含单一孔隙和双重孔隙介质三维饱和场地地震波散射与传播研究
发布时间：2022-01-24 01:00
近年来,有关饱和双相介质地震波动理论及其相关问题的研究得到越来越多专家和学者的重视,尤其是单一/双重孔隙饱和介质对弹性波的传播与散射问题一直是科学界具有挑战的研究课题,在地震学、地震工程学、地球物理等学科都具有深远的研究意义。在以往研究中,大多聚焦于单相介质对地震波的散射研究并取得了丰硕的科研成果,而实际岩土层中存在着错综复杂的基质流体、孔隙水与暗流,且地震波在流体饱和岩土层中传播特性同干土弹性场地情况具有显著差异,因此单一/双重孔隙饱和介质对地震波散射问题的研究更具有现实意义。本文的重点在于单一孔隙和双重孔隙介质三维饱和场地地震波传播及散射特性研究。基于Biot单一孔隙饱和介质理论和Berryman等建立的双重孔隙介质模型,提出一种适用于多种介质场地的基于球面波势函数的基本解方法（SWP-MFS）。首先结合单孔隙介质本构模型,采用两种压缩波（P1,P2）和三种矢量剪切波球面波势函数推导出单孔隙饱和介质位移,应力,流体相对位移和孔隙流体压力动力格林函数,进而构造散射波场,基于边界条件建立边界积分方程并配点求解。其次,基于地下裂隙层结构复杂的特...
【文章来源】：天津城建大学天津市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
希腊Volvi饱和沉积盆地典型剖面图
第二章饱和介质基本理论及SWP-MFS方法简介8（4）孔隙率均匀且孔隙相互连通；（5）研究对象的封闭孔隙为土体一部分；（6）孔隙间流体相对土体骨架的流动满足Poiseuille定律；（7）不计温度和化学作用等因素的影响。（a）结构示意图（b）物理示意图图2-1单孔隙介质示意图土体是以岩石颗粒为主体骨架的松散堆积物，岩石颗粒是土体的固相物质，是组成土体固体部分的主要物质，颗粒之间无胶结或弱胶结。用饱和度Sr表示土颗粒之间孔隙被流体填充的程度，饱和度Sr=0时，介质为干土形态；饱和度Sr=100时，介质为饱和土形态。基于Biot[9]两相介质理论，设土体骨架位移和流体相对于土体骨架的位移分别为iu和iw，则均匀饱和介质本构关系表达式：2+;,,,ijijijijepijxyz（2-1a）ipMeMw（2-1b）其中，ij和p分别表示土体的总应力分量和孔隙流体压力；ij和e分别表示土体骨架的平均应变张量和体积应变；和分别表示土体骨架的第一拉梅常数和第二拉梅常数；ij为Kroneckerdelta（当ij时，1ij；当ij时，0ij）。和M为土颗粒和孔隙流体压缩性的参数（01，0M+），当介质整体处于完全干土条件下：M=0；不可压缩土体条件下：M，=1。与土骨架位移和流体相对位移相关的多孔介质运动方程表达式[80]：2,,,()ijjjjijjiifiuMuMwuw（2-2a）j,jij,jifiiiMuMwumwcw（2-2b）式中，(1)sfnn表示介质材料密度，s和f分别表示土骨架密度和流体密度。n为介质孔隙率。c表示由于土骨架和孔隙流体之间的相对运动而产生的内摩擦参数，若不考虑内摩擦，则c0。
天津城建大学硕士学位论文13第三章单一孔隙介质地震波传播与散射研究3.1引言弹性波作用下地下洞室和夹杂体的散射研究及动应力集中效应是岩土工程、地震工程、地球物理勘探、无损检测等多个领域的研究热点之一。以往学者在研究中多以无限长隧道为工程背景，由于其方法的限制，通常在弹性场地或饱和场地中建立二维和二维半模型求解分析[86-89]，而实际饱和场地中常见的三维洞室和夹杂体对地震动的影响，研究还不甚深入。本节采用的SWP-MFS方法求解了平面P、SV波入射下单一孔隙饱和三维夹杂体及空洞的散射和动力响应问题，并结合数值算例，讨论了夹杂体内外刚度、入射波频率、边界排水条件和基质孔隙率等因素的影响。3.2计算模型如图3-1所示，无限域单一孔隙介质全空间中埋置一个任意形状夹杂体。假设单孔隙介质无限域（D0）和夹杂域（D1）的介质均匀且各向同性。外部空间中介质剪切模量、密度和泊松比分别为1、1、1v；夹杂体内相应为2、2、2v。外部空间剪切波速和压缩波速分别为sc、1c。图3-1计算模型图3.3单孔隙介质中弹性波传播特性基于2.2章节所研究了单孔隙介质平衡运动方程和Biot两相介质理论，在饱和介质中存在两类压缩波P1，P2（其中P1为快波，P2为慢波）和一类剪切波S。其中P1（快波）、P2（慢波）和S波的波数分别为1k，2k和k。对于波动方程稳态响应问题，P1波、P2波的势函数1、2和S波矢量势函数分别满足以下表达式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析[J]. 章小龙,李小军,周正华,陈国兴,彭小波. 地球物理学报. 2017 (07)
[2]双重孔隙介质中P1波在自由边界上的反射[J]. 贺鹏飞,夏唐代,刘志军,陈炜昀. 岩土力学. 2016(06)
[3]平面SV波入射下弹性半空间中三维球形洞室的动力响应[J]. 梁建文,胡淞淋,刘中宪,巴振宁. 岩土工程学报. 2016(09)
[4]基于精细时程积分的饱和两相介质波动问题时域解法[J]. 段雪铭,李亮,杜修力,宋佳. 岩土力学. 2015(09)
[5]含双理想流体夹杂的双重孔隙介质中弹性波的散射[J]. 董东霞,苏军,赵社戌. 上海交通大学学报. 2015(07)
[6]基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析[J]. 李永强,景立平,单振东,张锋. 岩土工程学报. 2015(11)
[7]孔隙介质的时域BEM计算[J]. 丁伯阳,蒋佳琪. 应用数学和力学. 2015(01)
[8]Finite-difference modeling with variable grid-size and adaptive time-step in porous media[J]. Xinxin Liu,Xingyao Yin,Guochen Wu. Earthquake Science. 2014(02)
[9]基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析[J]. 董云,楼梦麟. 同济大学学报(自然科学版). 2014(02)
[10]平面波在双孔隙介质中球形夹杂上的散射[J]. 梁宏斌,苏军,赵社戌. 应用力学学报. 2013(01)
博士论文
[1]复杂多孔介质中的地震波传播机理研究[D]. 巴晶.清华大学 2008
本文编号：3605514
【文章来源】：天津城建大学天津市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
希腊Volvi饱和沉积盆地典型剖面图
第二章饱和介质基本理论及SWP-MFS方法简介8（4）孔隙率均匀且孔隙相互连通；（5）研究对象的封闭孔隙为土体一部分；（6）孔隙间流体相对土体骨架的流动满足Poiseuille定律；（7）不计温度和化学作用等因素的影响。（a）结构示意图（b）物理示意图图2-1单孔隙介质示意图土体是以岩石颗粒为主体骨架的松散堆积物，岩石颗粒是土体的固相物质，是组成土体固体部分的主要物质，颗粒之间无胶结或弱胶结。用饱和度Sr表示土颗粒之间孔隙被流体填充的程度，饱和度Sr=0时，介质为干土形态；饱和度Sr=100时，介质为饱和土形态。基于Biot[9]两相介质理论，设土体骨架位移和流体相对于土体骨架的位移分别为iu和iw，则均匀饱和介质本构关系表达式：2+;,,,ijijijijepijxyz（2-1a）ipMeMw（2-1b）其中，ij和p分别表示土体的总应力分量和孔隙流体压力；ij和e分别表示土体骨架的平均应变张量和体积应变；和分别表示土体骨架的第一拉梅常数和第二拉梅常数；ij为Kroneckerdelta（当ij时，1ij；当ij时，0ij）。和M为土颗粒和孔隙流体压缩性的参数（01，0M+），当介质整体处于完全干土条件下：M=0；不可压缩土体条件下：M，=1。与土骨架位移和流体相对位移相关的多孔介质运动方程表达式[80]：2,,,()ijjjjijjiifiuMuMwuw（2-2a）j,jij,jifiiiMuMwumwcw（2-2b）式中，(1)sfnn表示介质材料密度，s和f分别表示土骨架密度和流体密度。n为介质孔隙率。c表示由于土骨架和孔隙流体之间的相对运动而产生的内摩擦参数，若不考虑内摩擦，则c0。
天津城建大学硕士学位论文13第三章单一孔隙介质地震波传播与散射研究3.1引言弹性波作用下地下洞室和夹杂体的散射研究及动应力集中效应是岩土工程、地震工程、地球物理勘探、无损检测等多个领域的研究热点之一。以往学者在研究中多以无限长隧道为工程背景，由于其方法的限制，通常在弹性场地或饱和场地中建立二维和二维半模型求解分析[86-89]，而实际饱和场地中常见的三维洞室和夹杂体对地震动的影响，研究还不甚深入。本节采用的SWP-MFS方法求解了平面P、SV波入射下单一孔隙饱和三维夹杂体及空洞的散射和动力响应问题，并结合数值算例，讨论了夹杂体内外刚度、入射波频率、边界排水条件和基质孔隙率等因素的影响。3.2计算模型如图3-1所示，无限域单一孔隙介质全空间中埋置一个任意形状夹杂体。假设单孔隙介质无限域（D0）和夹杂域（D1）的介质均匀且各向同性。外部空间中介质剪切模量、密度和泊松比分别为1、1、1v；夹杂体内相应为2、2、2v。外部空间剪切波速和压缩波速分别为sc、1c。图3-1计算模型图3.3单孔隙介质中弹性波传播特性基于2.2章节所研究了单孔隙介质平衡运动方程和Biot两相介质理论，在饱和介质中存在两类压缩波P1，P2（其中P1为快波，P2为慢波）和一类剪切波S。其中P1（快波）、P2（慢波）和S波的波数分别为1k，2k和k。对于波动方程稳态响应问题，P1波、P2波的势函数1、2和S波矢量势函数分别满足以下表达式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析[J]. 章小龙,李小军,周正华,陈国兴,彭小波. 地球物理学报. 2017 (07)
[2]双重孔隙介质中P1波在自由边界上的反射[J]. 贺鹏飞,夏唐代,刘志军,陈炜昀. 岩土力学. 2016(06)
[3]平面SV波入射下弹性半空间中三维球形洞室的动力响应[J]. 梁建文,胡淞淋,刘中宪,巴振宁. 岩土工程学报. 2016(09)
[4]基于精细时程积分的饱和两相介质波动问题时域解法[J]. 段雪铭,李亮,杜修力,宋佳. 岩土力学. 2015(09)
[5]含双理想流体夹杂的双重孔隙介质中弹性波的散射[J]. 董东霞,苏军,赵社戌. 上海交通大学学报. 2015(07)
[6]基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析[J]. 李永强,景立平,单振东,张锋. 岩土工程学报. 2015(11)
[7]孔隙介质的时域BEM计算[J]. 丁伯阳,蒋佳琪. 应用数学和力学. 2015(01)
[8]Finite-difference modeling with variable grid-size and adaptive time-step in porous media[J]. Xinxin Liu,Xingyao Yin,Guochen Wu. Earthquake Science. 2014(02)
[9]基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析[J]. 董云,楼梦麟. 同济大学学报(自然科学版). 2014(02)
[10]平面波在双孔隙介质中球形夹杂上的散射[J]. 梁宏斌,苏军,赵社戌. 应用力学学报. 2013(01)
博士论文
[1]复杂多孔介质中的地震波传播机理研究[D]. 巴晶.清华大学 2008
本文编号：3605514
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