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期刊信息/Journal information
中南大学学报（自然科学版）
中南大学
中南大学学报（自然科学版）

中南大学

黄伯云

月刊

1672-7207

zngdxb@csu.edu.cn

0731-88879765

410083

湖南省长沙市中南大学校内

中南大学学报（自然科学版）/Journal Journal of Central South University（Science and Technology)CSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是中南大学主办的一本以有色金属和稀有金属为主的综合性学术刊物，主要刊登地质采矿、矿物工程、有色冶金、材料科学与工程、机械工程、自动控制工程、计算机科学、应用数理化等方面的学术论文和科研成果，可供有关高等院校师生，研究院研究人员、厂矿企业及地质队工程技术人员在教学、科研和生产工作中参考。
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    致密砂岩三元孔喉结构特征:以鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段致密砂岩为例

    王伟朱玉双梁正中
    1361-1373页
    查看更多>>摘要：致密砂岩的孔隙结构特征对于致密油藏的勘探开发至关重要，然而，目前有关不同尺度孔隙形态特征差异的研究较少，给致密油藏的勘探评价带来了较大挑战。为此，本文利用铸体薄片、扫描电镜、压汞测试分析鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段致密砂岩孔隙结构特征。研究结果表明:致密砂岩具有由复合孔隙、颗粒孔隙和晶间孔隙组成的三元孔隙结构特征。复合孔隙结构为刺球模型，其半径大，连通性强;颗粒孔隙结构为羽毛球模型，其孔隙半径和连通性处于中等水平;晶间孔隙结构为颗粒填充的包络面，这类孔隙半径小、连通性差。在致密砂岩内部，剩余粒间孔隙和溶蚀孔隙主要影响致密砂岩储集空间，复合孔隙主要影响致密砂岩连通性。由于复合孔隙在形成过程中具有多条连接通道，因此该类孔隙相比其他孔隙具有更高的连通性。当致密砂岩中复合孔隙占比较高时，流体在其中的流动过程会更为均匀，进而形成较大面积且含油饱和度高的砂体。临近烃源岩、溶蚀作用强烈、复合孔隙占比高的致密储层是致密油藏开发利用的有利区。总之，致密砂岩孔隙形态的多元性揭示了不同类型孔隙对储层储集性和连通性的影响差异，本文研究成果可为致密砂岩勘探评价提供地质依据。

    致密砂岩孔隙结构分形鄂尔多斯盆地

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    多因素耦合的混凝土结构硫酸盐传输多尺度模拟分析

    郭文华吴彪陈定市
    1374-1387页
    查看更多>>摘要：提出一种能考虑多因素耦合的混凝土结构硫酸盐传输多尺度模拟分析方法。基于Fick第二定律与化学反应动力学提出一种同时包括离子浓度梯度作用、考虑离子活性的化学反应消耗、钙溶蚀、钙矾石膨胀、温度等多因素耦合的硫酸盐传输模型。首先，将混凝土结构等效为一种匀质材料，从宏观尺度研究匀质混凝土结构硫酸盐传输规律，通过与试验结果对比，验证传输模型的有效性。然后，基于Monte Carlo方法和Fuller级配曲线，建立能够真实反映混凝土随机性与非均质性的随机骨料混凝土模型，从细观尺度研究在随机粒径和位置的骨料影响下混凝土结构硫酸盐传输特征。研究结果表明:当外界硫酸根离子质量分数越大、温度越高、孔隙溶液中钙离子浓度越大时，混凝土中硫酸根离子质量分数显著增大。钙溶蚀固液平衡转化比其导致的混凝土孔隙率改变对硫酸根离子传输的影响更显著;此外，细观尺度下的硫酸盐传输模型很好体现了骨料的粒径和位置的随机性导致的硫酸根离子浓度分布呈现的随机性与不均匀性现象，同时，骨料的存在使得靠近侵蚀边界的骨料外侧硫酸根离子聚集偏多，远离侵蚀边界的骨料外侧硫酸根离子质量分数偏低。

    硫酸盐传输随机骨料混凝土多尺度

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    装配式混凝土墙板新型键槽接缝受剪性能研究

    罗小勇邢民亮肖扬程俊峰...
    1388-1405页
    查看更多>>摘要：为研究适用于低多层装配式混凝土(PC)墙板的新型键槽接缝界面的受剪性能，设计并制作2组共8个键槽式接缝连接的PC墙板试件，开展单向推剪加载试验和扩展参数数值分析，分别探讨轴压比、结合面砂浆强度及键槽构造形式等因素对键槽界面受剪性能的影响;提出新型键槽接缝界面的受剪承载力计算公式，并构建键槽接缝界面的剪力-滑移模型。研究结果表明:轴压比对接缝破坏形态和受剪承载力均具有显著影响，增大轴压比后，裂缝发展更为充分，局部混凝土出现剥落甚至压溃，接缝的受剪承载力与轴压比近似呈线性关系。提高结合面砂浆强度可较大幅度地提升接缝的受剪承载力，对比普通填充砂浆，采用高强砂浆连接试件的受剪承载力提高了57。2%。合理的键槽界面构造可有效提高接缝的受剪承载力，相较于传统的平直缝界面，深度为50 mm、倾斜倒角为11。3°的键槽界面的受剪承载力提升了16。5%。本文所提公式受剪承载力计算结果与试验结果吻合较好，所提模型能准确预测键槽界面的受剪行为。

    装配式混凝土(PC)墙板新型键槽接缝单向推剪加载试验数值分析受剪承载力

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    近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究

    伍福寿张学民韩淼陈进...
    1406-1417页
    查看更多>>摘要：为研究新建隧道爆破地震波不同成分对既有隧道结构安全的影响，基于地震学极化偏振原理，结合现场爆破振动监测和ANSYS/LS-DYNA数值模型，分析既有隧道衬砌振动波型的成分构成及特性，探讨既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速的关联性。研究结果表明:新建隧道MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11和MS13段毫秒延期爆破P、S和R波对既有隧道衬砌质点振动均有贡献，各段别前期均由传播速度最快的P波主导，而后S波和R波相继成为主导波型;地震波传播路径及测振点的位置与波型成分密切相关，新建隧道已开挖和未开挖2个区域所对应的既有隧道质点振动特性存在显著差异，当L/D>1。58(L为距爆源中心的水平距离，D为隧道净距)时，未开挖区域的S波最大幅值超过P波最大幅值，成为后续区段质点振动的主导波型;既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速线性相关性较好，安全振速阈值为10。53 cm/s。

    近接隧道爆破地震波衰减特性安全振速阈值

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    巴东组泥岩大断面隧道开挖面大变形滑塌失稳机制与防治措施研究

    吕敬康阳军生郑响凑汤宇...
    1418-1432页
    查看更多>>摘要：隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏，为此，本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象，开展系列室内试验，揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响，基于Hoek-Brown强度准则将室内试验获取的完整岩体的强度参数转化为现场岩体参数，并采用两相单质点流固耦合物质点法(MPM)对隧道开挖面滑塌失稳大变形全过程进行模拟，并结合现场评价超前帷幕注浆预加固措施的有效性。研究结果表明:开挖面滑塌失稳过程可大致分为开挖面隆起变形、开挖面局部失稳及滑塌体加速运动、滑塌体稳定这3个主要阶段。随着开挖面前方滑塌体的加速运动，围岩的渗流场发生明显的变化，渗水形态呈"漏斗状"，水流向开挖面"缺口"汇集;滑塌体稳定后呈锥体状堆积，滑塌体坡脚与开挖面的距离约25 m，与现场滑塌体最终形态较吻合。采取超前帷幕注浆预加固措施后围岩稳定性较好，确保了隧道施工安全顺利推进。流固耦合物质点法可动态再现地下水渗流作用下软弱地层隧道滑塌失稳破坏全过程，可为类似工程研究提供参考。

    巴东组泥岩大变形失稳流固耦合物质点法帷幕注浆

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    高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

    李梓焜张学民武朝光陈治亚...
    1433-1446页
    查看更多>>摘要：针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题，使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔，开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验，分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成"类爆炸坑"，产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底，吸收了孔底处大部分的激光能量，抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀，随着激光持续辐照，岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4。5 kW的激光水平辐照10 s后，岩样的单轴抗压强度从63。31 MPa降低至42。36 MPa，其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4。5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95。03%，比能增加15。3%，证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

    隧道工程激光破岩成孔特性热裂特性成孔能效

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    饱和土地区不同直径盾构穿越既有隧道的理论研究

    丁智张默爆张霄魏新江...
    1447-1462页
    查看更多>>摘要：随着城市地铁隧道空间断面的多元化发展，既有隧道不可避免地面临不同直径盾构穿越的巨大风险。基于半无限饱和土初值解，考虑盾构机直径与类型，提出开挖面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力等施工参数的修正计算方法，推导出饱和软土地区不同直径盾构穿越引起既有隧道竖向变形的计算公式。研究结果表明:相较于已有文献中计算方法，本文计算方法在预测饱和土大直径盾构穿越引起的既有隧道变形时更有优势。盾构斜穿既有隧道时纵向沉降槽会发生偏移，变形在盾构离开隧道轴线4。5倍盾构机长度后趋于稳定。不同类型盾构机开挖面稳定原理的差异性是影响计算结果的关键因素，考虑泥浆重度分布的开挖面附加推力比考虑挤土效应的开挖面附加推力对盾构直径变化更为敏感。

    盾构隧道饱和土盾构穿越大直径开挖面

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    渗流地层地铁联络通道冻结壁形成过程及其影响因素分析

    刘欣冯利华任全军沈宇鹏...
    1463-1476页
    查看更多>>摘要：冻结法凭借封水性好、适应性强和环境影响小等优势成为地铁联络通道施工的主要工法之一，而地下水渗流易引起冻结壁交圈时间延后、厚度和平均温度不及预期，对冻结工程的推进具有不利影响。本文采用频域反射法获取饱和砂砾石未冻水体积分数和温度的函数关系式，基于多孔介质传热和渗流理论，建立考虑相变的饱和地层渗流冻结流热耦合数学模型，利用联络通道冻结模型试验结果验证流热耦合模型的有效性。在此基础上，研究渗流速度、冷媒温度、冻结管直径和渗流温度对联络通道冻结壁形成过程和交圈时间的影响规律。最后，采用正交试验方法对冻结壁形成过程影响因素的显著性进行分析，提出考虑多因素影响的冻结壁交圈时间和标厚时间预测方法。研究结果表明:无渗流时，联络通道冻结温度场呈W型对称分布;当渗流速度为51。2 m/d时，地层温度场不再呈对称分布，上游区域温度高于下游区域温度。渗流速度是影响联络通道冻结壁形成的首要因素，冻结管直径和冷媒温度次之，渗流温度对交圈时间的影响较小。上游侧墙是渗流地层冻结壁扩展的薄弱环节，应加强该区域温度场的监测，跟踪冻结壁的形成过程。

    联络通道人工地层冻结冻结壁渗流温度场

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    基于深度学习的超大直径盾构姿态预测研究

    丰土根胡锦健张箭
    1477-1491页
    查看更多>>摘要：传统的盾构姿态纠偏措施多是在盾构机实际轴线已经偏离设计轴线之后采取的被动控制措施，具有一定的滞后性，而盾构姿态纠偏不及时会给施工过程和完成后的隧道本身带来严重的危害。为了准确预测盾构姿态偏差，为提前纠偏提供决策支持，本文依托江阴—靖江长江隧道超大直径盾构施工项目，提出一种基于CNN-EMD-LSTM的深度学习模型，该模型既能捕捉时间序列的维度特征和时变特征，又能提高盾构姿态数据分解重构方法的预测精度;通过消融实验对CNN-EMD-LSTM模型中每个部分的重要性进行探讨，并对CNN-EMD-LSTM模型在不同窗口长度、不同滑动步长下的预测效果进行对比。研究结果表明:CNN-EMD-LSTM模型对超大直径盾构姿态的预测效果较好;可以通过调节不同推进区间的压力进行盾构姿态纠偏;CNN-EMD-LSTM模型中各个部分按重要性从大到小排序依次为EMD、CNN、LSTM;窗口长度过大或过小都会增大模型预测误差，而滑动步长越小模型的预测效果越好。

    超大直径盾构姿态预测姿态纠偏消融实验CNN-EMD-LSTM

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    OPC-MCA固化剂对盾构废泥的固化性能及其微观作用机制研究

    张恒根王卫华邓声贵何昊...
    1492-1508页
    查看更多>>摘要：通过添加高炉矿渣(GGBS)、脱硫石膏(FGDG)、铝酸钙粉、生石灰和明矾到普通硅酸盐水泥P。O42。5(OPC)中，制备一种新型盾构废泥改良材料OPC-MCA。首先，通过正交测试法确定OPC-MCA中各原料的最优配比。然后，使用该材料和OPC在10%～40%的掺量下处理芜湖市城南过江隧道工程产生的盾构废泥，并检测不同固化时间(3、7、28 d)下的抗压强度。最后，采用扫描电镜(SEM)、工业CT系统和X射线衍射(XRD)观察和分析固化后废泥试样的微观形貌、孔隙和裂纹特征以及矿物成分变化。研究结果表明:OPC-MCA的最优材料配比为51%OPC、32%GGBS、8%FGDG、5%铝酸钙粉、3%生石灰、1%明矾;OPC-MCA对芜湖盾构废泥的固化能力比OPC的强，在低掺量情况下更是如此;固化剂掺量和固化时间的增加会导致试样强度增加、脆性增强，并使部分试样转变为拉伸破坏;在OPC-MCA固化的试样中检测到了OPC固化试样中未检测到的水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和单硫型硫铝酸盐(AFm)，并且钙矾石(AFt)含量也更高;在同等掺量下，OPC-MCA固化试样中大尺寸孔隙的比例以及孔隙的总体积均比OPC固化试样的小。

    盾构废泥固化剂CT扫描力学性能反应机理

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