Biot介质密度参数的容差密度表达

探讨了Biot介质密度参数的表达形式。首先给出Biot介质地震波场的基本方程;然后基于动能方程,分别得到了开放边界条件和闭合边界条件的密度,进而用这两个密度的差值定义了"容差密度",容差密度突出了孔隙介质宏观的平均状态,回避了孔隙形态等细节问题,在此基础上推导出Biot介质密度参数的容差密度表达形式;最后对密度参数的表达式进行了分析讨论,深化了Biot介质密度参数的认识,特别指出耦合密度的负值性是动能的非负性和惯性力的平衡关系所约束的结果。

Biot介质中P波与井孔的耦合

依据全频域的Ｂｉｏｔ理论，推导了在Ｂｉｏｔ的流体饱和孔隙介质中，平面Ｐ波垂直井轴入时与井孔相互作用所产生的井内声压场的解析表达式．通过数值计算，对井内声压场出现的共振响应进行了分析．重点研究在不同频率段渗透率对井内声压的影响及偏离井轴记录时声压的变化．结果表明，在井内测量地震波声压，全频域都有明显影响；测量大于５００ＨＺ的地震信号，检波器偏离井轴放置以及方位不同的影响不能忽略；渗透率变化对井内声压的影响程度最大不超过弹性固体情况（零渗透率）下相应声压的１／５．

Biot介质波场数值模拟的频散分析及FCT校正方法探讨

与单相介质不同,地震波在双相或多相介质中传播时有其特殊的传播规律及波动响应特征。Biot介质是一种典型的双相介质,高阶交错网格波场数值模拟技术是研究Biot介质波场特征的一种有效的数值方法,但会产生频散现象。文章针对不考虑耗散的二维Biot各向同性介质,基于高阶交错网格波场模拟技术,在确保数值计算稳定的前提下,通过Matlab软件编程,对该模拟技术的空间和时间频散问题进行了分析,同时对FCT校正方法压制频散现象的效果进行了探讨。

一阶速度-应力Biot双相各向同性介质弹性波波场分离数值模拟

提出一种等价的一阶双曲型速度-应力Biot双相各向同性介质弹性波波动方程,以实现双相介质混合波场中纯快慢纵波和纯横波波场分离的问题.应用散度和旋度理论证明双相介质等价方程波场分离的可行性,采用高阶交错网格有限差分法构建高精度正演算子,推导其PML吸收边界条件和稳定性条件,并对均匀双相介质和层状非均匀双相介质模型进行数值模拟试验,准确得到固流相混合弹性波场、被完全分离的纯纵横波波场,同时边界吸收效果良好,数值模拟精度较高.计算结果还表明,固流相中的快慢纵波相互伴生因而无法实现分离,且归属于纯纵波波场,流相慢纵波能量比固相慢纵波能量强,这对认识双相介质弹性波的传播规律以及完善双相介质理论具有重要意义.

无限Biot双相介质中水平流体层声波场的分波与全波数值分析

通过对无限Biot双相介质中水平流体层声波场的数值计算，逐一分析了斯通利波和简正模式的频散与激发、与支割积分对应的临界折射波，并将它们的时域波形与全波进行比较，还进一步考察了孔隙度、渗透率和流体层厚度变化对分波与全波的影响。

双相各向同性介质伪谱法地震波场数值模拟

伪谱法是一种模拟精度和计算效率都较高的地震波场数值模拟方法。该方法通过对空间坐标的快速傅里叶变换实现数值计算,在时间域直接采用差分运算代替导数的求解,避免了求偏导数;不存在有限差分和有限元等方法对高频成分限制的问题,可以实现全频带地震波场模拟;对内存容量的需求远远低于有限元法。利用伪谱法实现双相各向同性介质地震波场数值模拟的基本原理是:首先基于Biot模型给出双相各向同性介质弹性波波动方程;然后推导出二维双相各向同性介质的伪谱法计算公式;最后对给定的介质模型进行模拟试算。模拟结果表明,弹性波在双相各向同性介质中以快纵波、横波和慢纵波3种方式传播。基于模拟结果,分析了各类波的传播规律,讨论了耗散系数和孔隙度对地震波传播的影响。

基于Comsol的饱和多孔介质动力方程的数值模拟及应用

两相饱和多孔介质的动力响应问题在地震工程领域具有重要的研究意义,由于涉及到固相和液相的动力耦合,使得该问题的求解尤为复杂。本文利用Comsol在求解多场耦合问题上的优点,针对Biot饱和多孔介质u-U耦合形式下的波动方程特征,经过一系列微分算子运算和矩阵变换得到导数形式下的波动方程,基于Comsol Multiphysics提供的广义偏微分方程模式对变形后的波动方程进行求解,并把改进后的无限元边界应用到无限域动力问题的模拟中。通过与饱和多孔介质动力响应的解析解进行对比,验证模型求解技术的可行性和正确性,并在此基础上讨论饱和土地基中空沟隔振效果与饱和土体参数孔隙率、泊松比的关系。通过研究分析,可以为饱和土地基中空沟隔振设计提供一些有价值的参考。

双相介质地震波传播理论在煤层瓦斯含量预测中的应用

通过研究勘查区3#含瓦斯煤层中地震波存在的明显变化特征,诸如因双相介质中各频率成份吸收作用不同而表现出的"低频共振、高频衰减"现象等,利用Biot双相介质中地震波传播理论,提取了3#煤层地震反射波中所包含的含瓦斯双相特性值,并根据该区钻孔煤样瓦斯含量检测值进行了标定,预测了该区3#煤层瓦斯含量。煤样瓦斯含量检测值与地震资料预测值回归方程显示,二者之间呈负相关关系。

砂岩双相介质孔隙度地震波场数值模拟研究

为了研究煤系含水砂岩的双相介质地震波场特性,用Biot双相介质数学模型描述煤系含水层。本文应用交错网格有限差分方法对煤系含水砂岩双相介质模型的孔隙度进行了地震波场数值模拟,模拟结果显示双相介质中孔隙率大小对慢纵波有较大的影响,主要表现在随着砂岩孔隙度的增大,慢纵波的传播速度也随着增大。利用双相介质理论探索地震波场对砂岩孔隙度响应特性,对了解煤系砂岩的富水性以及孔隙特性具有现实意义和理论价值。

双相各向同性介质弹性波高精度波场分离数值模拟方法

为了便于研究双相介质固流相混合弹性波场中纵横波波场的传播规律,提出了基于交错网格的Biot双相各向同性介质弹性波动方程高精度波场分离正演数值模拟方法。采用高阶交错网格有限差分法来构建一阶双曲型双相各向同性介质弹性波动方程正演算子实现波场正演,并在每一步递推过程中,分别计算出固相和流相分量相应的散度场(纯纵波场)和旋度场(纯横波场)。以均匀介质和层状介质模型为例进行波场分离数值模拟试验,计算结果表明,该方法能够从固流相的任一分量混合弹性波场中准确地分离出纯纵波波场和纯横波波场,具有计算精度和效率高的特点,同时指出快慢纵波相互伴生因而无法实现分离。

考虑竖向荷载作用时液化土中高桩基础水平动阻抗分析

考虑竖向荷载与水平荷载的耦合作用,基于Biot饱和多孔介质理论,结合Novak薄层法,建立饱和土体中高桩基础的水平振动分析模型,引入势函数解耦,利用微分算子分解法和参数分离法,得到非液化饱和土中桩段的水平振动解析解。将上部液化土视作无黏性不可压缩流体,建立柱坐标下的流体运动方程,求解得到液化土中桩段的水平振动解析解。利用位移连续条件,通过矩阵传递法得到高桩桩顶的动力阻抗表达式,并退化与已有文献解进行对比验证,讨论液化土性质、竖向荷载等因素对桩顶动阻抗的影响。结果表明,高桩阻抗随液化土厚度的增加而减小;液化土厚度不变时,液化土密度在高频阶段对高桩阻抗影响更显著;竖向荷载的存在主要影响桩基动刚度,对桩基动阻尼几乎无影响。

路堤饱和软土地基初始孔压分布及沉降分析

变形和稳定性问题是岩土工程中需要解决的两个主要问题,尤其是在软土地基上修建公路,这两个问题就更加突出。从工程实用角度出发,将饱和软土地基视为Biot介质,假定路堤荷载瞬时施加,求得了地基中初始超静孔隙水压力的分布,以及有效应力的分布,进一步求得瞬时沉降和固结沉降。分析了压缩层厚度和土骨架泊松比对瞬时沉降和固结沉降的影响,为施工前填土方量计算、填筑结束后地基超静孔隙水压力分布和沉降计算提供了依据,其计算表达式简洁,便于工程应用。最后对一个工程实例进行了分析。

含天然气水合物地层的速度和衰减研究

本文以 Biot双相介质理论为基础 ,针对 Ecker提出的三种水合物沉积模式 ,即水合物是液体的一部分、水合物是固体骨架的一部分和水合物胶结在固体颗粒接触面 ,研究了有耗散时和无耗散时含水合物地层的快速纵波、慢速纵波、横波的速度和衰减随频率的变化规律 ,并把上述三种模型的计算结果与地层不含水合物的结果进行了对比。指出上述第三种模型的速度、衰减随频率的变化和前两种模型具有明显不同的特点 ,主要表现为对频率的依赖性。

饱和度对波在土层交界面的反射、透射系数的影响

把均匀流体概念引入Biot两相多孔介质动力理论中,用Biot的两相多孔介质模型模拟不完全饱和土层,给出SV波、P波从不完全饱和土层入射到弹性土层时,在土层交界面上反射、透射系数的表达式.结果表明与完全饱和相比,饱和度发生很小的变化就会对交界面上反射、透射系数产生很大的影响.今后应该重视饱和度变化对地震动力响应的影响.

海底沉积物声波现场测试和有限差分数值模拟研究

利用基于Biot理论的高阶交错网格有限差分算法,模拟了声源在不同位置条件下激发声波的传播,重点讨论了纵波和各种转换波的声场,并与我国某海域地区海底沉积层的现场测试数据进行了对比。研究结果表明,海底沉积层中的纵波具有明显的频散现象,这种频散现象与理论预期结果相吻合,而且由Biot理论得到的纵波频散规律和现场测试结果有较好的一致性,但对于纵波的衰减,二者符合得不好,这是因为Biot理论模型的假设条件和海底沉积层的差别较大造成的。计算声场显示,当声源放置在海水中时,在沉积层中产生三种转换波;当声源放置在沉积层中时,在沉积层中产生了多种类型的波。在某些条件下,海底沉积层中的横波速度低于慢纵波速度。

A unified theory for elastic wave propagation through porous media containing cracks-An extension of Biot's poroelastic wave theory

Rocks in earth＇s crust usually contain both pores and cracks. This phenomenon significantly affects the propagation of elastic waves in earth. This study describes a unified elastic wave theory for porous rock media containing cracks. The new theory extends the classic Biot＇s poroelastic wave theory to include the effects of cracks. The effect of cracks on rock＇s elastic prop- erty is introduced using a crack-dependent dry bulk modulus. Another important frequency-dependent effect is the ＂squirt flow＂ phenomenon in the cracked porous rock. The analytical results of the new theory demonstrate not only reduction of elas- tic moduli due to cracks but also significant elastic wave attenuation and dispersion due to squirt flow. The theory shows that the effects of cracks are controlled by two most important parameters of a cracked solid： crack density and aspect ratio. An appealing feature of the new theory is its maintenance of the main characteristics of Biot＇s theory, predicting the characteristics of Blot＇s slow wave and the effects of permeability on elastic wave propagation. As an application example, the theory cor- rectly simulates the change of elastic wave velocity with gas saturation in a field data set. Compared to Biot theory, the new theory has a broader application scope in the measurement of rock properties of earth＇s shallow crust using seismic/acoustic waves.