长沙理工大学学报(自然科学版)
  • 2023年第20卷第1期文章目次
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    • >路基工程·耐久性路基
    • 路用级配碎石力学性能研究进展与展望

      2023, 20(1):1-15. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220812001

      摘要 (253) HTML (0) PDF 3.44 M (603) 评论 (0) 收藏

      摘要:级配碎石在道路工程中应用广泛,为全面了解路用级配碎石的力学特性,基于国内外研究开展级配碎石力学性能研究综述。首先,介绍了路用级配碎石变形性能研究现状,包括剪切变形、动态回弹模量、永久变形;其次,从试验测试方法、演变规律表征两个方面对级配碎石各向异性行为进行了总结分析;最后,对级配碎石力学行为的重要影响因素进行归纳,从集料物理性质、粒料结构特征和外部应力状态三个方面进行了综述。分析表明:碎石材料的力学性能与颗粒性质、结构特征和应力状态密切相关,并具有显著的各向异性特征。未来可从级配碎石回弹模量计算方法、性能各向异性参数计算方法、动应力响应分析等方面开展进一步研究。

    • 级配碎石横观各向同性动态回弹模量预估研究

      2023, 20(1):16-23. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220807002

      摘要 (192) HTML (0) PDF 1.21 M (468) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】建立一种快速且高效预估级配碎石横观各向同性动态回弹模量的方法。【方法】首先,选取四种碎石材料,通过级配试验、击实试验、亚甲蓝试验、细骨料含量试验和集料成像系统试验表征级配碎石材料特性。接着,提出可以表征应力水平和湿度状态对回弹模量影响的级配碎石横观各向同性动态回弹模量本构模型。然后,通过开展室内快速动三轴试验并采用系统识别方法得到四种碎石材料在不同级配组合、应力水平和湿度状态下的竖向、横向和剪切模量。最后,利用相关性系数评估模型的拟合精度,采用JMP统计软件并基于多元线性逐步回归方法建立级配碎石材料特性与横观各向同性回弹模量模型参数之间的回归关系。【结果】级配碎石横向模量与竖向模量比为0.3~0.6,剪切模量与竖向模量比为0.2~0.4;中级配碎石横观各向同性回弹模量普遍高于粗级配或细级配碎石的回弹模量;在不同的应力水平条件下,级配碎石的横向、竖向和剪切模量均随含水率的增加而减小。【结论】新的横观各向同性动态回弹模量模型通过引入基质吸力和汉克儿应力因子,能够精确拟合快速动三轴试验得到的级配碎石试件在不同应力水平和湿度状态下的横观各向同性回弹模量,平均拟合相关系数高达0.98;级配碎石的干密度、含水率、亚甲蓝值、细骨料含量、级配、棱角性和形状等材料特性均显著影响横观各向同性回弹模量模型参数。

    • 粗粒土基质吸力与介电常数特征曲线研究

      2023, 20(1):24-31. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220813003

      摘要 (134) HTML (0) PDF 5.68 M (534) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】建立粗粒土介电常数与基质吸力的关系,进而根据介电常数确定粗粒土的含水率。【方法】首先,通过介电常数测试仪与滤纸试验得到不同粗粒土的介电常数与基质吸力,分析两者之间的关系,建立基质吸力-介电常数特征曲线(suction dielectric characteristic curve,SDCC)模型;然后,通过激光粒度分析仪确定各粗粒土的黏粒百分比P,结合滤纸试验测试结果和FREDLUND & XING模型得到各粗粒土的土水特征曲线(soil water characteristic curve,SWCC);最后利用黏粒百分比P预估粗粒土的SDCC的模型参数,建立粗粒土的SDCC与SWCC的关系。【结果】提出了粗粒土的SDCC力学经验模型,从而建立粗粒土介电常数与基质吸力的直接联系,通过拟合得到黏粒百分比P与SDCC模型参数的关系式,SWCC模型参数同样可由黏粒百分比P预估得到,最终建立起介电常数-基质吸力-含水率的相互依赖关系。【结论】粗粒土的基质吸力与介电常数之间存在联系,利用黏粒百分比P这一指标可以预估SDCC和SWCC的参数,通过测试粗粒土的黏粒百分比P与介电常数,可以确定粗粒土的基质吸力与含水率。

    • 城市生活垃圾焚烧炉渣路基填料的力学特性研究

      2023, 20(1):32-39. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220824004

      摘要 (90) HTML (0) PDF 4.89 M (359) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】城市生活垃圾焚烧炉渣(municipal solid waste incineration,MSWI)是生活垃圾焚烧后产生的一种高密实颗粒状材料。本文研究MSWI应用于路基材料时的强度和变形等力学特性。【方法】分别开展MSWI的材料特性分析,MSWI的三轴剪切应力-应变分析,以及基于离散元PFC2D软件的MSWI循环三轴荷载模拟分析。【结果】MSWI的材料特性满足路基填筑要求。在室内三轴剪切试验中,MSWI峰值强度随着围压的增加不断提高;而随含水率的增加,先增大后减小。MSWI的抗剪强度指标内摩擦角为34.75°,黏聚力为54.13 kPa,满足作为路基材料的要求。同时基于PFC2D分析围压、偏应力对MSWI循环荷载永久变形的影响规律:随着围压的增大,轴向应变逐渐减小;随着偏应力的增大,轴向应变逐渐增加。【结论】MSWI应用于路基填筑具有可行性,本文结果可为后续研究MSWI工程应用提供参考。

    • >路基工程
    • 石墨烯对沥青混合料改性机理研究综述

      2023, 20(1):40-47. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220519005

      摘要 (122) HTML (0) PDF 2.42 M (564) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】明确碳纳米材料石墨烯在沥青混合料中的作用及研究现状。【方法】通过查阅国内外相关研究文献,对比分析各种石墨烯改性沥青混合料的微观与宏观试验结果和结论,系统归纳石墨烯在沥青混合料中的作用机理与效果。【结果】石墨烯或其衍生材料与沥青混合后被沥青插层和剥离,在内部形成致密的层状结构,有效延缓了沥青的老化,同时增加了沥青中C=C的含量,提高了沥青的表面自由能;石墨烯对沥青混合料的改性机理为隔离作用、化学键能、润滑作用及黏附作用;石墨烯改性沥青混合料的高温抗车辙、低温抗裂、水稳定、压实、抗老化及愈合等性能均显著提高。【结论】石墨烯能有效改善沥青混合料的路用性能,为今后道路工程的发展提供了新思路。降低石墨烯使用成本及石墨烯在沥青混合料中最佳掺量等方面的研究有待深入探讨。

    • 不同热氧老化环境下 SBS 改性沥青及其混合料性能研究

      2023, 20(1):48-57. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220330006

      摘要 (124) HTML (0) PDF 1.26 M (631) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探寻沥青及沥青混合料逐渐老化对沥青路面路用性能的影响。【方法】对不同热氧老化环境下SBS (I?D)聚合物改性沥青的常规指标、流变性能及以其制备的AC-13C沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及单轴压缩动态模量开展试验研究。【结果】随着热氧老化程度的不断加深,沥青黏韧性及抗塑性变形的能力逐渐降低,脆性逐渐增强;随着热储存时间的增加,沥青软化点、5 ℃延度和针入度先升高后降低,135 ℃黏度逐渐升高;随着热氧老化程度的不断加深,沥青混合料高温抗车辙能力逐渐提高,低温抗开裂及抗水损害能力逐渐降低;沥青混合料动态模量随着温度的升高而降低,随着热氧老化程度的加深及加载频率的增大而升高,但温度为35、50 ℃时其变化趋势有所改变。【结论】随着热氧老化程度的不断加深,沥青混合料高温性能得到改善,低温及水稳定性能降低,该研究成果在实际工程应用中具有一定的价值。

    • 以顶面回弹模量为目标的铁路货场地基换填方法研究

      2023, 20(1):58-64. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220409007

      摘要 (55) HTML (0) PDF 1.80 M (399) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】提升软弱地基刚度,科学确定处置材料和厚度。【方法】依托广西百色东站货场堆场地基处置项目,基于弹性半空间和弹性双层体系理论,提出以顶面当量回弹模量为目标的刚度提升方法,对依托工程原地基处置方案进行评价和优化,并利用现场回弹模量测试结果验证刚度提升方法的有效性和合理性,同时对比优化方案和原方案的工程经济性。【结果】原地基处置方案地基顶面回弹模量无法满足设计要求,将原方案1.0 m厚的石灰掺量为30%的石灰改良土变更为0.8 m厚,并在其上部加铺0.2 m厚的级配碎石,可使地基顶面当量回弹模量由44.0 MPa提升至78.0 MPa,实测地基顶面回弹模量平均值约为79.0 MPa,优化方案在降低工程造价方面具有显著优势。【结论】研究成果可为地基处置和铺面结构设计提供参考。

    • 基于梯度提升决策树的植被高度模型研究

      2023, 20(1):65-74. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20211130008

      摘要 (84) HTML (0) PDF 2.57 M (362) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究以航空摄影测量的方式建立植被高度模型。【方法】利用数字正射影像(DOM)与数字表面模型(DSM)提取光谱特征因子和几何特征因子,采用相关性指数对植被高度与特征因子进行相关性分析,筛选出特征因子。采用梯度提升决策树算法建立植被高度模型,并通过优化参数提高模型精度。【结果】在默认参数下,模型精度约为2.000 m;优化参数后,模型精度达到了0.900 m;剔除部分特征因子后,模型精度可达0.840 m;通过与支持向量机算法进行对比,植被高度模型整体精度由0.893 m提高至0.758 m,运行时间由70 min缩减至10 min。【结论】若不考虑建模原始数据的误差,采用梯度提升决策树算法建立的植被高度模型的精度为亚米级,多次试验中模型精度较为稳定。

    • >土木与水利工程
    • 典型城市高架道路噪声环境降噪措施

      2023, 20(1):75-85. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220726009

      摘要 (133) HTML (0) PDF 16.93 M (313) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】采用数值模拟手段确定与典型城市高架道路噪声环境相匹配的降噪措施。【方法】结合合肥市包公大道改建城市高架道路实体工程,采用SoundPLAN软件,建立3种典型城市高架道路声环境数字模型(包括改建高架桥、已有城市建筑、降噪措施等),分析不同降噪措施下的降噪效果;以声环境限值为标准,推荐典型声环境条件下的城市高架道路降噪方案。【结果】对于4a类声环境功能区,采用降噪路面即可满足环境噪声限值要求;对于2类声环境功能区,需要联合采用降噪路面+直立型声屏障,必要时结合货车禁行等交通管制措施;对于1类声环境功能区,条件允许时优先考虑设置降噪路面+全封闭式声屏障;随着声环境限值要求的提高,所需采取的城市高架道路降噪措施将更加严格,所需建设成本也更高。【结论】不同城市高架道路噪声环境需要匹配不同的降噪措施,本文研究成果可为改建城市高架道路降噪方案的设计与优选提供参考。

    • 基于长期健康监测的大跨空间结构使用阶段的状态分析

      2023, 20(1):86-94. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220427010

      摘要 (61) HTML (0) PDF 2.77 M (359) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】确定健康监测方法,确保大跨钢结构体育场在使用过程中的安全。【方法】以正常使用极限状态、承载能力极限状态及材料屈服强度为依据设置构件应力的预警阈值;以规范规定的正常使用性能及承载性能要求设置挠度的预警阈值;根据风压重现期设置风压的预警阈值;结合有限元软件对结构进行理论分析,并确定测点位置;利用结构健康监测系统实时监测正常使用情况下桁架结构的应力、挠度以及钢罩棚的风压,并与相应的理论值进行分析比较。【结果】在监测周期内,体育场桁架结构的应力、挠度及钢罩棚的风压均小于一级预警阈值,且均满足设计要求,即结构处于正常工作状态。【结论】温度应力对空间桁架结构的影响较大,在极端天气下可能对结构产生局部不利影响。研究方法和成果可为类似工程的健康监测提供一定参考。

    • >电气、机械与动力工程
    • 磁场强化竖直平板自然对流传热特性研究

      2023, 20(1):95-103. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20210927011

      摘要 (134) HTML (0) PDF 2.00 M (415) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究梯度磁场对竖直平板自然对流散热的影响,以提供一种强化竖直平板对流散热的新方法。【方法】构建磁致自然对流数学模型并编制相应的有限元程序;分析不同磁体剩余磁通密度、不同磁体位置情况下磁场强化竖直平板自然对流的传热规律;比较有无梯度磁场情况下竖直平板自然对流的传热特征。【结果】当磁体剩余磁通密度Br>1 T时,竖直平板的对流传热能力随着磁体剩余磁通密度的增大而增强;当磁体位于竖直平板下端时,磁体对自然对流散热影响最大;两组磁体情况下比单组磁体情况下竖直平板的对流散热能力强。【结论】施加磁场可以强化或控制竖直平板自然对流散热。

    • 基于快速Kurtogram算法的中间介质随机共振信号特性分析

      2023, 20(1):104-111. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20211214012

      摘要 (83) HTML (0) PDF 5.26 M (261) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探讨机械关键部位缺陷信号在经过界面结构时易受中间介质的影响而难以准确识别的问题。【方法】以界面结构间常见的水和机油作为中间介质,结合随机共振理论和Kurtogram算法对不同中间介质与信号传输特性之间的关系进行深入研究。【结果】当中间介质的面积增加时,信号的能量相对衰减率呈先减小后稳定的趋势,且与机油相比,通过水的信号的能量衰减速度更快。【结论】对通过不同介质的信号进行了随机共振和快速Kurtogram算法的处理,将处理结果与原始信号对比,发现该方法能有效提高信号特征参数的可辨度;另外,能量相对衰减率能有效表征通过不同中间介质的信号在信号集中频率区域内的变化规律。

    • >交通运输、管理科学与工程
    • 重大公共卫生事件下通勤出行合乘车辆路径优化

      2023, 20(1):112-120. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220519013

      摘要 (101) HTML (0) PDF 1.30 M (438) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】降低无车员工通勤出行风险,提高通勤效率。【方法】首先,以参与合乘人数最多为第一优化目标、通勤合乘时间最短为第二优化目标,并考虑车辆额定载客量、员工上班时间限制及绕行时间等因素,构建单位通勤合乘车辆路径优化模型;然后,基于遗传算法,进行最佳合乘路径求解;最后,进行算例分析、参数灵敏度分析及员工居住地分散程度的影响分析。【结果】与非合乘相比,单位组织员工内部合乘后,员工的平均通勤时间减少了24.77 min,合乘匹配成功率达到了97.14%;合乘小组人数和员工拥车率在一定范围内对合乘效果影响较大;员工居住地集中时,合乘效果更好。【结论】合乘可有效地为无车员工提供通勤帮助,减少员工通勤时间。

    • 考虑路径舒适性的连续道路网络设计

      2023, 20(1):121-128. DOI: 10.19951/j.cnki.1672?9331.20220613014

      摘要 (117) HTML (0) PDF 1.20 M (278) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】基于出行者的舒适性偏好,探究考虑路径舒适性的连续型交通网络设计,拓展网络设计的相关理论,为交通规划与设计提供新思路。【方法】在现有路径舒适度不能直接叠加的情况下,重新定义路径舒适性并对其量化分析,将其转化为可叠加的舒适度成本;再以变分不等式的形式建立考虑舒适性择路准则的交通网络均衡分配模型;最后,建立考虑路径舒适性的网络设计双层规划模型,采用基于灵敏度分析的方法求解,并在一个小型测试网络上进行验证。【结果】以舒适度成本最小化为准则进行分配后得到的路径流量符合用户均衡原理,能使采用最优策略时的路网总阻抗最小。【结论】舒适性择路准则能合理地刻画舒适偏好出行者的路径选择行为,在交通网络设计中具有一定的实用性。

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