前言

对工程中岩土类多孔介质来说，一般情况下是固-气-液三相介质，其中固相决定着岩土体的骨架，是其基本物质成分；液相（如地下水、石油、各种溶液等）一般是其中多场耦合关系最活跃的成分；气相（如空气，天然气，煤矿瓦斯等）往往占据固相和液相之外的空间。而且，岩土体一般都是处于一定的地质环境中，如地下水环境、地应力环境、环境温度等，地质环境的各因素之间相互联系、相互作用、相互制约，形成岩土体渗流场、应力场、温度场等多场耦合效应。

近年来，大量的工程实践，尤其是石油、天然气、地热等资源的开发，深埋隧道和引水隧洞的开挖，核废料的安全填埋、储存，土壤环境工程中污染物的迁移，寒区隧道施工，电渗法软土地基处理，混凝土坝裂缝控制等实际工程中都遇到了多场耦合问题。事实上，岩土类多孔介质多场耦合问题广泛存在于水利水电工程、环境工程、石油开发、地热开发、地震预报与控制、地下工程以及核废料处置等诸多领域，是人类活动和地质环境相互作用研究的重要课题。因此，有必要进行岩土体多相介质多场耦合作用问题研究，既可促进多场耦合问题的理论研究，又对多场耦合力学在岩土及环境工程中的推广应用有十分重要的作用，将研究成果应用于西部大开发中的西南地区水电能源开发等实际工程中可产生巨大的经济效益和社会效益。多孔介质多场耦合理论与数值模拟是一门相对年轻的学科分支，近些年来已有大量学者展开了研究。

本书共分五章，就目前多孔介质多相、多场耦合数值分析方法中的若干问题开展了较为系统、深入地研究，将多孔介质视为连续、均匀介质，总结了多孔介质的概念，结合多孔介质的概念模型以及各相的热本构关系，以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、孔隙率为未知量、建立了包含力学平衡方程、流体质量守恒方程和热能平衡方程的多孔介质的多相、多场耦合控制方程组，并采用加权余量法和有限差分法分别对控制方程组进行了空间和时域的离散，最终建立了非饱和多孔介质的多相、多场耦合过程的有限元支配方程组，在此基础上，对有限元求解的稳定性进行了讨论，给出了最终的有限元计算格式。此外，对多孔介质多相、多场耦合数值分析过程中的一些关键技术问题，如变动边界和复杂边界的处理、复杂等效节点荷载和节点处标量梯度的求解、非对称稀疏矩阵的快速集成和存取方法以及耦合有限元方程的求解方法等，提出了一系列的解决方案，并在此基础上编制了多孔介质多相、多场耦合的有限元计算程序THM-3D，对其进行了模型验证以及工程应用分析。本书为国家重点研发项目课题“大型尾矿库‘头顶库’成灾模式与防控技术”（2017YFC0804600）、国家重点基础研究发展计划（“973”计划）课题“机场高填方稳定性分析研究”（2014CB047004）成果，该成果还应用于河口村面板堆石坝项目数值模拟分析中。

本书虽然在耦合分析理论模型以及数值求解技术上做了一些探讨，由于水平和时间所限，书中难免存在一些不足之处，真诚欢迎有关专家学者、工程技术人员和广大读者提出宝贵意见。

作者

2018年3月