The Coupled Theory of Mixtures in Geomechanics with Applications pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Voyiadjis, G. Z.

出品人:

页数:449

译者:

出版时间:

价格:$ 157.07

装帧:HRD

isbn号码:9783540251309

丛书系列:

图书标签:

Geomechanics
Mixture Theory
Continuum Mechanics
Porous Media
Constitutive Modeling
Numerical Methods
Soil Mechanics
Rock Mechanics
Geotechnical Engineering
Coupled Phenomena

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具体描述

This book contains recent advances on theory of mixtures in geo-mechanics. It presents all the necessary material that is published and scattered in different journals. The book presents both basic principles and advanced topics. It includes a chapter on comparison of theoretical and experimental results. The first part of the book deals with the historic reviews, hydro-mechanics of geo-materials, and the fundamental theory of mixtures. The second part of the book deals with the Coupling Theory, Numerical Simulations, and Applications in real structures. The third part of the book deals with advanced topics such as unsaturated soils and theory of mixtures for non geo-materials. The book can be used as a textbook for an advanced course on geo-mechanics and geotechnical engineering.

固体力学前沿：多相介质的耦合行为与宏观响应本书聚焦于复杂多相介质在力学荷载作用下的耦合本构关系、有效介质理论以及宏观力学行为的精确描述。在现代工程科学和地球物理学的研究中，我们经常面对由两种或多种物理状态（如固体骨架、流体、气体、热场等）相互作用构成的复杂系统。这些系统，例如饱和多孔介质、复合材料、岩石、土壤乃至生物组织，其宏观力学响应不再是简单组分特性的线性叠加，而是高度依赖于各相之间的相互作用、传递机制以及尺度效应。本书旨在系统梳理并深入探讨这些多相耦合体系的理论基础、建模方法与前沿应用。第一部分：多相介质的基本框架与力学基础本书的开篇部分将奠定理解复杂多相系统的理论基石。我们将首先回顾经典连续介质力学和热力学框架，并重点阐述如何将其扩展至描述具有明确相界面的系统。 1. 物质相态的表征与相容性：探讨如何利用孔隙度、饱和度、体积分数等参数精确描述多相介质的几何结构。重点分析介观尺度上固-液、液-气界面的物理化学特性如何影响宏观力学行为。介绍不同空间尺度（从微观晶体结构到宏观工程单元）的描述方法，强调如何通过体积平均技术实现尺度转换。 2. 宏观热力学与本构关系建立：深入探讨多相系统的热力学基础，特别是对自由能密度的定义。我们将详细分析描述多相系统非平衡态行为的本构方程，包括但不限于：质量守恒与动量守恒：阐明在相界面上的质量交换、动量传递机制，例如达西定律（Darcian Flow）的微观起源与修正。能量平衡与热扩散：分析流体流动对热场的影响（对流-扩散过程），以及固相骨架的粘弹性或粘塑性响应如何影响整体热传递速率。 3. 界面作用力的精确描述：界面处的相互作用是多相耦合的核心。本书将详述如何量化毛细力、表面张力梯度力以及电化学驱动力（在特定介质中，如粘土基质）对有效应力的调制作用。重点讨论在应力状态下，流体对固相骨架的有效应力贡献，并区别于经典的毕肖夫（Biot）理论框架在更高复杂度介质中的适用性与局限性。第二部分：耦合效应的建模与数值实现理论的价值最终体现在对实际问题的预测能力上。本部分将聚焦于如何构建能够捕捉多物理场耦合效应的数学模型，并探讨其在数值计算中的实现策略。 1. 固-流耦合的本构模型：深入探讨几种主流的固-流耦合模型，包括但不限于：有效应力原理的推广：研究在非线性弹性、塑性或蠕变本构下，孔隙流体压力如何实时地影响固相骨架的承载能力和变形模式。双尺度建模方法：介绍如何通过嵌套模型（例如，微观尺度的孔隙网络模型与宏观尺度的连续介质模型）来处理介质的非均质性和各向异性。 2. 瞬态与动态耦合响应：针对地震波传播、水力压裂或快速固结过程等瞬态问题，建立包含时间依赖性的耦合方程组。重点分析流体惯性效应、声学响应（如慢波与快波的生成）在耦合介质中的传播特性。讨论瞬态荷载下流体渗透率的动态变化机制。 3. 有限元方法的应用与挑战：针对高度非线性、涉及多重边界条件的耦合方程组，本书将详细介绍有限元（FEM）或有限体积法（FVM）的离散化技术。探讨在时间积分和空间网格划分中，如何保证模拟结果在不同物理场（如应力场和流场）之间的稳定性和精度，尤其关注对“刚性耦合”和“弱耦合”情况的处理策略。第三部分：前沿应用与工程挑战本书的最后部分将目光投向该理论在关键工程和地球科学领域中的实际应用，并讨论当前研究面临的未解难题。 1. 能源与环境工程中的应用：地下流体封存与迁移：分析二氧化碳捕集与封存（CCS）过程中，高压CO2注入对围岩稳定性的影响，特别是相变、应力重分布与长期渗漏风险的评估。非常规油气开采：探讨水力压裂过程中，复杂裂缝网络内耦合的流体流动、岩石破裂与固结沉降问题。 2. 土木与岩土工程的深化：深入分析软土地基的固结沉降、地震液化风险评估，以及在这些过程中，孔隙水压力耗散与固相骨架非线性变形的相互制约关系。 3. 材料科学中的新兴领域：讨论在先进复合材料（如纤维增强多孔介质）中，如何利用耦合理论指导材料的界面设计，以优化其机械性能和功能集成度。 4. 模型验证与尺度效应的再审视：强调实验数据的获取与模型验证的重要性。讨论在跨尺度模拟中，如何科学地界定有效介质的宏观参数，以及如何处理在不同尺度下观测到的材料性能差异（尺度效应）。本书旨在为固体力学、岩土工程、流体力学、热力学以及材料科学领域的科研人员、工程师和高年级研究生提供一套严谨、系统且具有前瞻性的多相耦合理论工具箱。通过对微观机制的深入理解和宏观响应的精确预测，读者将能更好地应对复杂工程环境中的力学挑战。