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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。
正式出版
收录年代

    混合均匀度对粗粒土强度特性影响的试验研究

    黄超唐明扬张升童晨曦...
    2175-2186页
    查看更多>>摘要：现有研究普遍将粗粒土视为均匀的二元混合料，忽略了粗细颗粒混合均匀程度对其强度特性的影响。为此，首先，提出了一种描述粗粒土混合均匀程度的定量指标Me;其次，通过静三轴试验探讨了应力-应变曲线、弹性模量、破坏强度及抗剪强度指标与混合均匀度Me的内在关系;最后，基于静三轴试验结果，建立了一种综合考虑围压和Me影响的修正邓肯-张模型，并对其适用性及合理性进行鲁棒性验证。研究结果表明:应力-应变曲线随着围压增大而逐渐由应变软化型向应变硬化型曲线过渡;随着Me减小，应力-应变曲线由应变硬化型逐渐发展为应变软化型曲线;当围压与Me增大时，弹性模量与破坏强度均随之增大，且弹性模量在Me从0。25降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的41。3%，破坏强度在Me从1降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的40%以上;随着Me逐渐下降，试样的整体骨架-密实结构在不同区域分别向局部骨架-空隙结构、局部悬浮-密实结构转变，进而致使黏聚力、内摩擦角均随Me下降而逐渐衰减。

    道路工程粗粒土混合均匀度强度特性邓肯-张模型

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    多频共振发生的条件及性质

    姚彻魏晓军
    2187-2197页
    查看更多>>摘要：对结构能否发生多频共振及发生多频共振的种数进行理论分析，并给出分析步骤。在非线性情况下通过作图对多频共振发生区域的几何性质进行分析，并从力学角度对其物理意义进行阐述，最后通过实例对多频共振发生的条件及性质理论进行验证。研究结果表明:在线性情况下，可精确判断出所选频率间是"不存在多频共振"、"存在一种多频共振"还是"存在无穷多种多频共振";在非线性情况下，发现在大的共振区域越能形成大的非共振区域;在结构含有3个频率(其中包括固有频率及外荷载频率)时，以2组频率比为横、纵坐标绘图，发现当图中点的2个坐标分量的最简公分母很小时，该点附近以及此类点连线附近会存在较大的多频共振区域;在结构含有2个频率且当截断数为n时，增大非线性耦合强度K，最晚发生多频共振的频率比为截断数为n+1时最早发生多频共振的频率比，因此，在非线性动力学研究中，需谨慎考虑内共振可能出现的情形。

    多频共振非线性区域

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    饱水-失水循环劣化条件下泥岩层理裂隙演化特征

    屈文航贾鹏飞陈子浩李瑞珂...
    2198-2207页
    查看更多>>摘要：为了研究饱水-失水循环劣化条件下膨胀性泥岩的裂隙演化特征，首先，对制备的圆柱体泥岩样品进行5次饱水-失水循环试验;然后，对原状样、1次和5次循环后的泥岩样品进行CT扫描;最后，结合图像分析技术对泥岩内部层理裂隙网络进行三维数字重构，对泥岩层理裂隙演化特征进行定性和定量分析。研究结果表明:重构的三维数字模型体积与真实泥岩样品体积相近，能够准确地表征样品体积特征和变化情况;随着饱水-失水循环次数增加，泥岩在不同部位上呈现出不同的发展趋势，即上部的裂隙增长速率较快，而下部的增长速率相对较慢;随着饱水-失水循环次数增加，裂隙总体积和连通裂隙体积不断增大，而独立裂隙的体积基本保持不变;随着饱水-失水循环次数增加，孔隙网络模型中各参量都呈增大趋势，裂隙的宽度和连通性都逐渐增大;在饱水-失水循环中，楔裂压力作用形成连通的层理主裂隙，失水收缩作用形成矩形裂隙网络。

    泥岩层理裂隙饱水-失水循环显微CT扫描

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    鄂尔多斯盆地长73亚段储层微观孔隙结构和固液作用力

    沈瑞徐蕾李洋杨航...
    2208-2221页
    查看更多>>摘要：针对鄂尔多斯盆地长73亚段页岩储层孔隙结构和固液作用力问题，首先，通过聚焦离子束电子显微镜、计算机断层扫描技术和原子力显微镜对纯页岩储层样品开展研究;其次，结合Avizo软件建立页岩多尺度三维重构模型，定量分析页岩孔隙结构特征;最后，提出页岩储层固液相互作用黏附力测试方法，测定原油与孔隙壁面之间的黏附力。研究结果表明:长73储层发育有粒间孔、粒内孔和有机质孔隙，有机质孔隙形状主要有条状、弯月状和椭圆状;在微米尺度下，可以清晰看到层理缝;在纳米尺度下，不同页岩结构的样品孔隙结构特征无明显差异，孔喉形态多为片状和条状;有机质与原油之间的黏附力最大，长英质与原油之间的黏附力次之，层理面与原油之间的黏附力最小，3种平均黏附力分别为0。098、0。063和0。041 μN，长73页岩储层中壁面原油启动难度较大，这从力学角度解释了该区为原位转化重点区域的原因。

    页岩油孔隙结构渗流黏附力有机质孔原子力显微镜

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    超深埋隧洞防渗排水措施与衬砌外水压力分布规律

    苏凯杨逢杰年夫喜朱洪泽...
    2222-2235页
    查看更多>>摘要：高外水压力是制约超深埋水工隧洞建设的关键性难题之一，以排水孔为中心的综合堵排措施是降低外水压力的主要举措。为克服传统排水孔实体单元法整体网格划分难度大和计算效率较低的问题，首先，基于ABAQUS平台开发了两节点排水孔线单元模型，并验证其在隧洞工程数值模拟分析中的正确性和有效性;其次，建立了考虑防渗排水措施的围岩-衬砌三维有限元模型，研究多种防渗排水措施下的隧洞渗流场及衬砌外水压力分布规律;最后，探讨了防渗灌浆圈与排水孔设计参数对外水压力分布的影响，提出了防渗灌浆圈与排水孔间隔布置的原则。研究结果表明:所开发的两节点排水孔线单元具有较高的精度，在排水孔数目繁多的模型中具有极高效率;排水孔数目越多、深度越大、排距越小，衬砌外水压力越低;排水孔能够有效降低衬砌的外水压力，而防渗灌浆圈降外压能力有限;在排水孔末端间隔一定厚度围岩后再施作防渗灌浆圈，可更有效发挥两者的降压作用。

    水工隧洞混凝土衬砌高外水压力排水孔防渗灌浆圈

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    环境因素影响下无砟轨道底座板早期温度场模拟

    董博蔡小培陈泽林钟阳龙...
    2236-2246页
    查看更多>>摘要：为准确反映无砟轨道早期温度场，本文提出基于等效龄期法的底座板水化放热模型。首先，分析底座板早期热量传递过程，明确早期温度场的关键影响因素;其次，根据混凝土等效龄期成熟度理论，建立基于等效龄期法的底座板早期温度场分析模型;第三，基于有限元软件的子程序开发功能，通过自编程序实现模型内等效龄期水化放热、对流换热、太阳辐射、基础温度等因素的全面真实模拟;最后，对比分析多种环境因素下采用等效龄期法与传统非等效龄期法的底座板早期热学性能差异。研究结果表明:底座板早期温度场的众多影响因素中，太阳辐射的影响最显著;采用等效龄期法得出的底座板早期温度比非等效龄期法普遍更高，温升幅度为2～6℃;使用等效龄期法有效提升了底座板水化放热速率、累计放热量、温度等热学性能的模拟精度，提升幅度可达2%～10%，这表明等效龄期法在无砟轨道早期温度场模拟方面具有较大优势。

    底座板早龄期水化反应等效龄期温度场

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    钢管预置集料混凝土中长柱受压性能试验

    吕晶郑健龙韩文超张金翼...
    2247-2259页
    查看更多>>摘要：为了探究钢管预置集料混凝土中长柱受压性能，首先，考虑混凝土类型、混凝土强度、径厚比、长径比和偏心率等参数影响，设计了11根钢管预置集料混凝土中长柱和3根普通钢管混凝土中长柱;其次，通过轴压和偏压试验，并结合有限元分析法，研究了试件破坏形态、承载力、变形特征等变化规律;最后，基于极限平衡理论，提出了适用于钢管预置集料混凝土中长柱轴压与偏压承载力计算公式。研究结果表明:钢管预置集料混凝土中长柱破坏形态与普通钢管混凝土中长柱的破坏形态相似，均为弯曲失稳破坏;钢管预置集料混凝土中长柱承载能力与普通钢管混凝土中长柱承载能力相当，但钢管预置集料混凝土试件轴向刚度是普通钢管混凝土试件轴向刚度的1。2倍左右，表现出良好的抗变形能力;钢管预置集料混凝土中长柱径厚比由39。75降低至19。88，承载能力提高33。8%;长径比由6增大至15时，承载能力降低20。5%;偏心率由0。25增大至1。0时，承载力降低49。5%;钢管预置集料混凝土中长柱稳定系数受混凝土强度和径厚比影响较小，但随着长径比和偏心率增大而近乎呈线性降低趋势。本文提出的承载力计算公式可为钢管预置集料混凝土中长柱设计提供参考。

    钢管混凝土预置集料混凝土中长柱受压性能承载力计算方法

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    基于损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型

    李怀鑫晏长根石玉玲余柄学...
    2260-2272页
    查看更多>>摘要：为了评估粗糙度对土与结构物界面强度特性的影响，首先，开展不同法向应力条件下黏土和不同粗糙度黏土-结构物界面强度的直剪试验，分析了土体剪切面强度和界面强度的相互关系;其次，利用图像处理软件分析黏土-结构物界面的剪切机理，提出了考虑结构物表面粗糙度影响的界面损伤耦合演化过程;第三，引入考虑界面粗糙度影响的等效初始损伤因子，基于连续损伤理论和统计强度理论建立了考虑界面损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型;最后，结合室内试验结果验证了模型适用性。研究结果表明:在相同法向应力条件下，界面粗糙度越大，界面强度越接近土体强度;界面强度与结构物表面粗糙度呈幂函数关系增加，其增长速率随结构物表面粗糙度增加而降低;黏土-结构物界面剪切全过程的损伤演化过程可分为等效初始损伤阶段和加载损伤阶段，其中，等效初始损伤阶段受界面粗糙度影响，加载损伤包括受荷损伤和耦合损伤。本文模型所得结果与试验结果的吻合度较高，能较好地反映黏土与结构物界面损伤本构特征。

    土与结构物界面粗糙度等效初始损伤因子损伤耦合演化统计损伤理论本构模型

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    轻质隔声夹层板结构声振耦合拓扑优化

    徐娇胡捷姚松李家春...
    2273-2285页
    查看更多>>摘要：为了满足夹层板结构轻质及隔声性能优化需求，提出了一种基于线性材料插值模型的三场浮动投影动力学拓扑优化方法，进行夹层板结构声振耦合拓扑优化设计。首先，结合混合位移/声压(u/p)有限元格式和线性材料插值模型，解决多场耦合界面依赖性问题和低密度区域局部模态问题;其次，面向三维轻质夹层板结构声振耦合特性，建立以隔声性能最大化为目标，轻量化体积分数为约束的优化范式;第三，依托阻抗管隔声性能试验场景，对三维夹层板结构有限元数值模型进行拓扑优化设计，并结合阻抗管试验验证方法的准确性和有效性;最后，将所得优化构型与常见夹层板构型的隔声性能进行对比。研究结果表明:采用所提方法可获得性能优越的新颖拓扑构型，1 100～1 300 Hz优化目标频段对应的优化目标隔声性能即传声损失总值从197。62 dB提升到205。09 dB，且数值仿真结果与试验结果吻合良好。在结构同等质量下，优化目标频段拓扑构型的隔声量性能优于常见开孔/闭孔矩形蜂窝状、蜘蛛网状夹层板结构的隔声量性能。

    轻质夹层板结构声振耦合拓扑优化浮动投影函数隔声性能阻抗管隔声试验

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    桩承式加筋垫层路堤荷载分担改进计算模型

    何忠明罗仕佳王盘盘
    2286-2294页
    查看更多>>摘要：桩承式加筋垫层路堤中的关键荷载传递机制是多种现象的组合，包括路堤填土中的土拱效应、加筋垫层的张拉膜效应和地基土的支撑作用，然而，目前针对此方面的研究尚不完善。本文首先以考虑土体被动土压力发挥程度及桩间土应力非均匀分布改进的Hewlett土拱模型为改进载体;其次，假定加筋垫层为上、下部受均布荷载作用的简支梁，截面拉应力完全由加筋体承担，压应力完全由垫层材料承担，同时考虑地基土反力与梁最大挠度相关，引入地基反应系数，从而建立改进的桩承式加筋垫层路堤荷载分担计算模型;最后，通过工程实例与模型参数分析，验证本文计算模型的可靠性与准确性。研究结果表明:在路堤填筑过程中，土拱效应逐渐完全发挥，促进路堤荷载向桩体转移;随着地基土固结，桩体承担的路堤荷载也在逐渐增大;路堤填土高度、填土内摩擦角、桩间距对桩体荷载分担影响较大，加筋体抗拉模量对其影响较小。

    道路工程桩承式加筋垫层路堤土拱效应张拉膜效应荷载分担计算模型

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