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土木工程学报 2025年第1期58卷 111-125页

作者：李晓龙桂云祥贾赫扬钟燕辉张蓓郑州大学水利与交通学院河南郑州450001 郑州大学重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室河南郑州450001

具有自膨胀特性的高聚物注浆材料已广泛应用于岩体加固工程,但关于其注浆机理尚缺乏深入认识。近期试验研究表明,温度对自膨胀高聚物浆液的流动扩散过程具有显著影响,原因在于温度变化会改变高聚物浆液化学反应进程,进而影响其扩散行为... 详细信息

具有自膨胀特性的高聚物注浆材料已广泛应用于岩体加固工程,但关于其注浆机理尚缺乏深入认识。近期试验研究表明,温度对自膨胀高聚物浆液的流动扩散过程具有显著影响,原因在于温度变化会改变高聚物浆液化学反应进程,进而影响其扩散行为。为深入揭示温度对高聚物浆液在裂隙中扩散行为的影响机制,以一种工程中应用的自膨胀聚氨酯高聚物浆液为对象,基于浆液聚合反应机理和计算流体动力学理论,用准三维有限体积法离散浆液流动控制方程,用三维有限体积法离散裂隙壁热传导方程,建立模拟分析高聚物浆液在裂隙中膨胀扩散过程的热-流耦合仿真模型,实现对浆液化学反应进程、流场和“浆液-裂隙”体系温度场的耦合求解。开展不同注浆量、预热温度条件下无水平板裂隙高聚物注浆模型试验,通过浆液扩散范围、密度、温度等实测数据与计算结果的对比,验证所建立数值模型的适用性。在此基础上,分析预热温度、环境温度对浆液在平板裂隙中扩散行为的影响,结果表明,相同环境温度条件下,随着浆液预热温度升高,浆液扩散速率及升温速度加快,峰值温度增大,达到峰值点时刻越早;相同预热温度条件下,环境温度越高,浆液扩散速率越快,扩散半径越大;当浆液预热温度或环境温度升高至一定值时,浆液最终扩散范围不再发生明显改变;随着环境温度降低,所需的浆液最低预热温度逐渐增大。该文工作对高聚物裂隙注浆浆液预热温度设定具有一定指导作用。

关键词：自膨胀高聚物裂隙注浆扩散机理温度试验仿真方法

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径向振动激励作用下饱和砂层中浆液扩散特性试验研究

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铁道科学与工程学报 2025年第3期22卷 1087-1099页

作者：李晓龙陈永利肖伟帆范新健钟燕辉王复明郑州大学水利与交通学院河南郑州450001 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室河南郑州450001

振动注浆通过对饱和砂层施加振动激励作用,使其受扰动后有效应力下降、强度降低,从而减小浆液扩散阻力,增强其扩散性能,提升注浆效率和加固效果。目前振动注浆试验多采取轴向振动方式,其振动能量集中作用于钻杆端部土体,对径向土体几乎... 详细信息

振动注浆通过对饱和砂层施加振动激励作用,使其受扰动后有效应力下降、强度降低,从而减小浆液扩散阻力,增强其扩散性能,提升注浆效率和加固效果。目前振动注浆试验多采取轴向振动方式,其振动能量集中作用于钻杆端部土体,对径向土体几乎无扰动效应,影响范围有限。针对该问题,研发了一种具有径向激振和频率可调功能的振动注浆模型试验装置,杆体末端的振动器通过隔振接头与杆体连接,以减少振动能量沿杆体的传播,提升能量利用率。首先利用该装置研究了10、30和50Hz径向振动作用下,饱和砂土超孔隙水压力演变规律和时空分布特征,然后进行振动注浆试验,测试不同振动频率、注浆压力和注浆时间条件下地聚物浆液在饱和砂土中的扩散特性。结果表明,随着振动频率的增加,超静孔压比越大,达到液化状态越早,且持续时间越长,不同埋深下与振动器中心等高的测点扰动效应最强烈,在水平方向随着与振动中心距离的增加,扰动影响逐渐减弱。与静态注浆相比,施加振动激励后浆液扩散性能显著增强,浆液扩散半径随振动频率、注浆压力、注浆时间增加而增大,振动频率为10、30和50Hz时,浆液扩散半径相对于无振动时分别增加15.7%、60.2%和174.1%。不同工况下浆液固结体长度较为接近,平均长度比振动器长度增大约20%。浆液扩散的最终形态与砂土受扰动程度和空间分布特征基本一致。

关键词：振动注浆模型试验径向振动饱和砂层扩散性能

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应变硬化指数取值模型及其对钢质管道失效压力影响分析

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工程力学 2025年第4期42卷 197-205页

作者：孙明明方宏远王念念薛冰寒李斌郑州大学水利与土木工程学院重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心黄河实验室(郑州大学)

该文依据钢材料应变强化效应和变形失稳理论，得到了应变硬化指数数值解并明确了其对管道极限内压承载力的影响。根据完好管道实际爆破压力数据，给出了应变硬化指数适应范围。结果表明：应变硬化指数可通过屈强比和屈服应变求解得到，... 详细信息

该文依据钢材料应变强化效应和变形失稳理论，得到了应变硬化指数数值解并明确了其对管道极限内压承载力的影响。根据完好管道实际爆破压力数据，给出了应变硬化指数适应范围。结果表明：应变硬化指数可通过屈强比和屈服应变求解得到，且数值解略小于真实值。管道硬化性能随着硬化指数n和强化系数K的增加而增强。钢材强度等级越高，硬化指数数值越小，失效应力越小。管道失效应变等于抗拉强度对应的真实应变的1/2。是否考虑钢材料应变硬化情况下，失效压力误差相差2.24%～6.08%，其中von Mises屈服对应变硬化指数取值模型更为敏感。

关键词：应变硬化指数硬化性能失效模式失效压力试验数据

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基于数据驱动与可解释性分析的堤防管涌灾害预测模型

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华北水利水电大学学报(自然科学版) 2025年

作者：张茜张超夏洋洋王翠霞方宏远郑州大学水利与交通学院/黄河实验室(郑州大学)/地下工程研究院重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室地下工程灾变防控省部共建协同创新中心黄河实验室(河南)

管涌是堤防中常见的破坏形式之一，传统管涌灾害识别方法的效率和准确率较低，而现有机器学习预测模型的可解释性相对较差。基于数据驱动的机器学习算法，以阳新长江堤段管涌灾害情况为数据集，建立了多层次可解释性预测模型以提高堤防... 详细信息

管涌是堤防中常见的破坏形式之一，传统管涌灾害识别方法的效率和准确率较低，而现有机器学习预测模型的可解释性相对较差。基于数据驱动的机器学习算法，以阳新长江堤段管涌灾害情况为数据集，建立了多层次可解释性预测模型以提高堤防管涌灾害的预测精度。通过对比分析单一学习模型（反向传播神经网络BPNN、多层感知机MLP、支持向量机SVM）和集成学习模型（随机森林RF、梯度提升决策树GBDT、极限梯度提升树XGBoost、CatBoost），筛选出最佳的管涌灾害预测模型；对堤防管涌灾害进行多层次可解释性分析，识别出了影响管涌的关键特征，并结合Shaply加性解释与XGBoost分析了关键特征对预测结果的影响规律。研究结果表明，集成学习模型的预测精度优于单一学习模型，其中XGBoost的测试集R2为0.961 7，均方根误差RMSE为0.097 0，表现出最高的预测精度及良好的鲁棒性；弱透水层覆盖层厚度H、孔隙比e和水位高度差△h是管涌灾害的主要影响因素，由个体条件期望图得知它们的临界值分别为7.5、0.84和4.2 m。该研究成果为提升堤防管涌灾害的超前预测准确性提供了理论参考和科学依据。

关键词：堤防管涌数据驱动机器学习单一学习模型集成学习模型多层次可解释性分析

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埋地管道修复技术碳足迹评价与减排策略

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环境工程学报 2025年第04期19卷 998-1010页

作者：张超孙迎娣夏洋洋王翠霞张晓光朱钢赵鹏方宏远郑州大学水利与交通学院/黄河实验室(郑州大学)/地下工程研究所地下工程灾变防控省部共建协同创新中心重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室黄河实验室(河南) 郑州安源工程技术有限公司成都市市政工程设计研究院有限公司

为探究埋地管道不同修复技术的碳足迹，本研究基于埋地管道生命周期分析与排放因子法提出了管道全生命周期碳足迹核算模型，该模型将管道生命周期划分为制造、运输、施工和运营4个阶段。结合管道工程的活动清单，本研究采用全生命周期... 详细信息

为探究埋地管道不同修复技术的碳足迹，本研究基于埋地管道生命周期分析与排放因子法提出了管道全生命周期碳足迹核算模型，该模型将管道生命周期划分为制造、运输、施工和运营4个阶段。结合管道工程的活动清单，本研究采用全生命周期碳足迹核算模型，对2种排水管道类型（重力流排水管道与压力流排水管道）在使用明挖法（OC）、碎管法（PB）、缩颈内衬法（DRL）、折叠内衬法（FFL）、穿插法（SL）、高分子材料喷涂法（PSR）以及紫外光固化法（UV-CIPP）7种修复技术时的全生命周期碳排放情况进行了分阶段核算和分析。结果表明，压力流排水管道的碳排放明显高于重力流排水管道。在压力流排水管道的全生命周期中，运营阶段的碳排放占比最高，约为99%。对于重力流排水管道，采用OC修复时，施工阶段的碳排放占比最高，为66.4%；而采用非开挖修复技术时，制造阶段的碳排放占比最高，介于48.0%和60.2%之间。在7种管道修复技术中，OC的碳排放最高，而UV-CIPP的碳排放最低。与OC相比，UV-CIPP在前3个阶段可减少60.4%的碳排放，且在全生命周期内，重力流排水管道的碳排放减少49.8%，压力流排水管道的碳排放减少7.6%。除采用低碳排放修复技术（如UV-CIPP）外，还可以通过选用低碳材料、使用可再生能源替代化石能源等措施来降低碳排放。本研究可为碳达峰和碳中和目标下埋地管道修复方法的选取提供理论指导和科学依据。

关键词：管道修复碳足迹模型全生命周期非开挖修复技术减排

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黄河泥沙的路用性能与改性利用研究进展

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人民黄河 2025年第3期47卷 153-160页

作者：王钰轲陈浩屈欣明宋迎宾钟燕辉郑州大学水利与交通学院河南郑州450001 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室河南郑州450001 地下工程灾变防控省部共建协同创新中心河南郑州450001 黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003 水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心河南郑州450003

在实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略及交通强国战略的背景下,沿黄高速公路建设发展迅速,黄河泥沙以其作为路基填料的潜力备受关注,黄河泥沙的路用性能与改性利用研究成为热点。化学改良、生物矿化加固和高聚物加固技术均... 详细信息

在实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略及交通强国战略的背景下,沿黄高速公路建设发展迅速,黄河泥沙以其作为路基填料的潜力备受关注,黄河泥沙的路用性能与改性利用研究成为热点。化学改良、生物矿化加固和高聚物加固技术均被认为能够有效改善黄河泥沙的工程特性,其中:化学改良手段(如碱激发技术)加固黄河泥沙技术上可行,但相关研究多关注于黄河泥沙碱激发制备砖砌体;生物矿化技术是目前岩土工程领域的研究热点,现有研究证实生物矿化技术适用于黄河泥沙,且相比微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术因其游离态脲酶的小分子尺寸更易穿过黄河泥沙孔喉而适用性更好;高聚物加固黄河泥沙的力学和耐久性表现均表明其应用潜力值得挖掘。基于此,对黄河中下游泥沙来源和分布数据进行整合梳理,分析黄河泥沙的理化特性,并系统阐述黄河泥沙的路用性能研究进展。黄河泥沙应用于路基工程的可行性已经得到初步验证,绿色环保的生物矿化加固技术将进一步支撑黄河泥沙作为路基填料的可行性。基于现有工程体系的不断完善、多学科交叉的深化,黄河泥沙生态资源的利用潜力将被充分开发释放。

关键词：黄河泥沙理化特性路用性能化学改良生物矿化加固高聚物加固

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含水环境高聚物注浆材料交联过程与微观结构演变模拟

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同济大学学报(自然科学版) 2025年第3期53卷 462-470页

作者：王翠霞武永深袁灵修张超方宏远朱朋佳郑州大学水利与交通学院河南郑州450001 黄河实验室(郑州大学) 河南郑州450001 郑州大学地下工程研究院河南郑州450001 黄河实验室(河南) 河南郑州450001 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室河南郑州450001 地下工程灾变防控省部共建协同创新中心河南郑州450001 中铁七局集团第五工程有限公司河南郑州450016

为了研究在有水环境下注浆时水分子参与交联反应对高聚物注浆材料交联过程和微观结构特性的影响,构建了具有不同水分子质量分数的交联聚氨酯模型,采用分子动力学模拟方法,计算了不同含水量体系的参与交联反应的水分子数量、玻璃转变温... 详细信息

为了研究在有水环境下注浆时水分子参与交联反应对高聚物注浆材料交联过程和微观结构特性的影响,构建了具有不同水分子质量分数的交联聚氨酯模型,采用分子动力学模拟方法,计算了不同含水量体系的参与交联反应的水分子数量、玻璃转变温度和自由体积,并提出一种计算交联分布均匀度的方法。结果表明:随着含水量增加,参与交联反应的水分子数先增大后趋于稳定,这是因为水分子团簇的体积随着水分子质量分数增加不断增大,限制了水分子参与交联反应。含水量越高,交联聚氨酯的玻璃转变温度越低,自由体积越小。水分子参加交联改善了体系的交联分布均匀性,含水量越高,体系的交联反应分布越均匀。研究结果可为有水环境下高聚物注浆材料反应过程和性能评价以及工程应用中高聚物注浆材料的设计研发提供理论参考。

关键词：分子动力学模拟微观结构高聚物交联分布自由体积

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脱空混凝土管道纵向力学行为及自膨胀高聚物注浆修复性能提升

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工程力学 2024年第11期41卷 134-144页

作者：李斌方宏远杜雪明孙明明薛冰寒黄河实验室(郑州大学) 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心郑州大学水利与土木工程学院

为揭示脱空混凝土管道的纵向力学行为以及自膨胀高聚物外部注浆修复性能提升效果，开展了密实、脱空和高聚物修复混凝土管道现场足尺试验和三维有限元数值仿真，并通过试验结果对数值模型进行了验证。以不同管基状态下混凝土管道的截面... 详细信息

为揭示脱空混凝土管道的纵向力学行为以及自膨胀高聚物外部注浆修复性能提升效果，开展了密实、脱空和高聚物修复混凝土管道现场足尺试验和三维有限元数值仿真，并通过试验结果对数值模型进行了验证。以不同管基状态下混凝土管道的截面纵向弯曲弯矩和管顶竖向位移为分析对象，讨论了脱空宽度和脱空长度对混凝土管道力学行为的影响规律，并引入纵向弯矩和竖向位移修复指数ξM和ξU，对高聚物注浆修复脱空管道的性能提升效果进行了量化表征。研究表明：脱空管道正负纵向弯矩分别分布在脱空两侧的相邻管段和接头，峰值分别位于SgL2、SgR2和SgL3、SgR3处；脱空管道纵向弯矩在SgL1和SgR1处随脱空宽度的增大而减小，其余测点处随脱空宽度的增大而增大，在整个纵向随脱空长度的增大而增大；不同脱空宽度和脱空长度管道的纵向弯矩在SgL1和SgR1以外均高于密实管道；与密实管道相比，脱空管道竖向位移和接头剪切位移的最大增幅分别为155%和230%；修复管道的纵向弯矩略低于密实管道，竖向位移略高于密实管道，纵向弯矩和竖向位移最大修复指数分别为76.5%和83.7%。

关键词：脱空管道注浆修复足尺试验有限元模型力学行为性能提升

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渗透型高聚物在富水砂层中堵水规律试验与数值模拟研究

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中国科学：技术科学 2023年第3期53卷 457-472页

作者：方宏远刘康杜雪明王复明郑州大学水利科学与工程学院郑州450001 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室郑州450001 水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心郑州450001

渗透注浆是修建隧道穿越富水砂层时防渗堵水的重要方法之一.与普通化学浆液不同的是,该渗透型高聚物在浆液扩散过程中具有双组分反应并快速固结的特点,适用于在富水砂层中注浆堵水.然而由于其扩散过程中的快速固结的特点,使得其在富水... 详细信息

渗透注浆是修建隧道穿越富水砂层时防渗堵水的重要方法之一.与普通化学浆液不同的是,该渗透型高聚物在浆液扩散过程中具有双组分反应并快速固结的特点,适用于在富水砂层中注浆堵水.然而由于其扩散过程中的快速固结的特点,使得其在富水砂层的扩散规律更为复杂.为了研究该渗透型高聚物在富水砂层中的堵水效果,制作了一套可视化的富水砂层渗透注浆模型试验装置,该装置具备可观察浆液扩散距离、监测注浆前后孔隙水压力变化和测量堵水率等功能.以堵水率、渗透系数作为评价富水砂层渗透注浆堵水防渗效果的性能指标,选取砂层粒径、动水压力、注浆压力和黏性土含量4个因素作为渗透注浆的影响因素,开展了砂层渗透注浆堵水防渗效果的正交试验,获得了影响渗透型高聚物浆液在富水砂层渗透注浆效果的主控因素以及各单因素对注浆效果的影响特征.同时,对模型试验进行了数值模拟,重点分析了注浆过程中的浆-水两相渗流场压力、流速和浆液扩散的变化过程,并与试验实测浆液扩散距离进行了对比验证.研究结果表明:(1)富水砂层经渗透型高聚物注浆后,10 min内堵水率可达到90%以上,1 d渗透系数可达到10^(−7)cm/s数量级,达到了理想的堵水防渗效果;(2)在一定注浆压力范围内,注浆压力是控制富水砂层注浆堵水防渗效果的主控因素,随着注浆压力的增大,10 min内堵水率逐渐增大且砂层1 d渗透系数显著降低;(3)反应结束后,浆液能扩散到的砂层位置处,孔隙水压力接近0;(4)数值模拟结果表明,浆-水两相渗流压力场从注浆孔向出水边界递减,顺水段渗流速度受水流冲刷明显大于逆水段,浆液存在逆水扩散现象,扩散距离的模拟结果与固结体实测结果误差不大;(5)通过多元线性回归分析,得到注浆堵水率、固结体1 d的渗透系数与动水压力、注浆压力、砂层粒径、黏性土含量的回归方程.

关键词：富水砂层渗透注浆渗透型高聚物模型试验数值模拟堵水

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玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能及失效分析

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材料导报 2024年第12期38卷 290-296页

作者：夏洋洋方宏远张超王翠霞石明生郑州大学水利与交通学院/黄河实验室郑州450001 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室郑州450001 地下工程灾变防控省部共建协同创新中心郑州450001

管道修复用紫外光原位固化(Ultraviolet cured-in-place pipe,UV-CIPP)材料是一种玻纤复合材料,其抗弯性能是评价管道修复效果以及材料优化设计所需的重要参考指标。以玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料为研究对象,考虑固化时间、固化... 详细信息

管道修复用紫外光原位固化(Ultraviolet cured-in-place pipe,UV-CIPP)材料是一种玻纤复合材料,其抗弯性能是评价管道修复效果以及材料优化设计所需的重要参考指标。以玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料为研究对象,考虑固化时间、固化距离、紫外灯功率和材料厚度的影响,基于融合高清视频和SEM观测的三点弯曲试验,对玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能和失效机制进行了研究。结果表明,UV-CIPP材料的失效过程可以分为三个阶段:弹性阶段、基体开裂阶段和玻纤布断裂阶段,基体开裂、脱粘分层和纤维拉拔断裂是玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲失效的主要原因。在单一变量影响下,玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲强度和弯曲模量随固化时间、固化距离和紫外灯功率的增大均呈现出先增大后减小的趋势,随着材料厚度的增大却逐渐减小。本研究不仅为UV-CIPP材料的优化设计提供了参考依据,也为国产化UV-CIPP材料的发展奠定了重要基础。

关键词：紫外光原位固化(UV-CIPP)材料三点弯曲试验高清视频 SEM 固化参数材料厚度

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