海床含气砂质沉积物的声响应特性实验研究

摘要

浅层气是海洋环境中重要的工程地质灾害之一，在我国的黄渤海、东海和南海片区均有一定程度的分布，尤以东海近海片区分布最为典型。随着我国海洋经济开发以及对能源需求的持续增长，一些工程建设将不可避免会在潜存浅层气的海域范围内展开。深入研究海床含气沉积物的声学响应特性，进一步完善海洋含气沉积物的探测技术和识别理论，对于海洋环境下相关基础设施建设、能源和资源开采以及防灾减灾工程具有重要的意义。
　　声学探测是海底沉积物无损探测的主要手段。本文以我国东海杭州湾海床含气砂质沉积物为研究对象，开展CT扫描实验，获取气泡尺寸分布，依据气泡共振规律，选取适宜的激振频率，开展声学响应特性实验研究，并与Anderson-Hampton模型对比，提出改进的声速模型。主要研究内容如下:
　　第一，改造完善实验设备，基于GDS应力路径三轴仪，增加弯曲-伸展元测试系统、带有高精度低量程差压传感器的双压力室系统，并配合自主研制高压溶气饱和仪，成功实现了含气砂质沉积物的试样制备和声学实验测试。
　　第二，为了解含气砂质沉积物中气泡的赋存状态与尺寸分布规律，自行设计加工了可用于含气砂CT扫描的装置，利用225kV-3D-micro-CT进行扫描，借助VGStudio MAX软件处理扫描图像，获得了含气砂质沉积物中的气泡赋存形态和尺寸大小分布;利用Log-logistic概率密度描述气泡尺寸分布规律，同时根据Log-logistic概率密度函数中参数属性，预测了含气砂质沉积物中孔隙率和含气量变化时，气泡尺寸分布规律。
　　第三，基于气泡尺寸分布规律，得到气泡共振频率的范围，研究低于气泡共振频率下，含气砂质沉积物的声学响应，并结合室内三轴砂样尺寸大小，确定室内声学测试激振频率范围;选取适宜的激振频率，开展声学实验，获取了含气砂质沉积物的幅值和声速参数。
　　最后，重点介绍Anderson-Hampton模型的适用性与局限，并与实验实测数据对比，阐述了模型预测与实测结果差异性产生的原因。依据含气量与压缩波速关系，提出了改进的含气砂质沉积物声速响应模型;针对该模型参数，进行灵敏度分析，检验了模型的适用性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海底浅层气的分布

1．2．2 海底含气沉积物的声学探测

1．2．3 沉积物的声学响应模型

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 实验装置与含气样品制备

2．1 引言

2．2 主要实验装置

2．2．1 225kV micro-CT

2．2．2 弯曲-伸展元测试系统

2．2．3 GDS应力路径三轴试验系统

2．2．4 双压力室体变量测系统

2．2．5 高压溶气饱和仪

2．3 试验材料

2．4 试样制备

2．4．1 制样方法与安装

2．4．2 试样饱和与固结

2．4．3 含气砂质沉积物制备

2．5 小结

3 含气砂质沉积物中气泡微观特征

3．1 引言

3．2 实验方案

3．2．1 CT扫描装置

3．2．2 实验过程

3．2．3 数据处理

3．3 气泡微观分布特征

3．3．1 气泡赋存状态

3．3．2 最大气泡

3．3．3 最小气泡

3．4 气泡尺寸分布特征

3．4．3 气泡分布尺寸预测

3．4．4 气泡尺寸与共振频率关系

3．5 小结

4 含气砂质沉积物的声响应特性实验

4．1 引言

4．2 实验方案

4．2．1 实验过程与试样体变

4．2．2 激振频率的选取

4．2．3 信号采集与解译

4．3 实验结果分析

4．3．1 数据的处理与描述

4．3．2 声响应的幅值特征

4．3．3 声响应的声速特征

4．4 小结

5．1 引言

5．2 Anderson-Hampton模型

5．2．1 模型预测与实测对比

5．2．2 模型的适用性与局限

5．3 改进的含气砂质沉积物声速模型

5．3．1 模型的建立

5．3．2 模型预测及参数的灵敏度分析

5．4 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果