تحلیل دینامیکی محیط متخلخل ناهمگن اشباع شده با سیال منفذی غیرلزج با نفوذپذیری متغیر در عمق تحت بارگذاری قائم یکنواخت

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 دانش آموخته دانشگاه تربیت مدرس
2 عضو هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
رفتار محیط‌ متخلخل اشباع تابعی از اندرکنش بخش‌های مختلف این محیط‌ها (فاز جامد و مایع) است که نظریه‌ی پوروالاستیک بر آن حاکم می‌باشد. معادلات حاکم استفاده شده در این پژوهش، حالت ساده‌سازی شده تئوری بیو بوده که توسط زینکویچ ارائه شده‌است و متغیرهای آن تغییرمکان بخش جامد و فشار منفذی سیال می‌باشد. محیط مسئله به صورت نیم‌فضای متخلخل ناهمگن فرض شده‌است. این محیط، با سیال منفذی غیرلزج اشباع شده و تحت بارگذاری متقارن محوری قرار دارد که نفوذپذیری آن در عمق به‌صورت نمایی تغییر می‌کند. باتوجه‌به تغییرات پیوسته‌ی نفوذپذیری در عمق، معادلاتی برای محیط ناهمگن همسانگرد با نفوذپذیری متغیر در عمق در مختصات استوانه‌ای و در حالت متقارن محوری به دست آمده‌است. معادلات دیفرانسیلی درگیر با معرفی تابع پتانسیل مناسب به معادلات ساده‌تری تبدیل شده که با اعمال تبدیل هنکل، پاسخ‌ها در دامنه‌ی هنکل - فرکانس تعیین شدند. در نهایت، با استفاده از تبدیل وارون هنکل، پاسخ‌های هارمونیک به دست آمدند. سه مقدار مختلف از شاخص تغییرات نفوذپذیری، برای بیان ناهمگنی محیط در نظر گرفته شده‌است. نتایج نشان می‌دهند که با کاهش نفوذپذیری در عمق، دامنه‌ی تغییرمکان‌های محیط محدود‌ می‌شود. در فرکانس تحریک ω0=0/5 ، با دور شدن از محل بارگذاری، میرایی پاسخ نسبت به محیط همگن افزایش می‌یابد. در فرکانس تحریک ω0=2 ، تغییرمکان قائم محیط همگن و ناهمگن در اعماق z/a≥4 ، تا حدودی منطبق هستند. همچنین، نتایج نشان می‌دهند محل بیشینه فشار منفذی سیال، در محیط ناهمگن نسبت به محیط همگن، به سطح نیم‌فضا نزدیک می‌شود؛ به این صورت که در محیط همگن، محل بیشینه‌ی فشار منفذی سیال در عمق z/a=1/7  است. این مقدار، برای محیط با پارامتر نفوذپذیری δκ=-0/5  در عمق z/a=0/8  رخ می‌دهد.

 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Dynamic analysis of a heterogeneous porous medium saturated with an inviscid pore fluid and with depth-varying permeability under vertical loading

نویسندگان English

Nima Saraee 1
Kiyumars Sahebkar 2
1 Graduate student of Tarbiat Modares University
2 Faculty member of Tarbiat Modares University
چکیده English

The behavior of saturated porous media depends on the interaction of its various components, primarily the solid and liquid phases. This interaction is effectively described by Poroelastic theory, which integrates the mechanics of solid deformation with fluid flow within the porous structure. In the current study, the governing equations are derived from a simplified version of Biot's theory, as introduced by Zienkiewicz. This formulation employs two primary variables: the displacement of the solid phase and the pore fluid pressure. The medium under investigation is modeled as a heterogeneous porous half-space saturated with an inviscid fluid, with its permeability varying exponentially with depth. Such a configuration is subjected to axisymmetric loading conditions, making it a suitable case for analyzing the dynamic responses of porous media with spatially varying material properties. The heterogeneity of the medium with depth leads to the addition of new terms to the governing equations. These equations are derived for a heterogeneous isotropic medium with depth-dependent permeability in cylindrical coordinates, under axisymmetric conditions. The obtained mathematical equations involve coupled differential equations that are not easily solvable. In this study, a scalar potential function is introduced to solve these equations, and by applying it to the complex and coupled governing equations, a decoupled partial differential equation is obtained. Solving this equation allows for the determination of the unknowns in the problem. This partial differential equation can be solved in the frequency domain using the Hankel transform under axisymmetric conditions. The transformed equations in the Hankel-frequency domain, after being solved using the potential function, are returned to the real domain through the inverse Hankel transform. In this way, the harmonic response of the system can be computed. Due to the necessity of using the inverse Hankel transform, the responses are presented as complex, semi-infinite integrals, which require numerical methods for evaluation due to the presence of poles and branch points along the integration path. These integrals have been computed using the Method of Residues. Three distinct permeability variation indices are utilized to quantify the heterogeneity of the medium. These indices provide insights into how changes in permeability influence the mechanical and hydraulic responses of the porous medium. The results show that as permeability decreases with depth, the range of displacements in the medium becomes limited. At the excitation frequency of ω0=0.5 , the damping of responses relative to a homogeneous medium increase with distance from the loading location. At ω0=2 , the vertical displacement of both homogeneous and heterogeneous media converges approximately for z/a≥4 . Additionally, the results indicate that the location of the maximum pore fluid pressure shifts closer to the half-space surface in a heterogeneous medium compared to a homogeneous one. For instance, in a homogeneous medium, the maximum pore fluid pressure occurs at a depth of z/a=1.7 , while in a medium with a permeability parameter of δκ=-0.5 , it occurs at z/a=0.8 . This shift indicates that heterogeneity influences the depth distribution of fluid pressure, potentially affecting the medium’s overall stability and fluid flow patterns. The implications of these findings extend to various engineering and geophysical applications, including reservoir engineering, groundwater hydrology, and the design of foundations in porous media. Understanding how permeability variations affect the mechanical and hydraulic behavior of saturated porous media is crucial for predicting and mitigating risks associated with dynamic loading conditions. This study contributes to the broader understanding of poroelastic phenomena in heterogeneous systems and provides a foundation for future investigations into more complex geometries and material behaviors. 

کلیدواژه‌ها English

Saturated Porous Media
Isotropic Heterogeneous
Poroelastodynamics
Potential Function
Biot's Equations