冲击载荷作用下含液饱和多孔介质中应力波传播问题的研究

【摘要】： 地质材料，不论是土还是岩石，在微观结构上都具有晶粒结构、孔隙、微裂纹等特征，并且在孔隙或微裂纹中还往往含有流体或气体，因此地质材料的力学问题往往是液体、固体以及气体间相互作用的问题。在实际的工程应用中，重大水利工程爆破施工时岩土边坡的稳定性问题；采用爆破技术在油层中制造冲击波以提高出油率时油层中的响应，以确定爆炸工艺对提高石油生产率的有效性等关键性技术问题的解决都要求对含有液体的多孔介质在动载荷作用下的力学行为进行深入的理论、数值和实验研究。这些关键性技术问题的理性解决将对推动我国在这些工程领域的科技进步，国家经济和社会发展起到重要作用。 本文回顾了含液多孔介质理论的发展历程，系统地总结了液饱和多孔介质中应力波传播问题的研究现状和主要成果。论文主要分为两大部分：第一部分基于替代模型的Biot理论，对各向异性介质中平面波以及表面波的传播特性进行了研究；第二部分从细观层次出发，提出了一个更加符合含液饱和多孔介质内部作用机理的三维细观计算模型，并对纵向冲击载荷作用下液饱和多孔介质中弹性波的传播规律进行了讨论。 在第2章中，根据广义特征理论，对正交各向异性液饱和多孔介质在纵向冲击载荷作用下的应力波问题进行了特征分析。给出了正交各向异性液饱和多孔介质中弹性波的特征曲面，速度曲面以及慢曲面的微分方程，并给出了正交各向异性液饱和多孔介质中应力波波阵面的解析表达式，对不同含液饱和多孔介质中应力波传播的波阵面进行了研究。 在第3章中，基于Biot各向异性液饱和多孔介质理论，引进动态渗透率，对正交各向异性液饱和多孔介质中平面波的传播特性进行了研究。讨论了液饱和多孔介质中快波、慢波，准剪切波和反平面剪切波的衰减特性，并分析了固体骨架异性以及流体粘度的综合效应对平面波传播特性的作用，澄清了介质水平面内异性以及流体粘度对弹性波传播特性的影响。 在第4章中，运用Biot多孔介质理论，研究了横观各向同性液饱和多孔介质中瑞利波的传播特性。导出了横观各向同性液饱和多孔介质中广义瑞利波的三维复特征方程，计算了横观各向同性液饱和多孔介质内瑞利波传播的波速及各子午面内质点的运动轨迹，分析并讨论了介质材料参数及流体的粘度对瑞利波传播速度的影响。指出横观各向同性含液饱和多孔介质中，流体相的存在对瑞利波的传播特性有很大影响，当考虑固体颗粒的可压缩性时，瑞利波的波速不仅取决于固体骨架中快波和剪切波的波速，而且受慢波波速的影响。 在第5章中，以Biot的各向异性液饱和多孔介质理论为基础，研究了正交各向异性无粘流体饱和多孔介质中瑞利波的传播特性。计算分析了固体骨架的异性对瑞利波传 摘要 播性质的影响。指出由于介质的各向异性，尽管忽略了流体粘度引起的粘度耗散，正交 各向异性液饱和多孔介质中瑞利波的相平面和幅平面亦不再重合，为非均匀波，最大的 衰减不再沿波传播方向。此时瑞利波不沿自由表面传播，而是倾斜于自由表面。粒子运 动的椭圆轨迹的主轴不垂直于自由表面，而是沿深度成正弦变化。进而澄清了固体骨架 的异性对饱和多孔介质中瑞利波的传播特性的影响。 宏观现象是细观现象的宏观体现，因此为了真正了解多孔介质在荷载作用下力学性 质的演变过程，揭示液体相在多孔介质破坏、后破坏以及固相液化中的作用，很有必要 从细观的角度建立具有真正意义上的独立相的模型，从细观角度分析多孔介质中两相介 质在强动荷载下的力学行为，揭示两相介质间的作用机理。在第6章中，从细观力学的 角度出发，提出了一个更加符合含液多孔介质内部作用机理的三维细观计算模型。在此 模型中，固体相和液体相被分离成两个真正意义上的独立相，通过二者界面处的流固耦 合作用建立二者的关系，研究含液饱和多孔介质在外载作用下固相和液相以及二者之间 的相互作用、影响的演化过程。此模型与真实的多孔介质中固液两相间的相互作用是吻 合的。在此模型基础上，采用间接耦合的技术，开发了流体一固体混合三维显式动力有 限元计算程序。运用Galerkin加权余量法，计及耦合边界上流一团耦合效应，将模型离 散为固体单元，流体单元和流一固耦合过渡单元。进而，对含液饱和多孔介质三维空间 中弹性波的传播进行了数值模拟，分析了孔隙率，孔隙形状等因素对弹性波主导波形传 播特性的影响。 最后，作者总结了全文的工作，并对各向异性液饱和多孔介质中应力波传播问题的 研究作了展望。