刘颖[1]2002年在《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》文中认为地质材料，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叁维细观计算模型，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叁维复特征方程，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叁维细观计算模型。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叁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叁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。
张俊波[2]2009年在《含液多孔介质中失稳现象理论研究及应变局部化的有限元—无网格耦合方法》文中提出研究含液多孔介质的失稳现象,诸如基坑工程或隧洞的开挖过程中可能出现的地基沉降甚至坑壁垮塌;以及边坡或堤坝由地震或暴雨所引发的滑动破坏(通常称为滑坡现象或边坡失稳)具有很重要的工程和理论意义。本论文从理论分析和数值模拟两个方面致力于研究在静、动力荷载作用下含液(特别是饱和)多孔介质中驻波间断、颤振失稳和应变局部化等破坏现象和过程。在多孔介质受到冲击或爆炸等高频模态占主导地位的脉动荷载作用时,人们需要研究介质中应力波的传播过程。工程中许多多孔材料为塑性应变软化材料。在应力波的传播过程中,介质内某处的受力状态将首先达到材料的极限承载能力,并伴随以在介质中局部狭窄区域内急剧发生非弹性应变为特征的应变局部化现象和承载能力的急剧下降。本论文基于饱和与非饱和含液多孔介质的非线性动力.渗流耦合模型(广义Biot模型)。计及介质中流固两相的惯性耦合,具体考虑模拟介质压力相关弹塑性本构行为的非关联Drucker-Prager准则,忽略液相和固相颗粒的压缩性。详细分析了二维情况下含液饱和多孔介质在动力荷载作用下波传播过程的间断和失稳,导出了在波传播过程中产生驻波间断和动力颤振失稳的临界条件。驻波间断是由于应变软化导致材料失稳的结果,它并不一定意味着完全丧失波通过间断面在介质中继续传播的能力。颤振失稳则是因为模拟含液多孔介质固体骨架的非关联塑性本构行为所致,它可以先于驻波间断、即在塑性硬化阶段发生;但它仅可能在含液多孔介质中发生,对于固体材料即使为非关联塑性连续体也不可能发生颤振失稳现象。波的逸散性意味着波的相速度随频率而变化。这一性质与正确模拟波在因应变软化引起的应变局部化区域中的传播密切相关。本论文基于上述耦合模型,对单轴应变一维情况讨论了非线性饱和—非饱和多孔介质中波传播过程的失稳现象和逸散性。分析了流固粘性耦合、流固惯性耦合、流固混合体的压缩性、孔隙饱和度及固体骨架材料在高应变速率下粘弹塑性本构行为等因素对失稳与逸散性的影响。由此所获得的结果和结论将为克服含液多孔介质在强动荷载作用下波传播过程数值模拟的困难提供理论基础和线索。实验观察表明,在粘性土等多孔介质材料中因应变软化引起的在局部区域发生并急剧发展塑性变形的剪切带具有一定的宽度。此外,剪切带的萌发、发展直至最终形成是一个渐进破坏过程。为数值模拟和再现这一渐进破坏过程,本论文工作中作为正则化机制引入梯度塑性模型。对饱和多孔介质(也能作为退化情况用于固体材料)提出了一个归结为线性互补问题(Linear Complementary Problem)求解过程的梯度塑性连续体有限元—无网格耦合方法。为模拟材料的弹塑性本构行为,对固体材料和饱和多孔介质分别采用von-Mises准则和非关联Drucker-Prager准则。利用在积分点上定义的离散塑性乘子值和采用基于移动最小二乘(Moving Least-Square)的无网格法插值近似假定塑性乘子场。而位移和压力场则利用定义在节点上的离散值采用有限元法插值近似。因而可充分发挥无网格法与有限元法的各自优势,而避免它们的各自缺点。通过建立平衡方程的弱形式实现空间离散化,结合在积分点上逐点满足而不是积分意义下满足非局部本构方程和屈服条件,导出相应的线性互补问题标准型。并通过Lexico-Lemke算法求解。发展了一个基于向后欧拉返回映射积分方案和利用Newton-Raphson方法的全局迭代过程的一致性算法,使得空间离散的平衡方程和在每个积分点上的非局部本构方程和屈服准则在每次全局迭代中同时满足。值得强调指出,所提出方法在保证二阶收敛率的同时无需形成非局部一致性切线刚度矩阵;另外,对于非关联塑性模型,所导出的为线性互补问题求解的全局广义刚度阵仍保持对称。数值结果表明,所发展的模型和一致性算法能正确模拟由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程。
马强[3]2018年在《基于梯度非均匀波阻板的隔振屏障研究》文中认为城市交通、工业生产等对周边环境的振动影响及其治理是土动力学领域亟需解决的重要课题之一。作为一种有效的振动污染治理措施,波阻板(Wave Impeding Block,简称WIB)隔振屏障体系正逐渐在工程实际中应用,但以往的研究都集中于假设土体为单相弹性介质的弹性地基和波阻板为单相固体均质材料的情形,对饱和土地基以及波阻板本身材料特性为单相梯度非均匀材料和含液饱和梯度非均匀材料隔振性能的研究较少。含液饱和介质材料由于流-固两相的相互耦合作用使得其在振动过程中引起能量的耗散,具有类似阻尼效应;而梯度非均匀材料的非均匀性对频散曲线和衰减曲线具有显着影响,其同样能够引起环境振动过程中能量的耗散。因此,本文利用含液饱和介质材料和梯度非均匀材料在振动过程中能够引起能量的耗散的特点,首次对弹性地基和饱和土地基下,各种不同材料特性的波阻板(主要包括:单相固体均质材料,单相梯度非均匀材料,含液饱和均质材料,含液饱和梯度非均匀材料)隔振体系的隔振效果进行了分析研究,揭示了含液饱和材料和梯度非均匀材料隔振屏障的工作机理,为此类地基隔振体系的应用提供重要的理论依据。本文的主要工作有以下几个方面:(1)在弹性地基内部设置单相固体均质波阻板,建立了问题的数学模型。基于线弹性理论,采用Fourier级数展开的方法,建立了弹性地基表面和内部受到条形简谐荷载作用下设置单相固体均质波阻板后弹性地基动力响应的计算列式,获得了弹性地基中和单项均质波阻板中任意点处的应力和位移响应。从而为后续文章中各种不同材料特性波阻板隔振体系与单相均质固体波阻板隔振体系隔振效果优越性的对比分析奠定了基础。(2)基于含液饱和多孔介质中的流-固耦合作用,提出了以含液饱和多孔材料作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系。在弹性地基内部设置含液饱和多孔波阻板,基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,采用Fourier级数展开的方法,分别建立了地基表面和内部受到条形简谐荷载作用下地基动力响应的计算列式。通过数值算例,与传统的单相固体波阻板的隔振效果进行了比较,并且分析了多孔材料波阻板中固相材料性质、孔隙率、孔隙流体性质等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律。结果表明,相对于单相固体波阻板隔振体系,基于含液饱和多孔波阻板的地基隔振体系更加具有优越性。(3)基于梯度非均匀材料的特点,提出了以单相梯度非均匀波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系。在弹性地基内部设置梯度非均匀波阻板,基于线弹性理论,利用Fourier积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法(reverberation ray matrix method,RRMM)计算列式。假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解。通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度非均匀波阻板的材料梯度因子、埋深以及厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律。结果表明,与单相固体均质波阻板相比,梯度非均匀波阻板能有效降低振动的振幅,梯度非均匀波阻板具有更好的减振隔振效果,并且更具有可设计性。(4)采用比线弹性模型更符合实际的饱和多孔土体模型,研究了饱和土地基中含液饱和梯度非均匀波阻板的隔振性能。基于Biot多孔介质理论,运用Fourier积分变换和回传射线矩阵法,推导出了频域内饱和土地基的位移、应力以及孔隙水压力等物理量的表达式。通过数值分析,对饱和土地基中含液饱和梯度非均匀波阻板的隔振效果进行了详细的参数研究。结果表明,在饱和土地基中,含液饱和梯度非均匀波阻板具有更好的隔振效果,为饱和土地基的振动控制提供了一类更具有可设计性的隔振体系。(5)结合坐标变换,分别建立了弹性地基和饱和土地基在移动荷载作用下的动力控制方程。采用Fourier变换,利用回传射线矩阵法推导出了频域内弹性地基和饱和土地基的动力响应的计算列式,分别研究了单相梯度非均匀波阻板和含液饱和梯度非均匀波阻板对移动荷载下地基振动的隔振效果。通过数值算例,分析了移动荷载作用下单相梯度非均匀波阻板和含液饱和梯度非均匀波阻板的隔振规律。
苏永定[4]2008年在《应力波作用下低品位铜矿浸出过程溶浸液渗流特性研究》文中研究说明浸堆的渗透性是影响低品位铜矿浸出率的一个关键因素,矿岩散体介质的级配、压实度、散体颗粒的结构等都是影响渗透性的主要因素。空气冲击波在溜井、矿仓堵塞等问题中的成功应用,使得应力波改善矿岩散体介质渗透性成为可能。论文结合国家自然科学基金(50574099)、国家重点基础研究发展规划项目(2004CB619205)和国家杰出青年基金项目(50325415)等项目的部分研究内容,通过理论分析、室内实验和数值模拟相结合的方法,对应力波作用下矿岩散体介质的渗透特性进行了系统研究,主要开展了以下几个方面内容:1、通过分析矿岩散体的结构、级配特征、渗透特性和变形特性,系统研究了矿岩散体颗粒形状、粒径分布范围、压实程度等因素对浸堆渗透性的影响。2、考察了不均匀系数G_u和曲率系数C_c对矿岩散体介质溶浸液渗透系数的影响,揭示了矿岩散体介质粒级组成对溶浸液渗透特性的影响规律,并推导出相应的数学模型。分析表明,渗透系数与不均匀系数G_u和曲率系数C_c均成正相关。3、从矿岩散体介质粒级组成入手,探明了不均匀系数G_u和曲率系数C_c对散体介质渗透性的影响机理。研究表明,不均匀系数小,颗粒大小均匀,骨料与填料区别不明显,浸堆不能形成骨架结构,容易造成堆体破坏。不均匀系数较大,曲率系数也较大,矿岩散体缺乏中间粒径,大颗粒形成的骨架结构空隙较大,易形成管涌破坏。4、探明了不同压实度对散体介质渗透特性的影响规律。结果表明,渗透系数与孔隙比呈现出正相关,与压实度呈负相关,即压实度越大,渗透系数越小,渗透性越差。5、引入激波管实验,研究了应力波对散体介质渗透性的影响规律。结果表明,激波使得堆浸散体介质的有效孔隙率增加,渗透系数增大。浸堆的渗透性得到明显的改善,说明利用应力波改善浸堆是一种行之有效的方法。6、根据矿岩散体介质的结构和力学性质,探明了矿岩散体介质的变形机理。研究表明,矿岩散体介质的结构变形是永久塑性变形,骨料变形是可逆的弹性过程。饱和的矿岩散体介质表现出与固体状态不同的力学性质,体现了结构应力和骨料应力的双重有效应力特性。7、以达西定律、质量守恒定律及散体介质的基本方程等为基础,考虑应力场和渗流场的相互作用,分析初始条件和边界条件,建立了矿岩散体介质应力场和渗流场耦合的数学模型。8、根据应力场和渗流场耦合控制方程,运用COMSOLMultiphysics计算分析软件,建立二维几何模型,进行了渗流场与应力场耦合的数值模拟分析。模拟结果表明,在应力波作用下矿岩散体介质的应力场、位移场和渗流场均发生了很大的变化,其结果有利于堆浸的渗流,验证了室内实验结果。
参考文献：
[1]. 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[D]. 刘颖. 大连理工大学. 2002
[2]. 含液多孔介质中失稳现象理论研究及应变局部化的有限元—无网格耦合方法[D]. 张俊波. 大连理工大学. 2009
[3]. 基于梯度非均匀波阻板的隔振屏障研究[D]. 马强. 兰州理工大学. 2018
[4]. 应力波作用下低品位铜矿浸出过程溶浸液渗流特性研究[D]. 苏永定. 中南大学. 2008
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