多孔介质力学理论及其应用_韦昌富

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1、报告内容多孔介质力学理论及其应用面临的挑战多相多孔介质理论韦昌富应用实例中国科学院武汉岩土力学研究所武汉-2007几点看法面临的挑战领域前沿问题关乎社会发展可持续性的岩土工程问题领域前沿问题冻土问题尚未解决的关键问题深部地下工程问题传统理论的局限性CO2地下封存核废料的地下填埋小结天然气水合物的开发利用地下构筑物的安全防护环境条件的复杂性几个关键问题问题一：多相、多组份、多场耦合问题荷载大小0100sMPa多相多相多组份多组份多场多场-88变形速率1010/s（（1）液相1）液相（1）H2OHH2OO，，CHCH4，，力学多场藕

2、合效应24（2）CHSalt4渗流Salt频率变化范围10-6108Hz（2）气相（3）Hydrate（2）气相HH2OO，，CHCH4（4）Salt温度变化范围1000sC24温度化学（（3）固相3）固相（5）MatrixMatrixMatrix，，HH22O,O,MineralsCHCH44nHnH22OO（以天然气水合物为例）问题二：相变问题甲烷水合物相图（p-T）水+水合物超临界状态冰+水合物水+气重要影响因素：孔隙性冰+气化学组份及其含量水和CO2相图(p-T)传统理论的局限性问题三：不同尺度之间各种过程的关联性局限一：在多场耦合条件下，“有效

3、应力”未必有意义例如：非饱和土的应力度量问题局部流动对宏观流动的影响白垩石（Chalk）的排水抗剪强度15Water-saturated宏观流动的方向12Soltrol-saturatedww(pg)9局部流动q(MPa)6膨胀土的变形过程典型单元（REV）30（HomandandShao,2000）048121620p(MPa)局限二：在模拟非均质岩土介质孔隙流动时，局限三：无法描述岩土介质中的相变效应、达西定律有明显的局限低温渗流过程等问题大尺度地层的渗透特性缺乏完整的P-T相图数据岩土介质的冻胀问题非平衡流动问题超冷状态下水份的迁移饱和度

4、冰在孔隙中的形成与积聚（Ozawa,Phys.Rev.E,1997）Richard模型的预测结果实测结果深度小结（一种）多相多孔介质理论面对传统与非传统问题，岩土力学与工程学科需要引入或建立新的理论途径、数值方法、以及相应的测试基本假设技术；理论的结构界面相容条件学科前沿的特征：传统的简单延续、治标不治本、系统工作缺乏；应力度量问题相变问题—p-T—平衡关系面对新挑战，多孔介质连续理论以及相关方法提供一本构关系条新途径。小结基本假设基本假设（续）（将讨论的）多孔介质：一种带有连通孔隙的固连续性假设之二：存在如下尺度窗口ZMacro：体骨架，孔

5、隙由一种或多种流体饱和、各相之间由界V(z)面分开但可以发生相互作用（通过各种物理、化学、n(z)v孔隙率：QV(z)力学过程）。连续性假设之一：问题的特征尺度（如波长、网格适合连续描述尺寸等）远大于材料的局部结构。的尺度窗口REV：某孔隙介质的典型单元zV---总体积zMacro(经典的连续介质假设)V---孔隙体积vz---REV的特征尺寸基本假设（续）理论的结构(Wei&Muralee,Int.J.Eng.Sci,2002)质量平衡方程（各相和各组份）连续性假设之三（混合物理论）：线性动量平衡方程（静/动）力平衡方程不同相的运动是独立，但存在相互作

6、用流动方程能量平衡方程所有相物质点同时占据材料空间的每个点本构关系（抹平效应：Smearingeffect）质量交换（相变、化学吸附/溶解）Fick’sLawFourier’sLaw水动力学拖拽力（相对运动）状态方程能量耗散不等式流动方程能量耗散不等式fffsffATnppnf局部流动局部流动fn流动方程：(fs)ˆfvvr宏观流动宏观流动ffffDvfffffffnngnrˆDt1ccnqT热传导热传导Tc水力学拖拽力：rˆfμf(vfvs)fsjfseˆ

7、eˆffjj质量交换（相变）质量交换（相变）fcjcu......j组份扩散组份扩散cjfcfpiAsAf化学势：AfRTlnxi其它nssnff不可逆变形km不可逆变形ikfm毛细滞回毛细滞回0电化学势n界面相容条件t状态方程SolidLiquid（以非饱和土为例）gpInterfaces对于平衡和非平衡态，下列公式成立：Gas微观层次宏观层次ssesATss2AσFF,p粘性边界层的水动力学拖曳作用Es切线方向剪切作用（Darcy定律）f