[科普中国]-多相介质理论

多相介质理论是指研究由固相介质和流相介质共同组成地下介质的理论。

简介研究由固相介质和流相介质共同组成地下介质的理论，其中，固相是指组成地下岩石的骨架颗粒，流相是指充填于岩石孔隙中的流体（包括气体和液体）。当地下介质由固相和液相或固相和气相两种相态的物质组成时又称为双相介质。1

相关理论有关多相介质的理论主要包括Gassmann理论，Biot理论，喷射流理论和BISQ理论。2

Gassmann理论假设假设孔隙流体和孔隙壁接触很好，孔隙流体和孔隙壁之间没有相对运动，将孔隙流体和岩石骨架作为一个整体来处理，并得到一些等效的弹性参数。

Gassmann模型机理分析假设:

(1)岩石(固体和骨架)宏观上是均匀的;

(2)所有的孔隙是相互连通的;

(3)孔隙中填充的流体(液体、气体和混合物)无摩擦效应;

(4)岩石-流体组成的系统是封闭的;

(5)孔隙流体和固体间不相互作用。

基于这些条件,Gassmann导出了流体饱和多孔介质的弹性模量与岩石骨架模量、孔隙及流体模量之间的关系。

Biot理论起源Biot固结理论是Biot于1941年初次基于严格固结机理推导的能精确反映孔隙压力磨灭和土骨架变形之间耦合感化的真三维固结理论。

假设假设岩石孔隙内的流体完全饱和，在受到外力作用时，流体质点与固体质点之间存在相对位移，并认为孔隙流体和固体介质之间的相对运动是弹性波在孔隙介质中传播发生衰减的重要原因。Biot理论考虑到了流体的黏滞系数和岩石骨架的渗透率，证实了在双相介质中存在两种纵波，即快纵波（第一类纵波）和慢纵波（第二类纵波）。其中快纵波为同相波，其性质与单相介质中的纵波相当；慢纵波为反相波，能量衰减十分快，类似于扩散现象或热传导现象，因此在实际中很难观测到。

喷射流（squirt flow）理论假设是基于单个孔隙中流体流动的机理建立的。它假设岩石孔隙内的流体是部分饱和的，当弹性波在孔隙中传播时，孔隙发生形变，致使细小孔隙中流体被挤出而流向邻近较大孔隙中，形成“喷射”流动。喷射流理论侧重于从微观上解决双相介质中地震波的传播规律，因此，应用该理论需要知道很多岩石的结构信息。

BISQ（Biot-Squirt）理论假设假设岩石形变只沿着波传播方向，而流体的流动既可平行于波传播方向（Biot流动），也可垂直于波的传播方向（Squirt流动），因此引入了一个特征喷射流动长度参数。这个参数不依赖于频率、流体的黏滞性和可压缩性，可通过实验测定。BISQ理论反映了流体的两种不同流动形式和流体特性对波速、衰减和频散的影响规律。

影响因素BISQ 模型的慢纵波在低频区域的衰减随频率降低急剧 增大，且随喷射流长度的减小而增加；速度的频散减弱，速度的低频极限不是零，随喷射流 长度的减小而增加。

相关书籍《多相空隙介质理论及其应用》基于连续统物理中的混合物理论，详细地讨论了饱和、非饱和弹性多孔介质的非线性本构方程和场方程，线性本构方程和场方程，饱和、非饱和多孔弹性半空间动力问题及边介元方法，非饱和土的固结问题，饱和、非饱和多孔弹性介质（土）地基与基础的动力相互作用问题以及相应数值计算结果。本书可作为高等院校力学、土木工程和化工等专业的研究生教学参考用书，也可供相关学科科技人员参考。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学