多相空隙介質(zhì)理論及其應(yīng)用

前言

天然的工程材料往往不是由單一的組分材料組成。它們一般是由固相、液相、氣相組成，如地質(zhì)材料，不論是土或是巖石，它們的共同特點(diǎn)是在微觀結(jié)構(gòu)上都具有顆粒結(jié)構(gòu)、空隙、微裂紋等特征，并且在孔隙或微裂紋中往往含有流體或氣體。特別是土介質(zhì)，是由土固體顆粒形成土骨架結(jié)構(gòu)從而構(gòu)成多孔隙介質(zhì)，而土骨架所形成的孔隙通常充滿流體和氣體，因而是一種標(biāo)準(zhǔn)的多相多孔隙介質(zhì)，如非飽和土，是屬于三相多孔介質(zhì)；飽和土可作為固液兩相多孔介質(zhì)；地質(zhì)工程中的油氣層（巖石）則通常應(yīng)屬于固一油一氣一水四相多孔隙介質(zhì)。對(duì)于人工材料，如混凝土以及天然的生物骨骼，它們實(shí)際上也應(yīng)是多相孔隙介質(zhì)。因此，根據(jù)材料的形成（天然材料）和制造過(guò)程，眾多的工程材料可以模擬成多相孔隙介質(zhì)，其中首數(shù)巖土工程材料最具代表性且是應(yīng)用廣泛的工程材料。但時(shí)至今日，與之相關(guān)的巖土力學(xué)仍處于半經(jīng)驗(yàn)半理論狀態(tài)，還未形成完整的理論體系，那么建立它的數(shù)學(xué)物理模型，形成堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，以此研究它們的力學(xué)特性，對(duì)土木工程、水利工程、防護(hù)工程、海底遂道工程的設(shè)計(jì)、石油天然氣開(kāi)采、地?zé)岬睦门c開(kāi)發(fā)以及對(duì)學(xué)科理論的發(fā)展和工程應(yīng)用都有重要意義。巖土介質(zhì)屬多相孔隙介質(zhì)，而多相孔隙介質(zhì)的力學(xué)特性（變形與強(qiáng)度）是與各相的相對(duì)含量以及組分之間相互耦合的程度密切相關(guān)。它們?cè)谕饬ψ饔孟?，由于各相共同參與變形，各組分之間存在著強(qiáng)烈的相互作用和耦合運(yùn)動(dòng)，材料將表現(xiàn)出非常復(fù)雜的力學(xué)行為。正是由于各組分之間的相互作用，它們決定著多相孔隙介質(zhì)的力學(xué)特性而不同于單相介質(zhì)。例如，土介質(zhì)中各組分相互作用和耦合運(yùn)動(dòng)，使土表現(xiàn)出非常復(fù)雜的力學(xué)行為。同時(shí)，土骨架分布的隨機(jī)性、可變性以及孑L隙形狀的多樣性，使得土的力學(xué)性質(zhì)與形成土顆粒材料（單相固體）有很大的差異。土骨架的變形和孔隙中流體運(yùn)動(dòng)相互作用、相互耦合，又使得土在變形、強(qiáng)度和多種行為方面表現(xiàn)出與其組分物質(zhì)完全不同的力學(xué)特點(diǎn)。顯然，已有的單相介質(zhì)的經(jīng)典模式無(wú)法正確地描述多相孔隙介質(zhì)的變形和強(qiáng)度。因此，如何有效地描述具有如此復(fù)雜的且無(wú)規(guī)律分布的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多相多孔隙介質(zhì)的力學(xué)行為，就成為當(dāng)前人們研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

內(nèi)容概要

本書(shū)基于連續(xù)統(tǒng)物理中的混合物理論，詳細(xì)地討論了飽和、非飽和彈性多孔介質(zhì)的非線性本構(gòu)方程和場(chǎng)方程，線性本構(gòu)方程和場(chǎng)方程，飽和、非飽和多孔介質(zhì)彈性半空間動(dòng)力問(wèn)題及邊界元方法，非飽和土的固結(jié)問(wèn)題，飽和、非飽和多孔彈性介質(zhì)（土）地基與基礎(chǔ)的動(dòng)力相互作用問(wèn)題，并給出了相應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。    本書(shū)可作為高等院校力學(xué)、土木工程和化工等專業(yè)的研究生教學(xué)參考用書(shū)，也可供相關(guān)學(xué)科科技人員參考。

書(shū)籍目錄

第一章  混合物理論基礎(chǔ)  1.1  混合物運(yùn)動(dòng)學(xué)  1.2  質(zhì)量守恒定律  1.3  動(dòng)量守恒定律、動(dòng)量矩守恒定律和能量守恒定律    1.3.1  動(dòng)量守恒定律    1.3.2  動(dòng)量矩守恒定律    1.3.3  能量守恒定律  1.4  混合物系統(tǒng)的熵不等式  1.5  混合物系統(tǒng)的本構(gòu)假設(shè)第二章  流體-固體混合物理論  2.1  本構(gòu)變量和本構(gòu)方程  2.2  非線性本構(gòu)方程和場(chǎng)方程  2.3  混合物運(yùn)動(dòng)的完備方程組  2.4  混合物系統(tǒng)的能量守恒方程和熱力學(xué)平衡狀態(tài)  2.5  非線性本構(gòu)方程和場(chǎng)方程的特例    2.5.1  可壓縮流體-固體混合物    2.5.2  不可壓縮流體-固體混合物    2.5.3  彈性氣體-黏性液體-彈性固體混合物第三章  非飽和多孔介質(zhì)混合物理論  3.1  對(duì)非飽和多孔介質(zhì)的基本假設(shè)  3.2  非飽和多孔介質(zhì)混合物的熵不等式    3.2.1  飽和混合物的熵不等式    3.2.2  非飽和多孔介質(zhì)混合物的熵不等式  3.3  非飽和多孔介質(zhì)混合物的非線性本構(gòu)方程和場(chǎng)方程  3.4  非飽和多孔介質(zhì)混合物的線性本構(gòu)方程和線性場(chǎng)方程    3.4.1  本構(gòu)方程耗散部分的線性化    3.4.2  本構(gòu)方程非耗散部分的線性化    3.4.3  各向同性非飽和多孔介質(zhì)混合物的線性本構(gòu)方程和線性場(chǎng)方程  3.5  各向同性非飽和多孔介質(zhì)的Biot型方程第四章  非飽和土有關(guān)問(wèn)題的討論  4.1  非飽和土的有效應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)參量  4.2  非飽和土的Darcy定律  4.3  飽和多孔介質(zhì)的Biot方程  4.4  非飽和多孔介質(zhì)本構(gòu)方程中彈性系數(shù)測(cè)量方法第五章  非飽和多孔介質(zhì)動(dòng)力響應(yīng)的頻域邊界元方法  5.1  基本方程  5.2  邊界積分公式  5.3  場(chǎng)方程的基本解  5.4  動(dòng)力響應(yīng)頻域邊界元方程  5.5  二維問(wèn)題的基本解  5.6  一維頻域動(dòng)力響應(yīng)的解析解    5.6.1  一維頻域動(dòng)力方程的解    5.6.2  上表面受簡(jiǎn)諧應(yīng)力激勵(lì)的非飽和多孔介質(zhì)層    5.6.3  底面受簡(jiǎn)諧位移激勵(lì)的非飽和多孔介質(zhì)層  5.7  非飽和多孔介質(zhì)頻域動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果    5.7.1  非飽和多孔介質(zhì)中波的傳播速度和衰減系數(shù)    5.7.2  非飽和多孔介質(zhì)動(dòng)力響應(yīng)特性    5.7.3  非飽和多孔介質(zhì)動(dòng)力響應(yīng)頻域邊界元方法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果第六章  非飽和多孔介質(zhì)固結(jié)問(wèn)題  6.1  非飽和多孔介質(zhì)固結(jié)問(wèn)題的基本方程  6.2  非飽和多孔介質(zhì)固結(jié)方程在Laplace變換域中的邊界積分方程    6.2.1  Laplace變換域中的固結(jié)方程    6.2.2  Laplace變換域中的互易關(guān)系    6.2.3  固結(jié)方程在Laplace變換域的基本解    6.2.4  Laplace變換域中二維固結(jié)問(wèn)題的基本解  6.3  橫向無(wú)限區(qū)域非飽和多孔介質(zhì)的軸對(duì)稱固結(jié)問(wèn)題    6.3.1  Laplace變換域固結(jié)方程的Hankel變換解    6.3.2  半空間非飽和多孔介質(zhì)的軸對(duì)稱固結(jié)問(wèn)題第七章  非飽和多孔介質(zhì)地基與薄板基礎(chǔ)的軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)動(dòng)力相互作用  7.1  非飽和多孔介質(zhì)軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)動(dòng)力響應(yīng)的Hankel變換解  7.2  圓形薄板基礎(chǔ)與半空間非飽和多孔介質(zhì)地基軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)動(dòng)力相互作用  7.3  地基和基礎(chǔ)相互作用的數(shù)值計(jì)算結(jié)果  7.4  非飽和多孔介質(zhì)Lamb問(wèn)題第八章  各向同性和橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)非軸對(duì)稱動(dòng)力響應(yīng)及其與基礎(chǔ)相互作用  8.1  三維各向同性飽和多孔介質(zhì)動(dòng)力響應(yīng)    8.1.1  三維非軸對(duì)稱飽和彈性層    8.1.2  三維非軸對(duì)稱飽和介質(zhì)的Lamb問(wèn)題  8.2  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)非軸對(duì)稱動(dòng)力響應(yīng)    8.2.1  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)Biot基本方程    8.2.2  Biot波動(dòng)方程的非軸對(duì)稱解    8.2.3  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)中的應(yīng)力分布    8.2.4  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)非軸對(duì)稱動(dòng)力響應(yīng)邊值問(wèn)題的處理方法    8.2.5  豎向非軸對(duì)稱簡(jiǎn)諧荷載作用下半空間橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)的動(dòng)力響應(yīng)  8.3  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)三維非軸對(duì)稱Lamb問(wèn)題    8.3.1  Biot波動(dòng)方程的變換    8.3.2  橫觀各向同性飽和彈性多孔介質(zhì)三維波動(dòng)方程的解    8.3.3  橫觀各向同性飽和多孔介質(zhì)的Lamb問(wèn)題    8.3.4  數(shù)值算例及分析  8.4  橫觀各向同性飽和多孔介質(zhì)與基礎(chǔ)的動(dòng)力相互作用    8.4.1  柱坐標(biāo)下橫觀各向同性飽和多孔彈性介質(zhì)半空間問(wèn)題動(dòng)力響應(yīng)的解    8.4.2  飽和半空間體表面受法向力作用    8.4.3  飽和多孔介質(zhì)半空間與薄圓板的動(dòng)力相互作用參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 混合物理論基礎(chǔ)混合物（mixture）是由幾種不同性質(zhì)（物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)）的單一物質(zhì)混合而成的復(fù)雜介質(zhì)。這些物質(zhì)的混合可以是局部和整體都均勻的混合（如混合氣體和溶液等），也可以是局部不均勻但整體均勻的混合（如懸浮溶液和多孔介質(zhì)等）。組成混合物的單一物質(zhì)是混合物的組分（constituent），混合物組分之間不僅可能存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且可能存在相互作用，甚至可能存在物質(zhì)轉(zhuǎn)化（如相變和化學(xué)反應(yīng)等）?；旌衔锢碚摚╩ixture theory）就是研究混合物組分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、相互作用規(guī)律和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及混合物整體運(yùn)動(dòng)和變化與外界對(duì)混合物作用之間關(guān)系的理論體系?；旌衔锢碚撘詿崃W(xué)理論為基礎(chǔ)，是對(duì)單一物質(zhì)連續(xù)統(tǒng)理論的拓展，也稱為相互作用連續(xù)介質(zhì)理論，具有很好的自恰性和系統(tǒng)性。該理論有三個(gè)基本公設(shè)：1）混合物的性質(zhì)完全由其組分的性質(zhì)決定（All properties of the mixture must be mathematical consequences of properties of the constituents）。2）要描述混合物某一組分的運(yùn)動(dòng)，只要適當(dāng)考慮其他組分對(duì)該組分的作用，就可以把這個(gè)組分從混合物中分離出來(lái)（So as to describe the motion of a constituent，we may in imagination isolate it from the rest of the mixture，provided we allow properly。for。the actions of the other constituents on it）。3）混合物的運(yùn)動(dòng)和單一物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)滿足相同的方程（The motion of the mixture is governed by the same equations as is a single body）。為了使后面敘述更加方便，本章主要根據(jù)文獻(xiàn)[6]介紹經(jīng)典混合物理論（classical mixture theory）的主要內(nèi)容。所謂經(jīng)典混合物理論就是無(wú)微結(jié)構(gòu)混合物的連續(xù)統(tǒng)理論。

編輯推薦

《多相空隙介質(zhì)理論及其應(yīng)用》為科學(xué)出版社出版發(fā)行。

圖書(shū)封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    多相空隙介質(zhì)理論及其應(yīng)用 PDF格式下載

---