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。     

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。     

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。     

非饱和土中Rayleigh波的传播特性分析

基于对非饱和多孔介质的研究成果,考虑孔隙中液相和气相的相互影响,研究了非饱和土地基中Rayleigh波的传播特性。通过非饱和土中固相、液相和气相的质量平衡方程、动量平衡方程和非饱和土有效应力原理,建立了问题的弹性波动方程。通过引入势函数及考虑自由透水（透气）的边界条件,经过理论推导给出了非饱和土中Rayleigh波的弥散特征方程。通过数值算例分析了Rayleigh波的波速和衰减系数随饱和度、频率和固有渗透系数等因素的变化规律。结果表明：不同饱和度下波速随频率和固有渗透系数的变化均是先不变,然后小幅下降,再急剧增加,最后趋于一致;衰减系数在不同饱和度下随频率的增大而增大,随固有渗透系数的增大而先增大后减小。     

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。     

渗透系数极端情况下饱和土中压缩波波速及其物理本质

目前对渗透系数取极端值情况下饱和土中两类压缩波物理本质的理解尚不够清晰,比如文献中对渗透系数无穷大情况下饱和土中两类压缩波波速的求解有不同的结果。结合Zienkiewicz给出的土动力学基本方程,深入讨论了流体运动方程的建立,推导了饱和土一维压缩弹性问题的动力控制方程及其 - 、 - 形式,进而得出渗透系数取0和取无穷大这两种极端情况下饱和土中压缩波的波速,解释了其物理意义。提出了惯性耦合力的概念,指出两相体动力分析时土骨架和孔隙水之间的相互作用包含渗透力和惯性耦合力两项,并重点讨论了衡量惯性耦合力的参数孔隙度对压缩波波速的影响。     

基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统

降雨是诱发滑坡最主要的因素。为减少滑坡灾害造成的人员伤亡和经济损失,滑坡早期预警系统成为了最佳选择之一。根据弹性波传播的基本原理和基于降雨型滑坡变形破坏的特点,提出利用弹性波波速来反映边坡表面土体含水率和位移的变化。开发研制了一套三轴渗流-弹性波测试三轴仪和相关系统。该装置能让水从底部渗入土体,模拟降雨入渗土体的过程,同时能测试弹性波波速。试验过程中同步测试含水率、变形和弹性波波速的变化。还进行了降雨滑坡模型试验。利用三轴弯曲元注水试验和降雨滑坡模型试验,深入分析和研究降雨引起的土体滑坡过程与弹性波波速演化规律,揭示波速与含水率和变形的耦合关系。研究结果表明,弹性波波速随着含水率的增大而缓慢减小,随着变形的增大而急剧减小,临近失稳时,波速骤然减小。根据试验结果对含水率和变形导致弹性波波速减小可能的机制进行了解释,提出弹性波在波速骤然减小时发出滑坡预警。研究结果为滑坡防灾减灾和预测预报提供新的方法和可靠的依据。     

饱和冻土中弹性波的传播特性

用混合物连续介质理论,考虑了土颗粒骨架、冰、水三相介质,选取土颗粒位移、孔隙水位移、孔隙水压和孔隙冰压为基本变量,采用Bishop有效应力原理,建立了饱和冻土多孔介质的弹性波弥散方程。经理论推导,给出了饱和冻土中弹性波的传播速度及衰减的解析表达式。通过数值算例,探讨了饱和冻土中两种压缩波（Pl波和P2波）及剪切波（S波）的波速和衰减与频率和孔隙率、含冰量等土参数的关系。通过参数分析研究了饱和冻土中3种体波的传播特性。     

非饱和土一维热固结理论研究

为研究温度变化对非饱和土一维固结的影响,本文建立了非等温状态下的非饱和土固结模型,并且给出了半解析解。首先,结合Dakshanamurthy等提出的非饱和土一维热固结方程与Aldrich建立的一维热传导方程,建立了更完善的非饱和土一维热固结问题的控制方程。其次,采用Laplace变换与Laplace逆变换等方法,得到了非等温条件下超孔隙气压力、超孔隙水压力及土层沉降的半解析解。另外,将得到的解分别退化为非饱和土一维等温固结情况及饱和土一维热固结情况,与现有文献结果对比,证明了本研究的可靠性。最后采用算例分析了不同热扩散系数和温度对非饱和土地基固结的影响。结果表明：热扩散系数与温度在一定范围内的变化会对非饱和土固结的速度产生显著的影响,且热扩散系数的增大会增加固结速率,温度的升高会减小最终沉降量。     

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.     

Wave propagation in thermoelastic saturated porous medium

Biot’s theory for wave propagation in saturated porous solid is modified to study the propagation of thermoelastic waves in poroelastic medium. Propagation of plane harmonic waves is considered in isotropic poroelastic medium. Relations are derived among the wave-induced temperature in the medium and the displacements of fluid and solid particles. Christoffel equations obtained are modified with the thermal as well as thermoelastic coupling parameters. These equations explain the existence and propagation of four waves in the medium. Three of the waves are attenuating longitudinal waves and one is a non-attenuating transverse wave. Thermal properties of the medium have no effect on the transverse wave. The velocities and attenuation of the longitudinal waves are computed for a numerical model of liquid-saturated sandstone. Their variations with thermal as well as poroelastic parameters are exhibited through numerical examples.     

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。     

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。     

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。     

饱和冻土中弹性体波传播特性影响参数研究

基于Leclaire对饱和双相孔隙弹性介质Biot模型的扩展,研究含有两种不同固相组分的三相多孔弹性介质中体波的传播特性。以饱和冻土为例,分析了各相体积分数、颗粒形状,接触参数等因素对波动方程中惯性参数、黏性参数、刚度参数的影响;对该三相介质模型进行了退化,分析了孔隙中只含液态水或固态冰时体波的特性;以饱和冻土为例,通过数值计算,探讨了饱和冻土中体波的相速度和衰减系数与胶结参数、接触参数、频率、饱和度、孔隙率等参数的关系。结果表明：与一般的饱和土不同,饱和冻土中存在5种体波,即3种纵波和2种横波;5种体波均具有弥散性和衰减性,且P1波、S1波弥散性和衰减性远小于P2、P3、S2波;胶结参数、饱和度、孔隙率对5种体波的传播特性影响显著,接触参数对传播特性影响较小。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明：孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。