非饱和土中热弹性波的传播特性分析

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岩土材料作为自然界中广泛存在的一种多孔介质,其中弹性波的传播问题一直都是数学物理、岩土工程和地震工程等诸多学科的研究热点之一。随着石油化工、岩土工程抗震和垃圾填埋场建设以及核废料管理等工程的快速发展,温度变化等热效应和热扩散现象对土体中弹性波的传播特性的影响越来越明显,人们开始致力于研究单相固体介质材料以及两相饱和多孔介质材料中热弹性波的传播问题。然而,由固-液-气三相构成的非饱和土等多孔介质材料在自然界和工程领域大量存在。因此,在考虑温度变化等热效应的影响下研究非饱和多孔介质中热弹性波的传播特性将更具有应用价值和实际意义。首先本文基于多孔介质理论和广义热弹性模型,通过质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律等基本方程,经过理论推导建立了非饱和多孔热弹性介质的波动方程。运用Helmholtz势函数分解定理对波动方程进行求解得到了非饱和多孔热弹性介质中体波的弥散特征方程。利用数值计算和参数分析讨论了各类热弹性体波的波速随热膨胀系数、热传导系数和介质温度等热物性参数的变化规律。同时,对非饱和多孔热弹性介质理论进行退化,得到了饱和多孔热弹性介质中体波的弥散特征方程,亦对其热弹性体波的传播特性进行了相关计算和参数分析。计算结果表明:与前人等温条件下的研究结果相比,本文非饱和多孔热弹性介质中不仅存在三中压缩P波(P1波、P2波和P3波)和一种剪切S波,而且还存在一种与P2波和P3波相类似的热波(T波);热膨胀系数仅对P1波和T波的波速有较大影响;热传导系数仅对T波的波速产生影响;介质温度的升高将引起各类热弹性体波波速的同时增大;饱和多孔热弹性介质中体波的传播特性与非饱和多孔热弹性介质中体波传播特性相类似。其次文章基于非饱和多孔热弹性介质中体波的传播特性,分析讨论了Rayleigh波在非饱和多孔热弹性介质边界上的传播问题。通过引入势函数并结合自由、透水、透气和绝热的边界条件,经过理论推导给出了非饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波的弥散特征方程。运用数值算例,通过参数分析讨论了Rayleigh波的波速随热膨胀系数、热传导系数和介质温度等热物性参数的变化规律。计算结果表明:热膨胀系数的增大将引起Rayleigh波波速的增大;热传导系数对Rayleigh波的波速几乎无影响;非饱和多孔热弹性介质内部温度的升高将引起Rayleigh波波速的增大。最后文章在非饱和多孔热弹性介质中体波和Rayleigh波的传播特性的研究基础上,分析讨论了热弹性体波在非饱和多孔热弹性介质边界上的反射问题及其在均质热弹性介质与非饱和多孔热弹性介质分界面上的透射问题。在各类热弹性体波中,以P1波和S波的传播较快而衰减最慢,故而本文主要针对这两种体波,经过理论推导得到了其分别入射时各反射波/透射波的振幅反射率/透射率的理论表达式。运用数值计算讨论了不同的热物性参数对各反射波/透射波的振幅反射率/透射率的影响规律。计算结果表明:各反射波/透射波的振幅反射率/透射率不仅与入射角有很大关系,而且受到热膨胀系数、热传导系数和介质温度等热物性参数变化的影响。通过参数分析研究了考虑热效应影响下非饱和多孔热弹性介质中体波和Rayleigh波的传播特性。结果表明,在土动力学等学科的研究中,应重视热膨胀系数、热传导系数和介质温度等热物性参数对弹性波的波动特性的影响,这对于工程地震勘测等实践活动具有重要的实际工程意义。
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