非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例,分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明：孔隙水迂曲度的增大将引起P1波、P3波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P2波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P1波波速的增大和热（T）波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明：孔隙水迂曲度的增大将引起P_(1)波、P_(3)波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P_(2)波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P_(1)波波速的增大和热（T）波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

双层非饱和地基中Rayleigh波的传播特性

研究了双层非饱和地基中Rayleigh波(以下简称R波)的传播特性问题。首先将迂曲度引入孔隙流体的渗流连续性方程,对三相孔隙介质波动方程进行修正,接着采用体波的势函数之和构建各相介质的势函数,并借助Helmholtz分解,以及考虑土层边界条件和层间连续性条件,建立了R波的弥散特征方程,分析了饱和度、迂曲度和上覆土层厚度等参数与波速和衰减性的关系。结果表明,R波波速随饱和度的增加而线性减小;在渗透系数中间区段,则随着固有渗透系数k的增大而增大;水力迂曲度τ_f对波速的影响主要体现在高频区段,而空气迂曲度τ_a的影响则非常有限;对于上软下硬地层,覆盖层厚度的增加将引起波速的减小,并逐渐趋于上覆土层本身的R波波速;且频率越高或表面层刚度越低,趋近速度越快。     

三相非饱和松散颗粒介质中弹性波的弥散性分析

由已建立了的非饱和土这种三相松散介质中的动力控制方程,得到波动方程的解,表明在非饱和土中存在3种P波（P1、P2和P3波）和1种S波。根据推导出的波速以及衰减的解析表达式,以实际工程中的尾砂土这种非饱和多孔介质为例,通过Matlab计算工具对非饱和土中的4种体波的弥散特性进一步数值分析,给出了典型的弥散和衰减曲线。结果表明,在一定的频率范围内,4种波的波速及衰减随频率的升高而增大,其中P2、P3波受频率影响强烈,而P1、S波受频率影响则相对较小。此外,饱和度的增加也将导致P1波波速的增大,但对P2、P3波和S波影响不大。     

非饱和土中波的传播特性

基于已建立的非饱和土中的波动方程,第1次从理论上推证出非饱和土中存在4种体波,即1种S波和3种P波（P1波、P2波和P3波）,并导出了4种体波的波速以及衰减的解析表达式,分析了4种体波的波速、衰减与频率以及饱和度之间的关系。结果表明：3种P波中P3波波速最小,衰减最大;P1波波速最大,衰减最小;P2波则介于二者之间。4种体波都具有弥散性,一般而言,波速随频率的提高而有所减小,而衰减则有所增大。随含气量的提高,P1波的波速减小,P2波和S波的波速增大,而P3波则受含气量的影响很小;P1波和P3波的衰减都有所减小,但变化不是很显著,P2波的衰减基本不随含气量的变化而变化,S波几乎不存在衰减现象。     

饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波传播特性分析

基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究了饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波(R波)的传播特性。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和连续性方程及考虑热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立了饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并结合自由透水及绝热的边界条件,经过理论推导最终给出了饱和多孔热弹性介质中R波的弥散特征方程。利用数值算例分析了孔隙率、渗透系数、热膨胀系数、初始温度和松弛时间等热物理参数对R波的波速和特征衰减的影响。结果表明:孔隙率的增加将引起R波的波速下降,但使得R波的特征衰减反而增大;R波的波速随着渗透系数的增大先不变,再急剧增大,最后趋于稳定,其特征衰减随着渗透系数的增加先增大后减小,最后趋于稳定;热膨胀系数的增大将引起R波波速的增大,但对其特征衰减的影响较小;初始温度的增加导致R波波速的小幅上升,而对其特征衰减影响不大;松弛时间对R波波速和特征衰减几乎无影响。     

考虑渗透系数变化的非饱和土固结性状分析

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,研究了有限厚度的表面透水透气、底面不透水不透气的线弹性和黏弹性非饱和土地基在加荷随时间指数性变化时的一维固结特性。分别得到了两类地基在固结过程中同时考虑液相、气相渗透系数非线性变化和仅考虑液相渗透系数变化两种情况下的半解析解答。利用典型算例进行计算,分析了不同情况下两类地基中超孔隙水、气压力消散以及地基固结度随时间的变化规律,并与不考虑渗透系数变化时的半解析解计算结果进行了对比。结果发现：固结过程中渗透系数呈非线性变化;只考虑液相渗透系数变化时,超孔隙气压力的消散变化不大,超孔隙水压力的消散加快;气相渗透系数变化对超孔隙气的消散产生明显影响,对超孔隙水压力消散影响不大。同时考虑液相和气相渗透系数变化时,土体中超孔隙水、气压力的消散均有明显变化,土体固结速度也相应加快;分析结果对非饱和土固结的进一步研究具有重要意义。     

土体饱和度对移动荷载引起多层非饱和铁路地基振动的影响

采用半解析法研究了移动荷载作用下多层非饱和铁路地基的共振问题,分析了土体饱和度对非饱和地基振动的影响。采用分层非饱和多孔介质描述铁路地基;基于非饱和多孔介质的控制方程,采用多重傅里叶变换和土层界面位移、应力条件,推导了频率-波速域分层非饱和地基总体刚度矩阵。结合包括钢轨、轨垫、轨枕和道砟的轨道模型,建立耦合轨道-地基半解析模型。研究了移动简谐荷载作用在轨道上的多层非饱和地基的动力响应;考虑饱和度对土体剪切模量的影响,讨论了地基首层土和夹层土饱和度变化对地面振动的影响。采用频散曲线研究了地基共振模态。研究发现土体饱和度变化对振动位移的影响规律,与地基分层、荷载速度和频率有关。随饱和度减小,地基共振模态出现频率增大,地基关键速度增大。     

三相非饱和土参数对波的传播的影响研究

基于已建立的非饱和土中的波动方程,导出4种体波的波速以及衰减的解析表达式。数值分析了4种体波的波速、衰减与孔隙率以及Lame常数 、 之间的关系。结果表明,随孔隙率的增大,P1波和S波的波速有所提高,P2波和P3波的波速随孔隙率的增大而有所减小;3种P波的衰减有所增大,其中以P3波变化最为显著。P1波、P3波和S波的波速基本上不随Lame常数 变化,P2波的波速随Lame常数 的增大而稍有增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小。3种P波的波速基本上不随Lame常数 变化,S波的波速随Lame常数 的增大而有所增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小,其中P3波的变化最为显著。     

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

渗透系数是非饱和土渗流分析中最重要的参数。本文以概率、统计理论为基础,结合流体力学的基本方程,建立了一个能够考虑孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型,而后结合Mualeum(1976)的相对渗透系数模型以及Assouline(2006)提出并验证的孔隙结构参数随变形的变化规律,模拟了变形对非饱和土渗透系数的影响,通过和试验数据以及已有的模型对比。     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。     

Propagation of Rayleigh waves in unsaturated porothermoelastic media

Based on the frame of elastic theory for unsaturated porous medium, considering the influence of thermal effect, the propagation characteristics of Rayleigh wave in unsaturated porous media are studied. Firstly, the thermoelastic wave equations for three-phase porous media are established, in which the mass balance equations, generalized Darcy law, momentum balance equations, and generalized non-Fourier heat conduction law are taken into account. Secondly, through theoretical derivation, the dispersion equation of Rayleigh wave for unsaturated porothermoelastic media is given by introducing the potential functions. Finally, the variations of the phase velocity of Rayleigh wave are analyzed with numerical examples. The results show that the thermal conductivity has little effect on the phase velocity of Rayleigh wave. The phase velocity of Rayleigh wave increase with increasing of the thermal expansion coefficient and media temperature.     

双重孔隙介质中P1波在自由边界上的反射

对双重孔隙介质波动中的体波及P1波在半空间自由透水和不透水边界上的反射问题进行了详细的理论求解。通过数值计算,对双重孔隙介质中4种体波的弥散和衰减特性,以及不同边界上反射波振幅反射系数随P1波入射角和频率的变化进行了分析。结果表明：（1）P1、P2、P3和S波均具有弥散和衰减特性,P1波传播最快而衰减最慢,P3波传播最慢而衰减最快;（2）随着入射角的增大,反射P2、P3和S波的振幅反射系数均先增大后减小,反射P1波则先减小后增大,且边界透水条件对反射P2和P3波的振幅反射系数影响显著,对P1和S波的影响较小,但透水和不透水边界下振幅反射系数随入射角的变化趋势一致;（3）反射P2、P3波的振幅反射系数均随频率的增大而增大,且不透水边界下反射P2波的振幅反射系数大于透水边界下的反射系数,而反射P3波则相反;（4）随着频率增大,透水边界下反射P1波的振幅反射系数先增大后减小,不透水边界下先减小后增大再减小,反射S波的振幅反射系数随频率变化情况则与P1波相反。     

Effect of gradient stress on stress wave propagation characteristics of red sandstoneEI北大核心

地下工程岩体开挖卸载后,围岩体承受的地应力随空间位置呈梯度形式变化。梯度地应力导致岩石的波阻抗呈梯度形式变化,进而影响应力波传播衰减特性。为研究梯度地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用自主研发的具有梯度静应力岩石应力波传播试验系统,对红砂岩长试件进行了9种应力梯度工况下的应力波传播试验。通过分析岩石应力波传播速度、波阻抗随应力梯度的变化规律,构建应力波幅值与传播距离、传播时间和应力梯度之间的经验模型,探索梯度应力影响红砂岩应力波传播衰减的机制。结果表明,相同应力梯度工况下,随传播距离增加,应力波形状变化较小,但幅值逐渐减小。随应力梯度增大,岩石各测点区段内应力波传播速度、波阻抗均增大,但增大速率逐渐减缓,相邻测点区段波阻抗差值比先快速增大,后缓慢减小。随传播距离和传播时间增加,应力波幅值均呈指数形式减小;随应力梯度增大,时空衰减系数均呈先快速增大,后缓慢减小趋势变化。随应力梯度增大,相同测点应力波幅值先快速减小,后缓慢变化,在低应力梯度阶段,距离自由端越远的测点幅值衰减速率越快。     

层状地基中瑞利波随深度的衰减特性

层状地基中瑞利波（Rayleigh wave）的传播规律以及随深度的衰减规律是工程环境微振动分析与控制研究的关键问题之一。采用解析法（矩阵传递法）分析了层状地基中瑞利波弥散曲线,并在此基础上研究了各种频率下不同类型土层（上软下硬、软夹层、硬夹层）中瑞利波位移随深度衰减规律,通过与弹性半空间解的对比发现,瑞利波位移随深度的衰减规律与频率、土层分布密切相关：频率越高,传播深度越浅;特殊土层（软夹层、硬夹层）的存在会局部显著地改变其衰减规律,并且位移峰值的分布受到频率和土层分布的共同影响。最后,将该方法用于分析上海光源工程地基条件下瑞利波随深度的衰减规律,并与现场深孔微振动测试数据进行了比较。结果证明,与弹性半空间解相比,层状地基中瑞利波随深度的衰减规律可以更为准确地反映真实条件下瑞利波随深度的衰减规律。     

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。     

斯通利波和渗透率的关系分析

理论和实际资料证明,在渗透性地层,低频斯通利波出现的频散和能量衰减与地层渗透率有关,因此可利用斯通利波的传播速度和能量衰减等特性来估算地层渗透率。斯通利波的能量和渗透率负相关。因为斯通利波能量代表了斯通利波的有关信息,因此可以认定斯通利波和渗透率负相关。