第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
自然界中存在着不同的物理、力学与化学过程，如果这些过程间存在着相互影响，即一个过程的发生与发展将会受到或（和）影响到另一个过程的发生与发展，则称这些过程为耦合作用过程，这种现象称为多场耦合。在物理学上，耦合（Coupling）是指两个或两个以上的体系或两种以上的形式之间通过各种相互作用而彼此影响以致联合起来的现象。
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，地质环境的各种因素间相互联系、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。
（1）资源开采中的应用。经过近几十年对世界各地各种类型油气资源的大量开采，以及通过大量的实验室和理论分析研究工作，现在对油气藏的力学特征已经形成了一个基本的认识，即认为油气资源的开采过程是一个流体（油、气、水）渗流、温度变化与油气藏岩土类多孔介质弹塑性变形动态耦合作用极强的过程。以煤层气藏为例，煤层气的开采，孔隙流体的压力发生变化，会引起煤岩骨架弹性模量和抗拉强度参数的变化；煤层气的吸附和解吸，煤层温度发生变化，会引起煤层骨架变形参数变化和孔隙流体的流动规律变化；煤层骨架变形，煤层孔隙体积会发生变化，从而引起煤岩物性参数，特别是孔隙度、渗透率、煤岩的密度和孔隙压缩系数的变化。
（2）核废料处理工程中的应用。在高放射性核废料处理的研究中，核废料被埋于地下岩体，由于放射性同位素衰变，将产生大量的热量。贮库围岩介质温度升高，不但影响了岩体、水体的物理性质，而且对岩体的应力场和水体的渗流场也有重要作用。一方面，地下水作为一种环境因素对岩体的物理力学性质和热对流传输具有重要影响；另一方面，岩体的热物理特性及其中的各种不连续面分别对热传导及地下水渗流起着重要控制作用，这三者相互联系、相互制约的性质是由渗流场、应力场、温度场耦合效应引起的，属于不可逆的热力学过程。因此，建立核废料污染的多场耦合动力学数学模型，寻求其在某种意义下的近似解及建立相应的数值分析理论，对预报、评估污染的方式、范围、程度，及早采取相应的控防措施和废料处理手段有着重大的指导意义。
（3）水利工程中的应用。在一般水利工程中，多场耦合一般往往退化成两场耦合，如土石坝的固结、高边坡的稳定和深埋隧道的开挖稳定等问题中，通常考虑成渗流场-应力场耦合（即HM耦合），这一过程其实是岩土多场耦合的一个特例，即假定这些变化过程是一个等温过程；又如，在大体积混凝土坝体水库初次蓄水过程中，一般仅考虑温度场-渗流场耦合（即TH耦合），得到坝体渗流场影响下的坝体温度分布，为温控防裂提供参考依据。
（4）环境工程中的应用。在城市土壤环境工程中，最常见的是垃圾填埋场，一般都是位于自然土层上，由封顶层、土障层、围岩黏土及废弃物堆积体等部分组成。其中土障主要由特定的夯实黏土构成，其主要作用是防止垃圾废弃物中有害物质（有害水或气体）向土障外的周边环境扩散，对人和自然环境具有很好的保护作用。但是土障包围的固体废弃物本身具有很高的温度或者能够同构化学反应释放热量，为工程土障系统中的热源，土障所用黏土材料的水力-力学性质会随温度而变化，使土障出现不可恢复的塑性应变，对土障的稳定性影响较大。对工程土障的稳定性分析，必然涉及多场耦合问题和化学传质问题。
另外，加油站或地下储油设施等造成的油料泄漏使有机物进入到包气带土壤中，容易给土壤和地下水造成严重的污染。这些有机污染质进入地下环境后，大部分以轻质非水相流体（light non-aqueous phase liquid，LNAPL）的形式污染土壤和地下水。由于轻油难溶于水或与水不混溶的特点，它在土壤和地下水中的迁移特征与一般的溶质迁移存在很多方面的不同；这类污染物一经泄漏进入地下以后，往往同时伴随着不混溶的水或气的共同运动，是孔隙介质中的多相流动问题。其中将会涉及孔隙介质中应力、变形场与多相渗流（油、水、气）场之间的相互影响和作用问题。
（5）其他应用。另外，多场耦合过程在冻土工程和寒区隧道施工中也都存在：冻土随温度的变化过程中容易形成冻胀和融沉破坏，其冻融过程是典型的温度、应力、渗流相互影响的过程；寒区隧道施工过程中，在衬砌与围岩之间存在地下水，温度低于其结晶点时，会凝结成冰，体积膨胀，在岩体和衬砌的约束下，会产生较大的应力，容易形成冻胀破坏，这个过程也是三场耦合的过程。这两类工程问题也需要结合多场耦合的方法来对其进行计算分析，与一般多场耦合不同的是，这些工程问题中增加了水与冰之间的相变过程。
综上所述，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。