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孔隙流体波

(2021-07-15 17:00:03) 百科综合
孔隙流体波

孔隙流体波

饱和土介质中波的传播问题是岩土工程、地震工程及地球物理学的重要研究课。Biot首先建立了流体饱和弹性多孔介质中波传播的理论框。在饱和土中存在两种压缩波。孔隙流体波是指其传播特性主要受土中孔隙流体控制的压缩波。在水饱和土中,其传播速度与水的体变弹性模量、土骨架的刚度及孔隙率有关,可接近或高于水中波速 (常温下约为1450m/s)。

基本介绍

  • 中文名:孔隙流体波
  • 外文名:fluid wave in soil
  • 学科:土力学
  • 定义:传播特性主要受土中孔隙流体控制
  • 影响因素:体变弹性模量、土骨架及孔隙率
  • 速度:常温下约为1450m/s

简介

饱和土中有两种压缩波,一个仅在流体中传播,称为流体波,即孔隙流体波,是指压缩波在土中传播特性受孔隙中液体影响,同时也与孔隙率和体变弹性模量有关。一个仅在土骨架中传播,称为骨架波,且均为弥散和耗散波。频率和流、固相之间的粘性耦合对波的传播特性有很重要的影响:在高频(低粘性耦合)时,流、固相之间将会产生相对运动,同相运动时传播快纵波异相运动时传播慢纵波。低频(高粘性耦合) 时,由于流、固相之间的粘性耦合阻碍了相对运动,此时只存在一种压缩波,波的传播性质与在单相介质中相同。水饱和至準饱和土中,两种压缩波的速度和弥散性均随含气量的增加而降低,衰减则随含气量的增加而增加。

有关术语

压缩波
压缩波,又称压力波或纵波。一种质点振动方向与波传播方向一致的弹性波。这种波可以在固体、液体或气体中传播,波速随介质弹性参数和密度而改变。地震勘探中,压缩波是首先到达的波。压缩波也可以指在岩土材料等介质中传播并使介质受到压缩作用的纵波。源自空气冲击波,与防护工程结构遭遇时形成动荷载。
孔隙比
孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比,是说明土体结构特徵的指标。在工程地质中,通常用孔隙比评价土的密度、计算土的压缩係数及评价土的允许承载力。在同样条件下,土的孔隙比越大,其地基基础的允许承载力越小。对砂土来说,往往用砂的孔隙比(e)来决定砂的密实度;例如砾砂、粗砂、中砂,其孔隙比密实的e<0.60,中密的0.60≤e≤0.75,稍密的0.75<e≤0.85,鬆散的e>0.85;细砂、粉砂密实的e<0.70,中密的0.70≤e≤0.85,稍密的0.85<e≤0.95,鬆散的e>0.95;砂的密实度决定了砂的承载力。
孔隙水
孔隙水是指存在于土层或岩层孔隙含水层中的地下水。它主要分布于鬆散的沉积层中,也存在于半胶结的碎屑沉积岩中。因为孔隙水一般分布于层状砂岩、粉砂岩、砾岩内,所以比较均匀而连续,水力联繫密切,具统一的地下水面或测压面,水的运动形态大多属层流运动,遵从达西渗透定律。孔隙水的富水性取决于岩石的孔隙度,而孔隙度的大小取决于颗粒的大小、分选好坏、胶结物的性质及胶结程度等。孔隙含水层的透水性、给水度等特性主要受沉积物的成因类型和地貌条件的控制。许多水化学地震观测井(如管庄井等)的含水层就是孔隙岩层含水层。
土骨架
土是由岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等物理、化学、生物作用,在地壳表层形成的各种散粒堆积物。它是土力学的研究对象。土是由颗粒(固相)、水(液相)和气体(气相)组成的三相分散体系,具有结构和构造。土骨架是指土中固体颗粒形成的构架。是由土颗粒相互接触与联接形成的可以承担与传递有效应力的构架体。土骨架的3要素有:土颗粒,包括其结合水;接触( 点或面);联接(收缩膜,公共结合水膜)。土颗粒相互接触,或相互联接,或既相互接触又联接构成土骨架。土骨架溃散是指土颗粒既没有接触也没有联接。结合水膜联接最强,其次是收缩膜联接,最弱是接触。土骨架局部失去接触或联接为损伤;溃散或损伤的土骨架重新建立接触或联接为修复,还伴有加密的为增强。饱和土的土骨架体积,是包括结合水膜的土颗粒体积;非饱和土的土骨架体积,是包括结合水膜的土颗粒,加上收缩膜联接的体积。

研究背景

天然土体是由土颗粒 、孔隙流体( 包括孔隙水和孔隙气 ) 组成的三相介质 。当孔隙中仅被一种流体 (水流或气流) 所充填时,称为饱和土。饱和土是工程中常见的土,由土骨架和孔隙水两相材料组成,其动力特性比单相体複杂得多。而在研究饱和地基的振动液化等问题时,就必须採用两相体的研究方法,需要仔细分析土骨架和水的各自性态及两者之间的相互作用。Biot于20 世纪50年代最先给出了饱和多孔介质动力反应计算的基本控制方程,以及波的传播理论。Biot 理论线上弹性土骨架的基础上增加了两个弹性常数,分别对应流体的压缩性以及流体与土骨架的弹性相互作用,在流体和土骨架各自的运动方程中都包含了两者之间的惯性及黏性相互作用,从而构成了这两个方程的耦合。Biot 理论的实质是将连续介质力学套用于流体和多孔介质共同构成的两相材料体系,并分别考虑土骨架与液体水两相介质中力与变形的关係及其运动规律, 建立了含水饱和多孔介质波动理论。Biot理论成功地预言出饱和多孔介质中存在 3 种体波:第1类压缩波(
波)、第2类压缩波(
波)和剪下波(S波)。

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