含孔隙固体多孔介质中弹性波的传播特性研究

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岩土介质作为地球上最广泛存在的工程材料,是典型的多相多孔隙介质,其波动问题涉及到数学、力学等诸多学科,在土木工程、环境工程、能源工程、勘探工程、地震工程和地球物理等诸多领域均具有重要的学术和应用价值。自从Biot理论建立以来,经过国内外学者几十年的努力,双相多孔介质波动问题的研究已经日益成熟,非饱和三相多孔介质和双重孔隙多孔介质波动问题的研究也逐渐开展。实际上部分多孔介质,如冻土、含天然气水合物沉积土、泥质砂岩等,其孔隙空间中除了有孔隙水和孔隙气体外,还可能有孔隙固体的存在。由于赋存方式不同,孔隙固体和多孔骨架常具有不同的力学行为,因此将其视为相互作用而又互不相同的两相,更为合理。本文考虑由沉积土颗粒组成具有连通孔隙,孔隙空间被1种孔隙流体和1种孔隙固体占据的三相多孔介质。基于前人的工作,采用哈密顿原理和拉格朗日方程等唯象方法,引入接触参数表征多孔骨架和孔隙固体之间的弹性作用和粘性作用,修正了含孔隙固体多孔介质波动理论。在此基础上,运用Helmholtz分解对波动方程进行分解,建立了体波的特征方程。通过数值计算,比较了多孔骨架单相系统、多孔骨架和孔隙流体视为整体的单相系统、多孔骨架-孔隙流体双相系统、多孔骨架-孔隙流体-孔隙固体三相系统中体波的种类、相速度和衰减系数的频散特性,分析了孔隙率、固结系数等多孔骨架性质;孔隙固体含量、孔隙固体与多孔骨架相互作用强弱等孔隙固体性质对体波相速度和衰减系数的影响。接着本文在含孔隙固体多孔介质波动理论的基础之上,研究了 P1波和SI波入射时,多孔骨架-孔隙流体-孔隙固体三相系统自由表面处的动力响应,分析了入射角;孔隙固体含量、孔隙固体与多孔骨架相互作用强弱等孔隙固体性质;入射波频率、透水条件等环境因素对动力响应的影响。比较了孔隙固体处于悬浮模式和与多孔骨架紧密接触共同变形时,基于三相多孔介质波动理论的动力响应与基于双相介质理论的动力响应的区别与联系。然后分别建立了理想流体中压缩波、三相介质中P1波和三相介质中S1波入射时,理想流体/含孔隙固体多孔介质界面处的反射和透射问题模型。讨论了反射波和透射波传播矢量和衰减矢量的方向。通过数值算例分析了界面透水和界面不透水时,入射角;孔隙固体含量、孔隙固体与多孔骨架相互作用强弱等孔隙固体性质;入射波频率、透水条件等环境因素对振幅率、相变、能流率以及界面处位移的影响。基于含孔隙固体多孔介质波动理论、理想流体波动理论和线性化的粘性流体波动理论,建立了含孔隙固体多孔介质在自由透水/不透水界面处的类Rayleigh波传播模型;理想流体/含孔隙固体多孔介质在透水和不透水界面处的类Scholte波的传播模型。通过数值计算分析了频率、透水条件等环境因素;孔隙固体含量、孔隙固体与多孔骨架相互作用强弱等孔隙固体性质对界面波相速度、相速度比、衰减系数和界面波引起的广义位移场的影响。最后,建立了粘性流体/含孔隙固体多孔介质在透水和不透水界面处的类Scholte波的传播模型,研究了将水视为理想流体的合理性以及何时需要考虑流体粘性两个问题。
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