基于应变梯度非局部Biot理论的饱和土地基动力特性研究

为探究孔隙尺寸效应(非局部参数表征)和介质局部非均匀效应(尺寸因子表征)对饱和土地基动力响应的影响,基于应变梯度非局部Biot理论,采用无网格法编制循环荷载下饱和土地基动力响应计算程序,验证无网格法程序的正确性。结果表明,尺寸因子为定值时,随着非局部参数的增加,观测点位移及孔压起始响应的时间有所延迟;而非局部参数为定值时,随尺寸因子的增加,观测点位移及孔压起始响应时间有所提前;说明考虑孔隙尺寸效应会减小系统的宏观模量,而考虑土体结构的非均匀效应则会增加系统的宏观模量。研究提出采用无网格法求解饱和土动力问题的方法和思路,可为今后研究饱和土动力学问题的研究提供借鉴。

基于等效Biot理论的多孔介质地震反射系数频散特征研究: 介观波致流的影响

含流体孔隙介质分界面上的反射和透射系数对储层表征和流体识别至关重要.本文考虑含流体孔隙介质与弹性介质间分界面, 基于等效Biot理论描述孔隙介质中介观流作用, 研究了分界面上反射系数频变机理.将势能波函数表示的位移和应力代入到分界面处连续性边界条件, 推导了纵波从孔隙介质入射和弹性固体入射两种情况下反射系数计算公式.通过对典型地质模型的正演计算, 得出了反射系数振幅随入射角和频率的变化规律, 揭示了介观流的影响机理.结果表明, 介观流引起地震频带内快纵波的速度频散和衰减, 并导致10 Hz到1 kHz频带间的反射系数频散.相比波从弹性固体入射时结果, 波从孔隙介质入射时的反射频散特征更为显著, 并受非均匀角的影响.在低频时, 反射系数与经典Zoeppritz方程计算结果一致, 而高频时, 介观流作用消失, 反射系数与无介观流时计算结果一致.分析这些特征对利用多尺度反射地震数据进行精细储层预测和流体识别具有重要意义.

基于非局部Biot理论的矩形移动荷载下饱和土动力响应

为进一步研究矩形移动荷载下饱和土路基中动力响应问题,首先,基于非局部Biot理论,以饱和土地基为研究对象,建立了考虑孔隙尺寸效应和矩形荷载作用下的非局部孔隙弹性计算模型;然后,考虑路基表面的透水边界条件,采用二次傅里叶逆变换得到饱和土体在矩形移动荷载下的时域内动力响应解析解;最后,分析了在不同模态和不同非局部参数的取值下,矩形荷载移动速度和荷载自振频率的变化对饱和土竖向和水平位移响应的影响。结果表明:在低模态时,非局部参数对饱和土位移响应影响不大,而在高模态时,其影响较大,并且位移响应主要取决于低模态。非局部参数与竖向位移成正比,而与水平位移成负相关关系。当荷载自振频率增大时,位移受到非局部参数的影响,随着非局部参数增大,位移响应峰值会在更低的荷载自振频率处出现,位移响应峰值向左移动。当荷载自振频率增大时,位移受到荷载移动速度的影响,在较低荷载移动速度下会出现位移响应峰值。当荷载移动速度增大时,位移受到荷载自振频率的影响,位移响应峰值出现对应的荷载自振频率减小。

基于非局部Biot理论的循环荷载下饱和土地基动力特性研究

为探究循环动荷载下,孔隙尺寸对饱和土地基动力特性的影响,利用虚位移原理及Newmark积分法对非局部Biot模型进行了空间及时间离散,并采用有限单元法编制了循环荷载下饱和土地基动力响应的计算程序。将该程序计算得到的饱和土一维固结结果和二维单相弹性地基的动力响应结果与已有文献对比,验证了该程序的正确性。研究了循环荷载下孔隙尺寸效应对一维饱和地基,二维饱和地基及饱和路基动力特性的影响。结果表明:荷载频率较高时,随着非局部参数的增加,饱和土地基的动力响应明显滞后,孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响明显,即荷载频率较高时,孔隙尺寸效应不可忽略。

Biot理论与修正的Biot理论比较及讨论

对Biot理论和修正的Biot理论中的波动方程进行了详细推导,注明了每个参数的量纲和准确含义,并基于修正的Biot理论导出了三种不同形式的波动方程;对两种理论进行比较,得到了Biot弹性系数表达式,并分析了两者的应力及其对应关系;最后,着重对易被混淆的孔隙流体压力符号的正方向和含义,以及基本方程中部分参数的定义式进行了讨论,有助于更好地理解、应用Biot理论和修正的Biot理论。

Biot理论的唯象修正对S波特性的影响

将复模量引入Biot方程后 ,在一维条件下通过S波的波动方程研究了S波的传播特性 ,S波的数值分析显示在频率域或温度域上都能获得热弛豫衰减峰和Biot衰减峰 .在频率域上由于温度的变化引起两峰相向位移 ,在温度域上 ,因频率的变化也发生相对移动 .随着温度和频率的不断提高 ,两峰发生叠加 ,叠加后两峰互换位置 .低频或低温段的热弛豫峰移到了高频或高温段 ,高频或高温段的Biot峰移到了低频或低温段 .由于两峰的衰减机制不同 ,导致S波波速随频率或温度变化规律的复杂性 .这些规律已部分被共振实验所证实 ,证实该理论模型具有实验基础 .

基于非局部Biot理论下饱和土中深埋圆柱形衬砌对平面弹性波的散射

基于Biot饱和多孔介质理论和非局部弹性理论,构建了非局部Biot运动方程及本构方程。利用波函数展开法及饱和土与衬砌边界连续条件和衬砌内边界自由边界条件,求解了饱和土体中圆柱形衬砌对平面波散射问题的解析解。并通过将该解退化为单相介质中及经典Biot理论下衬砌对平面P波散射稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,衬砌内边界及外边界动应力集中因子均随非局部因子的增大而减小;隧道内边界动应力集中因子分布曲线随非局部因子的减小而扩大;当入射波频率大于0.045 MHz时,饱和土中空隙尺寸及空隙动力的影响将不可忽略;非局部因子一定时,衬砌外径与内径比越大则衬砌内边界动应力集中因子越大,且当衬砌较薄时,衬砌内边界动应力集中因子可能产生负值。

应用BIOT理论预测储层有效厚度

Biot理论将地下储层模拟为Biot介质 ,将储层参数与地震波传播有机的结合起来 ,更接近于地下的真实描述。基于Biot理论的储层参数处理为我们提供了更丰富的储层信息。以往利用地震资料求取储层参数 ,通常存在一些不足之处 ,如求取低频分量时 ,在有井的情况下 ,以井与井之间的低频分量的内插是一个难题 ,简单的线性内插只有在地层产状平缓变化时才能取得较好的效果。本次研究所采用的Biot方法 ,充分考虑了地震波在固液双相介质条件下传播的特殊性质 ,并对实际探区的有效厚度参数进行了预测 ,取得了令人满意的效果。以该方法在永乐油田东块储层地震方法研究中的成功应用 。

基于Biot理论多种简化模型的适用性研究

基于Biot理论提出的简化模型主要包括以下简化形式:忽略混合物动力平衡方程和广义达西定律中相对加速度项;忽略混合物动力平衡方程中相对加速度项以及广义达西定律中所有惯性项;忽略控制方程中所有惯性项。分析了多种简化模型在不同材料参数和不同激励频率作用下的适用性,基于不同简化模型得到了一维有限饱和土柱的位移和孔压的频域解析解,引入无量纲量综合考虑渗透系数、孔隙率和激励频率等参数的影响,并依据这些无量纲量分析各种简化模型的适用范围。

Biot理论和TPM理论耦合参数之间关系的分析

对于热局部平衡情况,在固相位移为无旋场的假设下,通过分析比较Biot理论和多孔介质理论(TPM)下热-弹性理论模型之间的相似性,给出了两种理论模型中耦合参数之间的联系。这种热耦合参数间的关系仅依赖材料本身的物理和力学性能参数,具有更大范围的适用性,并为TPM理论的耦合参数提供了一种计算方法。

广义Biot理论u～U与u～p形式算法计算效率比较

广义Biot理论常用于描述连续多孔介质在荷载作用下的力学行为 ,但其数值求解较为困难 ,不同研究者通常采用u～U和u～p两种有限元列式求解广义Biot理论的控制方程 ,但对两种解法的求解稳定性和求解效率一直缺乏系统的比较。基于CompaqVisualFortran 6 .6环境 ,开发了二维广义Biot理论u～U与u～ p形式有限元数值求解程序。大量试算表明 ,u～U形式刚度阵病态性较弱 ,其计算稳定性优于u～ p形式。通过实例比较不同网格剖分规模与不同时段步数条件下u～U与u～ p形式算法所花费的CPU时间 ,观察到u～

Biot理论应用于地震勘探的探索

本文根据弹性波的波动特性，探索引用Biot理论的基本观点描述实测地震记录，初步建立了一套利用地震数据计算地层弹性参数的数学模型，并计算由震源引起的地震应力分布。地震应力信息反映地层沉积结构的某些特征，与地层的物性及所含流体有关，对研究储层参数有实际意义，说明Biot理论在地震勘探与开发中有应用的潜力。

移动荷载引起饱和土动力响应及排桩隔振-基于饱和土体Biot理论与半解析法分析

基于Biot理论与半解析法研究饱和土体在移动荷载作用下的动力响应问题。通过Fourier逆变换法获得时间域内评价排桩隔振效果的振幅比,根据算例结果与文献验证该算法的正确性。由此可知,单排桩对低速荷载引发的振动隔振效果优于告诉移动荷载。

基于Biot相洽理论的致密砂岩弹性参数计算方法

致密砂岩储层中速度-孔隙度关系复杂,针对致密砂岩中孔隙/裂隙并存的特点,提出了一种致密砂岩储层弹性参数的计算方法。根据Biot相洽理论,引入岩石骨架泊松比,在Biot相洽条件下对其进行求取,用于岩石骨架弹性模量的计算;结合约束反演求取的裂隙孔隙度,在Biot理论框架下求取孔隙和裂隙并存时致密砂岩的弹性参数。该方法无需对除裂隙以外的孔隙进行描述,避免了孔隙参数选取不合理带来的计算误差。使用该方法计算实际致密砂岩储层的弹性参数,用于横波速度计算以及流体敏感参数交会分析,取得了较好的效果,证明了方法的有效性。

基于Biot理论的双相各向同性介质弹性波交错网格有限差分数值模拟

双相介质模型是一种相对单相介质来讲更加接近于实际地层情况的介质模型,因此,地震波在双相介质中的传播路径和衰减情况比单相介质更具有考察意义.交错网格有限差分法在不增加计算量和存储空间前提下,把速度对时间的奇数次高阶导数转化为应力对空间的导数,将高阶差分和交错网格有机地结合到一起,与一般差分法相比有频散小、精度高、效率高的特点,因此具有一定的优越性.本文首先研究了交错网格的稳定性条件和完全匹配层(Perfectly Matched Layer,简称PML)的边界条件;其次,对双相各向同向介质中弹性波波场进行数值模拟,分析了弹性波传播时受震源主频和耗散系数的影响;最后重点模拟了弹性波在黏滞性的双相介质分界面上的传播规律和衰减情况.研究结果表明:快慢纵波及横波在分界面处发生了反射和透射现象,且存在波型之间的相互转换,这与实际采集的地震资料中情况相符;且运用双相介质进行数值模拟对了解地震波在实际地下传播规律具有重要意义,并且上下层介质都为黏滞型的双层模型更为贴合实际地层情况.

基于Biot理论的腰椎间盘力学响应分析

为考虑腰椎间盘流固耦合作用,基于Biot理论建立了正常人体腰椎间盘L3~L4节段的有限元模型,分析了椎间盘在不同轴向压缩载荷及复合载荷作用下的力学响应,得到了椎间盘不同部分的压力、应力分布规律和比较曲线。结果表明:轴向正压时,外层纤维环压力约为内层的15%,外层最大应力约为髓核应力的4.3倍;椎间盘各部分所受压力随载荷增大近似线性增加,且增加的速率基本相同;应力随载荷增加而增大的速率不同,外层纤维环应力增加最为明显。轴向压缩与扭转载荷组合作用时,纤维环整体应力水平最大,最容易被破坏。

Biot固结理论在地面沉降计算中的应用

在回顾地面沉降研究现状的基础上,提出采用Biot固结理论进行由降水形成的渗流场与应力场的耦合分析,并运用二维Biot固结平面有限元程序计算因开采地下水而引起的地面沉降问题,最后通过工程实例验证了该方法的可行性。

基于Biot固结理论的地面沉降研究综述

城市地面沉降与地下水开采引发的饱和土体压缩固结密切相关,Biot固结理论准确的描述了孔隙水压力消散与土体骨架变形的相互关系,以该理论为基础建立的多孔介质流固耦合模型在地面沉降数值计算中得到了广泛的应用。在调研大量相关文献后,对Biot固结理论研究进展和获取Biot系数的试验方法等方面进行了系统的总结和阐述,综述了国内外以为Biot固结理论基础的地面沉降研究成果,认为其能较好的反映地面沉降的真实规律,同时提出Biot固结理论在饱和土体的各向异性、应力应变本构关系方面与土体的实际变形特性存在差异等问题,因此仍具有进一步研究和完善的空间。

弹塑性大变形Biot固结理论的参变量变分原理

根据大变形弹塑性理论Lagrangian描述的UL方法,利用参变量变分原理的思想推导建立了弹塑性大变形Biot固结理论的数值模拟计算方法。该方法的优点在于,将弹塑性分析问题转化为屈服条件下的约束求弹塑性势能泛函的极值问题,增量计算中不需要迭代,而且便于进行非关联流动与应变软化计算。

基底不透水条件下埋置基础沉降的Biot固结理论解

基于 Biot固结理论 ,分析了基底不透水 ,侧壁为半透水介质的埋置基础沉降随时间变化规律。采用 Hankel和 L aplace变换 ,简化固结控制方程。基底平面的渗流和接触应力采用级数逼近的方法模拟。获得了地基表面和基础底面任意点的位移积分形式解。运用反变换技术可以获得位移随时间的变化规律。该方法对于复合地基、沉井基础等地基的固结理论研究及工程设计均有一定的借鉴意义。