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非饱和多孔介质中波的传播

李保忠  
【摘要】: 非饱和多孔介质中弹性波的传播是土木工程、石油工程、生物工程、地震学及地球物理等领域重要的基础性课题。本文基于多孔介质的渗流理论和连续介质理论,对非饱和多孔介质中弹性波的传播、反射和透射作了深入系统的研究。 首先对非饱和多孔介质中波传播理论的发展过程及研究现状进行了全面的分析,按照理论模型的不同将其分为六大类,并分别探讨了各理论模型的优点和不足。在此基础上,本文首次提出应考虑孔隙流体饱和状态对多孔介质性质的影响,对不同饱和状态的多孔介质应采用不同的模型进行研究,并可根据多孔介质的毛细压力曲线,将非饱和多孔介质分成水封闭状态、索状饱和状态和滴状饱和状态三种基本饱和状态。 对索状饱和多孔介质,基于多孔介质的连续介质理论,考虑非饱和多孔介质中固-液-气三相之间的惯性耦合效应、粘性耦合效应和毛细作用,并考虑频率对孔隙流体粘滞系数的影响,建立了索状饱和多孔介质的波动方程。求解波动方程可知,索状饱和多孔介质中存在三种压缩波和一种剪切波。文中分别研究了饱和度和频率变化对各体波波速和衰减的影响,并与已有文献数值计算结果做了针对性的比较。 因为通过渗吸过程和驱替过程产生的滴状饱和多孔介质物理性质差异非常大,本文针对这两种不同情况推导了各自的波动方程。求解相应的波动方程,得出了不同饱和度下的弥散曲线和衰减曲线。计算表明,通过不同方式产生的滴状饱和多孔介质中弹性波的性质差异非常大。随着饱和度的降低,进入索状饱和度状态后,渗吸作用和驱替作用产生的非饱和多孔介质中弹性波的性质已基本一致。另外,两种不同情况下本文所得结果都与已有文献中的试验数据相符较好。 由于横观各向同性力学模型比较符合天然土体和岩体的特性,又较完全各向异性简单,便于在实际工程中应用,所以本文分别分析了索状饱和状态、滴状饱和状态下横观各向同性非饱和多孔介质中弹性波的性质,并用图表形式直观的给出了饱和度、各向异性、传播方向以及振动频率对弹性波波速及衰减的影响。 另外,考虑天然土体和岩体在宏观上一般呈层状结构,本文分别研究了索状饱和及滴状饱和分层介质中弹性波的透射、反射和折射问题。其中第4章采用索状饱和多孔介质模型模拟土木工程中常见的非饱和填土,研究了P1波和SV波由地下以任意角度入射时,各反射波的反射系数以及入射波在地表引起的位移幅值等参数与饱和度、频率、入射角的关系。第7章中,采用滴状饱和多孔介质模型模拟石油工程中的储层,用完全饱和多孔介质模型模拟盖层,考虑固-液-气三相介质全频域粘滞耦合,分析了弹性波在饱和多孔介质与非饱和多孔介质交界面出的反射与透射,并首次研究了饱和度变化对入射波能量分配的影响。


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