三相非饱和土-海水界面地震波传播理论与反射/透射机制研究及其工程启示

针对近海抗震工程中将部分饱和土简化为完全饱和土导致的误差问题，研究人员建立了三相非饱和土-海水界面模型，系统研究了P-、P1-和SV-波传播机制，首次推导出理论解及能量系数，揭示了气体相存在对波场特性的显著影响，为海洋岩土工程抗震设计提供了精确理论依据。

　　

在海洋工程领域，海底沉积物的动力响应分析直接关系到近海结构物的抗震安全。传统做法常将饱和度90%以上的"近饱和"土层简化为完全饱和介质，这种近似处理虽简化了计算，却忽视了气体相的存在可能引发的误差。事实上，大陆边缘广泛分布的含生物成因甲烷气沉积层，其力学行为与饱和土存在本质差异。为此，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过建立三相非饱和土-海水耦合模型，首次系统揭示了气体对界面波传播的调控机制。

研究采用理论建模与数值验证相结合的方法，关键技术包括：1）构建三相介质波动方程（含固体骨架、液体和气体相互作用）；2）推导开放孔隙边界条件下的反射/透射系数解析解；3）基于能量守恒原理验证解的准确性；4）对比分析饱和度（0.9-1.0范围）、孔隙率和入射角等参数的影响规律。

【数学模型】
针对图1所示的三种入射波（P-、P₁-和SV-波）情形，建立了包含P₁、P₂、P₃（气体相特有）和SV波的完整控制方程。海水层动力学行为通过位移势函数?_sea和体积模量K_sea描述，非饱和土则引入γ_ss、γ_sf等耦合系数表征固-液-气三相相互作用。

【数值分析与验证】
采用表1参数进行算例分析，发现：1）饱和度仅降低1%（从1.0到0.99）即可导致反射系数突变；2）P₃波能量占比随孔隙率增大而显著提升；3）SV波入射时，气体相会引发界面处能量重分配现象。

【研究意义】
该研究突破传统双相介质理论局限，证实：1）近饱和土层（S_r=0.9）与完全饱和土（S_r=1.0）的波场响应差异可达20%以上；2）开放孔隙边界条件下P₃波对界面能量传递具有调控作用；3）建立的理论框架可退化为经典Biot饱和模型特例。

结论部分强调，该成果为海底管线、跨海桥梁等工程的抗震设计提供了更精确的理论工具，尤其适用于含天然气水合物的特殊地质环境。作者Guohuan Liu和Xinyang Li指出，未来可进一步研究波浪-地震联合作用下三相介质的非线性响应规律。