彈塑性多孔介質流固耦合新理論:混合耦合理論

徐麗陽, 王 鍇, 丁 智, 徐日慶, 陳曉輝

(1.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心,杭州 310058;2.浙江省城市地下空間開發工程技術研究中心,杭州 310058;3.浙大城市學院 土木工程系,杭州 310015;4.浙江省城市盾構隧道安全建造與智能養護重點實驗室,杭州 310015;5.北京師范大學 水科學研究院,北京 100875;6.利茲大學 土木工程系,英國利茲 LS2 9JT)

1 引 言

在全球氣候變化和雙碳政策的大背景下,亟需發展新能源和減碳減排技術,如開發利用地熱、頁巖氣、天然氣、水合物、核電和地質封存二氧化碳[1]。使得多孔介質中固體的變形和流體的輸運問題受到越來越多研究者的廣泛關注[2,3]。然而,在多孔介質中建立多場耦合模型是復雜的,面臨的主要挑戰是,多孔介質內部孔隙的尺度范圍一般在10-9m～10-2m,而固體顆粒的尺度范圍一般在宏觀尺度,如黏土顆粒直徑通常小于0.002 mm (2 μm),有時會小到納米級別,具有高度的塑性和黏性。因此,多孔介質中的流固耦合現象跨越了宏觀尺度到納米尺度,即不僅要考慮宏觀尺度(>10-7m)的流固耦合行為[4],如泥石流、軟土的彈性變形、塑性變形和大孔隙中水的滲流;還需要考慮納米級(10-9m～10-7m)的流固耦合作用[5],如軟土微觀孔隙結構的變化、吸水膨脹、毛細作用和吸附等。如果忽略這些微細觀作用,對力場和流場的預測會產生較大誤差,難以解釋一些現象,如白堊巖遇水弱化[6](水滲透到白堊巖中時,水的滲透力可能會在顆粒之間產生沖擊力,導致顆粒分離和破碎,從而降低了巖石的強度和穩定性)、北海Ekofisk油田的海底沉降[7](高孔隙率白堊的塑性變形使得Ekofisk油藏壓實,造成了上覆海底的沉降)。