考虑非理想热接触的海相沉积物非局部分数阶黏弹性热-水-力(THM)耦合动态响应模型

《Journal of Marine Science and Engineering》：A Fit-for-Purpose Framework for Post-Fire Structural Integrity Assessment of Steel Offshore Platforms

　　

在高温海底管道运行期间，海相沉积物承受复杂的热-水-力（thermo–hydro–mechanical, THM）相互作用和高频动态荷载。传统THM模型往往无法表征这些海床响应所需的全部一般性，因为它们忽略了微结构尺寸效应与软黏土流变，并假定理想的界面热接触。为解决上述限制，本研究提出一种统一非局部THM耦合动态模型，集成非局部弹性、分数阶导数黏弹性以及四种不同的非理想热接触条件。严格推导了层状饱和多孔介质中温度增量、超孔隙水压力和位移的解析解。该框架假设均质土层内为一维、线性小应变、完全饱和及稳态谐和状态，其有效性通过与既有解析解对比得到验证。开展了系统参数研究，考察分数阶比（α⁽¹⁾/α⁽²⁾）、本构参数（τ_σ/τ_ε）及界面热阻的影响。结果表明：当τ_σ/τ_ε < 1时，共振频率随α⁽¹⁾/α⁽²⁾增大向低频移动；相反，当τ_σ/τ_ε > 1时，共振频率逐渐增大，峰值振幅减小。此外，界面热阻显著阻碍热传递并诱发明显的局部温度梯度。忽略这些耦合效应可能导致对海相沉积物动态行为的不准确预测。

论文解读：海相沉积物非局部分数阶黏弹性THM耦合动态模型

**研究背景与现存问题**
海底高温输送管道运行时，饱和海相沉积物同时承受热场、渗流场与变形场的耦合作用。海相软土通常具有高含水率、高孔隙率和低抗剪强度，并表现出由复杂生物化学与成岩作用导致的时间相关黏弹性，如蠕变和循环荷载下的能量耗散。Biot建立饱和多孔介质波动理论后，广义热弹性理论、分数阶本构和非局部弹性理论相继得到发展，但现有THM模型仍存在三方面不足：其一，多数模型基于宏观流变表征，忽略微结构空间尺寸效应；其二，广泛采用的理想界面热连续假设未考虑层间表面粗糙度与微孔隙引起的热接触电阻；其三，非局部Biot框架大多假定弹性骨架或经典黏弹性行为，尚未将分数阶黏弹性、非局部尺度效应与非理想热接触同时纳入统一体系。因此，建立一个可统一描述上述机制的THM耦合模型，对于评估高温高压管道作用下海床响应和保障海洋基础设施安全具有明确需求。

**研究内容与核心发现**
研究人员提出了统一非局部THM耦合动态模型，将非局部弹性、分数阶导数黏弹性与四种广义非理想热接触界面模型相结合，针对双层饱和多孔介质推导了频率域解析解，并通过退化基准验证了正确性。系统参数研究表明：分数阶比与本构参数比共同调控共振频率和峰值幅值，非局部效应呈明显频率依赖性，界面热阻和分割热接触系数显著阻碍跨层热流并抑制热膨胀引起的孔压与位移响应。该框架