始应力损伤对轻骨料混凝土抗冻耐久性的影响并预测其抗冻耐久寿命。结果表明：初始应力损伤会加速轻骨料混凝土抗冻融性能劣化，且初始损伤度越大劣化速率越快；各初始损伤度下GM(1,1)模型的平均相对误差均小于4.5%，GM(1,1)模型的预测精度整体上优于修正Loland模型；轻骨料混凝土自身具有良好的抗冻融性能，在内蒙古中西部地区抗冻耐久寿命可达45 a，当初始损伤度为0.05、0.12、0.19、0.27时，抗冻耐久寿命分别缩短至30、25、17.5、10 a。基于GM(1,1)的应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能预测模型可实现对灾变后轻骨料混凝土全寿命周期内抗冻融性能较为精确的定量评估，为指导北方寒旱区轻骨料混凝土工程实践提供理论依据。  
        关键词：应力损伤;轻骨料混凝土;抗冻性;灰色系统理论;GM(1,1)   
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        发布时间：2024-01-10
      • 邵晓泉,迟世春,张宗亮
        2021, 53(4): 191-199. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000712
        摘要：颗粒破碎是影响堆石料强度和变形特性的重要因素，但目前针对颗粒破碎的模拟研究多在静力荷载条件下。为研究颗粒破碎对小应变条件下堆石料的动力变形特性的影响，采用多个等粒径小球按最密六方排列随机组合模拟不规则形状的堆石颗粒，通过碎片替换法模拟颗粒破碎，研究了花岗岩堆石料不同围压下的动力响应，探索了孔隙率对动弹性模量的影响，分析了振动过程中的颗粒破碎规律及配位数的频率分布。结果表明,模拟的骨架曲线与室内试验结果具有较好的一致性，数值模拟可以较好地再现不同围压下堆石料的动力变形特征。在相同围压和动应力条件下，考虑颗粒破碎的试样会产生更多不可恢复的变形，动应变会明显增大，动弹性模量降低。振动过程中集合体的有效配位数会减小，与不考虑颗粒破碎的情况对比，考虑颗粒破碎的试样具有更多的力学不稳定颗粒，有效配位数的降低更显著。颗粒破碎会加快动模量随动应变增长而衰减的速率。孔隙率小的试样有效配位数高，且受力性能更好。在相同动应力条件下颗粒破碎较少，动弹性模量随动应变的增加而衰减的速率较慢，最大动弹性模量约为大孔隙率试样的1.2倍。最大动弹性模量主要与有效平均主应力和孔隙率相关，Hardin等提出的经验公式可以较好地描述最大动弹性模量与孔隙比和平均有效主应力的关系。该成果有助于认识粗粒料动荷载下的变形规律，为研究动荷载下的颗粒破碎行为提供参考。  
        关键词：离散元;动弹性模量;颗粒破碎;孔隙率   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 宋寿鹏,李棋
        2021, 53(4): 200-208. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100276
        摘要：针对超声成像中自适应波束形成算法计算效率低的问题，提出了一种基于空域抽样与相干因子融合的自适应波束形成算法。该算法通过分析阵列数据波束图，推导出不同阵元数目下的最大抽取因子，将阵列中所有阵元接收的数据按最大抽取因子进行空域等间隔抽样，得到阵元稀疏后的回波数据，减少了采集数据量。将空域抽样数据输入波束形成器，计算其协方差矩阵，再将协方差矩阵构造为Toeplitz矩阵，结合最小方差原理从构造的Toeplitz矩阵计算出抽样数据的自适应加权值，并引入相干因子对自适应加权值进行修正，以突出抽样数据中的有效信息，抑制干扰成份。在使用不对等数据信息和使用空域抽样数据成像的情况下，采用该算法、最小方差算法和融合相干因子的最小方差算法分别对裂纹和横通孔缺陷仿真成像。结果表明：在数据信息不对等时，在成像质量上，该算法介于另外两种算法之间；在成像时间上，与另外两种算法相比，该算法的成像时间平均减少85%以上。在相同的空域抽样数据下，在成像质量上，该算法成像效果优于其他算法；在成像时间上，与另外两种算法相比，该算法的成像时间平均减少65%以上。  
        关键词：波束形成算法;空域抽样;相干因子;计算复杂度   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 毛清华,李晶,徐小龙,张旭辉,万翔
        2021, 53(4): 209-216. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000793
        摘要：针对矿用在役提升钢丝绳由于摆振等原因导致的磁化不均匀问题，提出了一种径向永磁环组合励磁结构。首先，根据毕奥–萨伐尔定律对永磁环磁场分布进行了理论建模。然后，从理论上分析了影响永磁环的磁场分布的关键参数及对其磁场分布的影响规律，为励磁结构参数设定奠定了理论基础。最后，运用优化后的轴向永磁环组合和径向永磁环组合励磁结构对钢丝绳正常与摆振运行下的均匀磁化效果进行了仿真对比分析，结果表明：本文提出的径向永磁环组合励磁结构比同体积轴向永磁环组合的励磁结构磁化效果较好，前者更容易安装更换传感器和聚磁器，简化了磁化器，且摆振扰动对钢丝绳的均匀磁化影响较小。本研究为矿用在役提升钢丝绳损伤定量评价奠定了基础，有效预防矿用提升钢丝绳断裂事故的发生。  
        关键词：提升钢丝绳;永磁环;励磁;均匀磁化;摆振   
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        发布时间：2024-01-10
      • 石昌帅,陈凯林,祝效华
        2021, 53(4): 217-225. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000801
        摘要：稠油开采中使用最广的普通丁腈橡胶的螺杆泵容易发生定子衬套的烧心穿孔失效，昂贵的氢化丁腈橡胶耐高温却没有确切的使用深度和截面参数选择依据。为解决以上问题，首先基于普通丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶热老化和拉伸试验拟合了橡胶超弹性本构模型，然后使用单向解耦法分解滞后生热过程建立了一种新型有限元模型，最后使用研究了工作井深、过盈量和壁厚对两种橡胶材料等壁厚单头螺杆泵的滞后生热影响规律，并列出3种因素的正交表。研究结果表明：普通丁腈橡胶在70 ℃及以下工作温度（对应工作深度1 667 m）中性能优于氢化丁腈，使用该螺杆泵具有较高的性价比，然而它在高温环境会发生严重老化，是目前应用中发生烧心穿孔失效的主要原因；氢化丁腈橡胶在150 ℃的工作温度（对应工作深度4 333 m）才开始出现老化，比普通丁腈力学性能稳定，所以可靠性占优；由于液柱压力和橡胶老化作用，两种橡胶的定子衬套与转子之间的最大应力均随工作深度增加呈现先降低后增加的规律；随着过盈量的增加，螺杆泵密封性能提高，截面的最高温度呈开口向上的上升二次函数；橡胶衬套壁厚每增加2 mm，内壁真实位移平均增加0.059～0.067 mm，对应增长率19%～28%，随着壁厚的增加，截面的最高温度呈开口向上的下降二次函数。综上所述，1 667 m是两种橡胶螺杆泵的使用分界线，过盈量取不漏失条件下最小值0.5 mm，壁厚取不漏失条件下最大值12 mm。研究结果为合理匹配定子橡胶衬套参数、优选定子橡胶材料以及提升螺杆泵全寿命周期工作性能提供理论支撑。  
        关键词：单向解耦;等壁厚螺杆泵;氢化丁腈;采油技术   
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        发布时间：2024-01-10
      • 胡腾,王虎,阳红,郑华林,刘雁
        2021, 53(4): 226-232. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000506
        摘要：传统铣削稳定性预报大多仅针对切削宽度恒定的定工况，其结果并不适用于在切宽具有时变特征的变工况下指导选取无颤振铣削工艺参数。为此，以再生型铣削颤振机理为理论基础，通过推导基于时变径向切削宽度的刀齿切入/切出角，并综合考虑切削过程阻尼与刀尖点动力学行为非对称性，构建变工况两自由度铣削动力学模型；进而，在由转速、轴向切深、径向切宽所创成的变工况3维空间内，借助时域全离散方法对动力学模型稳定性进行判定，并绘制3维稳定性叶瓣曲面，从而形成一套针对变工况的3维铣削稳定性预报方法体系。以某型立式加工中心为平台，通过实施典型变工况铣削实验，对所提3维稳定性预报方法进行验证。数据对比分析表明，所提方法能较准确地预报变工况下稳定极限铣削工艺参数，与实测数据相比，其最大相对误差为5.9%。以该预报结果作为边界约束条件，有利于实现面向最大金属去除率的铣削工艺参数优化。  
        关键词：变工况;铣削颤振;3维稳定性;预报方法   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 郭家秀,史雪珂,范爱东,李建军,楚英豪,袁山东
        2021, 53(4): 233-239. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001081
        摘要：为了提高钙钛矿型锰酸镧的脱硝性能，采用柠檬酸溶胶–凝胶法一步合成一系列Ce改性的钙钛矿型La–Mn复合氧化物催化剂，并利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）、N2吸脱附（BET）和程序升温技术（H2–TPR/NH3–TPD）表征方法对其结构、形貌、组成、表面物理化学性质等进行表征。活性测试结果表明：Ce改性后的钙钛矿型La–Mn复合氧化物催化剂的脱硝性能均得到了提升，当Ce∶Mn摩尔比为0.2时，催化剂具有最优异的脱硝活性，在135 ℃时可达到90%的NOx转化率，在135～260 ℃的温度窗口范围内保持90%以上的NOx转化率。XRD结果表明：Ce改性后的钙钛矿型La–Mn复合氧化物具有多孔结构并能保持LaMnO3.15的钙钛矿结构。然而，Ce离子并没有完全进入钙钛矿结构中，部分以氧化物的形式覆盖在催化剂表面，同时，导致晶格中部分Mn以Mn3O4的形式从钙钛矿结构中溢出，从而保持结构的稳定性和电荷平衡。SEM和BET结果表明：引入Ce后，催化剂的比表面积增加，提供更多的活性位点，促进脱硝反应的进行。XPS结果表明：Ce改性后的催化剂会产生更多的Mn4+以及化学吸附氧，促进了NO的氧化。程序升温技术结果表明：Ce改性后的催化剂具有更优异的氧化还原性能以及更多的酸性位点，有利于脱硝反应的进行。因此，Ce改性锰酸镧会通过促进NO的氧化和NH3的吸附来提高脱硝性能。  
        关键词：Ce改性;锰酸镧;脱硝   
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        发布时间：2024-01-10
      • 朱晓波,王涛,李望
        2021, 53(4): 240-246. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000697
        摘要：赤泥是生产氧化铝过程排放的固体废弃物，其中富含钇等稀有金属，是一种重要的二次矿产资源。针对目前赤泥浸出提钇过程存在杂质元素协同溶解显著的问题，利用醋酸选择性浸出赤泥中的钇，考察了醋酸浓度、液固比、浸出温度、浸出时间对赤泥中钇浸出率的影响。采用2–乙基己基磷酸单2–乙基己基酯（P507）萃取分离醋酸浸出液中钇，考察了P507浓度、萃取pH值、萃取时间和O/A等对钇萃取率及反萃率的影响。同时利用XRD、SEM−EDS等微观检测手段和浸出、萃取热力学理论分析选择性浸出和溶剂萃取过程。结果表明：在醋酸溶液pH值为0.1，液固比为10 mL/g，浸出温度为50 ℃，浸出时间为1 h的条件下，钇、铝、铁的浸出率分别为83%、54%和5%，而赤泥中钙、钠、钾几乎全部溶解。醋酸能够实现选择性破坏含钠、钾、钙、铝、硅的钙霞石晶体结构，赤泥中各氧化物的浸出反应吉布斯自由能变均小于0，其溶解顺序为氧化钠>氧化钾>氧化钙>氧化钇>氧化铝>氧化铁。在P507浓度为5%，溶液pH值为0.5、萃取时间为6 min和O/A为1∶5条件下，醋酸浸出液中钇的萃取率大于99%，而铝、铁萃取率小于10%，钠、钾和钙的萃取率接近于0。根据钇萃取的McCable−Thiele图谱分析，含钇醋酸浸出液采用P507经3级逆流萃取，可进一步实现浸出液中钇与铝、铁、钙、钠、钾等杂质离子的分离。负载钇有机相在硫酸体积浓度为8%和反萃时间为7 min的条件下进行反萃，钇反萃率接近100%，铁反萃率为29%，较好地实现了钇与铁的分离。  
        关键词：钇;醋酸;浸出;萃取;赤泥   
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        发布时间：2024-01-10
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