非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力−力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力−力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力各向同性效应的有效Bishop参数)可在以协同计算均匀化方法为代表的非饱和颗粒材料计算多尺度方法中上传到在宏观非饱和多孔连续体设置了表征元的局部材料点.

饱和多孔介质中动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟

提出了适用于饱和多孔介质中应变局部化分析及动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型。基于饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot理论,将固体骨架看作Cosserat连续体,并考虑旋转惯性,建立了饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型。基于Galerkin加权余量法,对所发展的模型推导了以固体骨架广义位移(包含旋转)及孔隙水压力为基本未知量的有限元公式。利用所发展的数值模型,对包含压力相关弹塑性固体骨架材料的饱和多孔介质进行了动力渗流耦合分析与应变局部化有限元模拟,结果表明,所发展的两相饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型能保持饱和两相介质应变局部化问题的适定性及模拟饱和多孔介质中由应变软化引起的应变局部化现象的有效性。

饱和多孔介质的超粘弹性本构理论研究

为了建立能考虑固体材料、多孔固体与流体可逆和不可逆变形的饱和多孔介质超粘弹性理论,以多孔固相为参考构型,以有效应力、材料真实应力和流相真实孔压作为状态变量,结合混合物均匀化响应原理获得各项均符合热力学功共轭特征的饱和多孔介质能量平衡方程,根据非平衡热力学熵分解理论求得熵流和熵产.结果表明,超弹塑性理论是该理论的一个特例;多孔固体的总变形可分为固相间隙和材料变形两部分,间隙应变与Terzaghi有效应力构成功共轭对,材料应变与材料真实应力构成功共轭对.饱和多孔介质的自由能可分为固相和流相两部分.当固相间隙和材料变形解耦时,固相所含的自由能又可分为间隙和材料两部分.证明了Skempton有效应力不是饱和多孔介质的基本应力状态变量.

饱和多孔介质冻融过程的混合物连续介质理论

应用混合物的连续介质理论 ,建立了冻融过程中饱和多孔介质的渗流场、应力场和温度场耦合作用的数学模型。该模型以多孔骨架位移、水头和温度为基本变量 ,包括水总质量守恒方程 ,总应力平衡方程和总能量守恒方程。该模型可简化为未冻区域内的三场耦合模型 ,两场耦合的渗流 弹性模型 ,热 弹性模型和热 渗流模型 ,以及单场作用的渗流模型 ,弹性模型和热传导模型。

层状饱和多孔介质中Biot慢波的影响

本文基于Biot理论对P波在层状饱和多孔介质中的传播进行数值模拟。首先根据Kennett反射方法建立层状介质中地震波的数值模型,然后利用此模型研究层状饱和介质中Biot慢波对地震波性质的影响。文中分别在孔隙为弹性(考虑了P波扩散、Biot全局流及慢波影响)和黏弹性(可忽略慢波影响)两种情况下定量地分析了频率、孔隙率、层厚、渗透率以及岩石弹性模量对Biot慢波效应的影响。对比两种模型的数值模拟结果发现,在低频范围内,沉积盆地地层间液体压力的平衡作用(Biot慢波)能使P波产生显著的衰减;若这种衰减发生在浅层勘探地震波的频带内(几十到几百赫兹)。则介质层厚必然在几厘米到几十厘米范围内;介质越柔顺,孔隙率越大,渗透性越好,则慢波影响越大;在高频段,只要地层足够薄,介质的柔顺性足够好,界面处产生的慢波对高P波散射也会有很大影响。

考虑耦合质量影响的饱和多孔介质动力响应分析的显式有限元法

根据B iot饱和多孔介质动力方程,采用解耦技术,提出了考虑耦合质量aρ影响的饱和多孔介质中动力响应分析的显式有限元法。文中建立并推导了显式有限元的公式,编制了相应的计算程序并进行了实例计算。计算结果与解析解进行了对比,两者符合很好,表明本文方法是处理饱和多孔介质动力问题的一种有效方法。文中还分析了耦合质量aρ对固相和液相动位移的影响。

几种物理因素对四氧化三铁纳米颗粒在有机质存在条件下的饱和多孔介质中迁移持留行为的影响

近些年来,环境研究者对纳米颗粒的迁移性进行了部分研究,但是对环境稳定性低、反应活性高的金属氧化物工程纳米颗粒在多孔介质中的运移沉积行为的系统探讨还很不足,尤其是对其在有机质(NOM)存在条件下迁移行为的了解非常有限。本研究选用四氧化三铁磁纳米颗粒(MENPs)作为研究对象,采用填充柱淋溶实验法,对其在饱和多孔介质中的迁移持留行为展开探讨,其目的是考察几种主要介质环境物理因素对其在天然有机质存在条件下的纵向淋溶过程及其在介质中持留量的影响作用。结果显示,不利吸附条件下的MENPs集聚体在多孔介质中的吸附持留及迁移性能取决于多种合力的作用效果。其中,孔隙水流速增大时,MENPs在多孔介质中的迁移性增强,持留性减弱,持留MENPs在介质中的逐层分布随孔隙水流速改变而变化;而且,MENPs在多孔介质中的迁移持留性与介质颗粒的表面物理性质也有关,天然有机质的存在一定程度上可以改善石英砂表面的异质性。另外,介质颗粒粒径大小也是影响MENP-介质间持留机制的重要因子。当多孔介质颗粒粒径大小改变时,MENPs穿透曲线及持留分布曲线随之变化明显,MENPs的吸附沉积机制也相应有所不同。

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。

饱和不可压多孔弹性板在面内扩散下的动力弯曲理论

根据多孔介质理论,在Kirchhoff假定和小变形前提下,针对流体的面内扩散情形,建立了饱和不可压多孔弹性板动力弯曲的数学模型.然后,利用Fourier展开法研究分析了阶梯载荷作用下四边简支透水矩形多孔弹性板的拟静定和动力弯曲响应,考察了不同参数下多孔弹性板的挠度、孔隙流体压力等效弯矩和固相有效应力等效弯矩的变化规律和特征.同时,通过基于Biot三维固结理论所建立的动力弯曲模型,比较了可压与不可压情况下其结果的差异.

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。

求解饱和多孔介质圆柱壳动力学问题的一种半解析方法

基于弹性薄壳理论,结合Biot理论中流体和固体骨架的运动方程及本构关系,得到饱和多孔介质圆柱薄壳在谐激励作用下的一阶矩阵常微分控制方程。结合齐次扩容精细积分法和精细元法,建立了分析该类结构振动问题的半解析方法。该方法充分考虑了多孔介质圆柱薄壳骨架与流体的耦合作用,具有广泛的适应性,弥补了现有计算模型和等效媒质法的不足。基于该方法,还讨论了孔隙率对饱和多孔介质圆柱薄壳的频响特性的影响。

横观各向同性含液饱和多孔介质中瑞利波的特性分析

基于Biot的孔隙介质理论研究了横观各向同性含液饱和多孔介质中瑞利波的传播特性.考虑介质内的流体特性及固体颗粒的可压缩性,导出了广义瑞利波的三维复特征方程,给出了瑞利波的存在条件.并且,通过数值计算讨论了横观各向同性含液饱和多孔介质中的瑞利波波速、质点的运动轨迹和频散特性、以及流体黏度对瑞利波传播特性的影响.

波从单相介质向两相饱和多孔介质入射耗能时在交界面上的反射与透射

在Ｂｉｏｔ两相饱和多孔介质动力学理论的基础上，根据地震波从单相介质向两相饱和多孔介质入射时交界面上的连续性条件，推导了考虑能量耗散情况下平面Ｐ波和ＳＶ波以任意角入射时在交界面上的反射和透射计算公式。

生物膜和土壤矿物对人工纳米颗粒在饱和多孔介质传输的影响

本文探究了人工纳米颗粒(NPs)在饱和多孔介质中的传输规律和影响机制,重点阐明生物膜和土壤矿物对纳米颗粒传输的影响及其机制。结果表明,在干净的石英砂介质中,不同种类和粒径NPs的传输效率具有明显差异,不同种类NPs传输效率表现为ZnO>CeO_(2)>Fe_(2)O_(3);对于报告粒径在20~100 nm之间的CeO_(2) NPs,粒径的增加有助于其在多孔介质的传输。溶液离子强度的增大会降低ZnO NPs的传输,而NPs浓度的增大不利于其在饱和多孔介质的传输,传统的DLVO理论能够很好地解释NPs在无涂层饱和多孔介质中的传输。生物膜和土壤矿物均能抑制纳米颗粒在饱和多孔介质的传输,其主要通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响纳米颗粒的传输,非DLVO相互作用以及介质涂层的表面特性对增强纳米颗粒沉积有很大贡献。

基于损伤理论的多孔介质动力解析

介绍了多孔介质连续化方法和连续介质损伤力学研究的一般方法 采用宏、细观相连接的损伤模型 ,描述了多孔介质的骨架刚度和流体通道演变过程 ,在连续介质力学守恒定律的基础上 ,推出了非饱和土的动力方程 进而 ,可方便地退化为饱和多孔介质的动力方程和一维固结方程 图 3 ,参

基于混合物理论的饱和介质体应变本构模型

为解决饱和多孔介质的建模问题,采用工程混合物理论建立了饱和多孔介质体积本构理论框架。首先,假定多孔固相与流相基质体积变形功相互独立,采用Terzaghi有效球应力、孔压和流体基质压力作为本构模型的应力状态变量,获得了固相、固相基质和流相基质体应变的余能表达式。其次,根据Lade和de Boer模型试验测试数据,建立了加卸载阶段饱和多孔白塞木立方体流固两相体积本构方程,推导了固相体积切线模量、Biot切线系数和流相Biot切线模量等力学参数计算公式;分析了加载阶段固相体积切线模量、Biot切线系数、流相Biot切线模量等力学参数随Terzaghi有效球应力和孔压的变化规律。最后,根据本文体积本构模型和静力平衡方程建立了饱和多孔介质的1维固结方程,数值分析了饱和多孔白塞木立方体的固结特性,获得了固结度和沉降随时间的变化曲线。研究表明:固相体积切线模量随Terzaghi有效球应力的增大而增大,随孔压u的增大而减小。Biot切线系数介于0.42~0.95之间,随Terzaghi有效球应力和孔压的增大而减小。流体Biot切线模量随Terzaghi有效球应力的增大先减小后增大,随孔压增大而减小。孔压切线系数在大多数情况下小于1.0。考虑固相基质变形时饱和多孔介质的初始孔压不等于外荷载,因此饱和多孔介质在外荷载作用下存在瞬时沉降。本文的建模方法可用于非线性饱和多孔介质的建模和数值分析工作。

饱和多孔介质中球形空腔的动力响应

以修正的Biot饱和多孔介质理论为基础,应用势函数和Fourier变换,求解了饱和多孔介质的球对称动力问题,并在此基础上,分析了饱和多孔介质中球形空腔的动力响应.

不可压饱和粘弹性多孔介质固结问题的Gurtin型变分原理

基于多孔介质理论,在固相骨架和孔隙流体微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,利用卷积积分的性质,本文首先建立了以固相骨架位移、孔隙流体相对速度和孔隙流体压力为宗量的流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的一个Gurtin型变分原理。其次,利用Lagrange乘子法解除相关的变分约束条件,建立了流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的若干广义Gurtin型变分原理,包括第三类的Hu-Washizu型变分原理。最后,简单讨论了等价初边值问题的相应变分原理。这些Gurtin型变分原理的建立不仅丰富了饱和粘弹性多孔介质的相关理论,而且为相关数值模拟方法,如有限元法、无网格法等的建立奠定了理论基础。

流体饱和多孔介质中的声强

根据Biot多孔介质声学理论中的应力-应变关系、能量关系、声波方程,采用与在均匀固体介质中平行的方法,推导了流体饱和多孔介质中的声强表达式,进一步完善了多孔介质声学理论。运用该公式导出了多孔介质界面声学边界条件,并可作为研究多孔介质中声波能量的一个基本方程。

不可压饱和粘弹性多孔介质的变分原理及其无网格模拟

基于饱和多孔介质理论,在固相和液相微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,建立了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应的若干Gurtin型变分原理,包括Hu-Washizu变分原理.利用所建立的变分原理,导出了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应无网格数值模拟的离散控制方程,此方程是一个关于时间的对称微分方程组,便于分析计算.作为数值例子,研究了流体饱和粘弹性多孔柱体的一维动力响应,数值结果揭示了流体饱和粘弹性多孔柱体中波的传播特性以及固相粘性的影响.