仿真海底环境下沉积物受控应变过程中的力学与声学特性关系研究

基于海洋资源开发和海洋工程建设的需要，本项目提出在仿真海底环境下对沉积物进行受控应变过程中的力学与声学特性关系研究。主要以仿真海底环境下沉积物的三轴压缩-声学同步测量试验为手段，获得沉积物在仿真海底受控应变过程中的力学性质与声学参数相关变化数据，分析沉积物的有效轴向应力、剪应力和轴向应变等力学性质与声速Cp、Cs和声衰减等声学参数相关变化关系。结合沉积物试样在受控应变和结构破裂前后的微结构变化特征，建立表达几种典型海底沉积物应力-应变状态和临界破裂应力（抗剪强度）的声学参数组合判据，建立海底沉积物的微结构-土力学-声学参数组合分类，研究在应力-应变过程中海底沉积物微结构变化对其力学与声学特性相关变化的影响机理。这些研究对了解海底现场环境下沉积物应力-应变特性、无损检（监）测和评价海洋工程基底稳定性，以及用声学反演法遥感遥测海底沉积物工程力学性质等，都具有重要的理论意义和实用价值。

基于海洋军事国防和资源开发的需要，本项目提出“仿真海底环境下沉积物受控应变过程中的力学与声学特性关系研究”。本项目主要内容包括：以仿真海底环境下沉积物三轴压缩-声学同步测量为手段，获得沉积物在仿真海底条件下受控应变过程中的力学与声学参数变化数据，分析沉积物力学与声学参数相关关系，探讨海底沉积物声速影响因素及其响应机制，建立海底沉积物地-声参数理论关系与实用性经验公式。.经过四年的研究，本项目成功研制了新型海底沉积物三轴压缩-声学同步测量仪，对出海采样获得的南海海底沉积物进行了仿真海底条件下受控应变过程中的应力-应变-声学参数同步测量，获得了海底原位温压条件下沉积物试样受控应变过程中的有效轴向应力、轴向应变、剪应力，以及抗剪强度、粘聚力、内摩擦角、应力摩尔圆、声速和声衰减等关键数据资料。通过这些工作取得了以下重要研究成果：.（1）建立了由弹性模量变化比和密度变化比两个独立变量刻画海底沉积物声速的理论，并通过实验验证其有效性。.在这两个影响声速的独立变量中，都包含有孔隙度参数，这反映孔隙度影响海底沉积物声速的本质。海底沉积物孔隙度变化会引起介质密度和弹性模量的变化，导致声速发生变化，而且介质密度和弹性模量的变化可以表示为模量变化比和密度变化比。从而在弹性波基础理论上解释了传统的孔隙度-声速经验公式的物理意义，由此达到了海底沉积声学领域的声速影响因素及其响应机制研究的新高度。.（2）建立了基于弹性波理论的双复合参数-声速经验公式，相比传统的孔隙度-声速经验公式，显著提高了声速预报的精度，实现了海底沉积物声速经验公式在基础理论、经验数据与适用性方面的完美结合，这是本项目研究的一个突出亮点。.（3）奠定了基于声学基础理论、实验测试技术与相关参数数据相结合的普适性海底地-声反演模型的理论基础，实现了地-声转换参数的理论相关、方便测量和适用有效三大特性。.通过本项目4年的实验测试、数据分析和理论研究，完成了项目执行计划书中的研究内容，不仅达到了本项目研究的主要预期目标，而且在海底沉积物声速影响因素的理论探索，以及在双复合参数-声速经验公式和海底地-声模型理论研究方面获得了显著成果。.这些研究结果对于海底沉积声学、海底土工学、海洋地质学、物理海洋学和军事海洋学等学科的交叉渗透与融合发展，以及对于海洋军事国防和海洋资源开发等方面，具有重要理论意义和应用价值。