Mechanics of Poroelastic Media pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Selvadurai, A. P. S. 编

出品人:

页数:404

译者:

出版时间:2010-12-7

价格:USD 379.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789048145133

丛书系列:

图书标签:

• Poroelasticity
• Mechanics
• Geomechanics
• Fluid-Solid Interaction
• Soil Mechanics
• Rock Mechanics
• Groundwater
• Constitutive Modeling
• Numerical Methods
• Porous Media

《孔隙弹性介质力学》 引言 孔隙弹性介质，一类普遍存在于自然界和工程实践中的复杂材料，其独特性在于同时具备固体骨架和流体填充孔隙的特性。这种耦合作用赋予了它们一系列引人入胜且至关重要的力学行为，直接影响着地质工程、石油工程、水利工程、生物力学以及众多新兴科技领域的发展。例如，在地质学中，孔隙弹性理论是理解地震波传播、地下水流动、滑坡预测以及油气藏开发的关键；在生物医学领域，骨骼、软骨等组织的可压缩性和流体渗透性也可用孔隙弹性模型来描述。 《孔隙弹性介质力学》一书，旨在系统、深入地阐述孔隙弹性介质的力学理论、分析方法以及实际应用。本书并非简单地罗列概念，而是力求从基本原理出发，逐步深入到复杂的分析技术，并最终聚焦于实际工程问题。本书的核心在于揭示固体骨架的变形与孔隙流体的流动之间相互作用的本质，以及这种耦合行为如何影响介质的宏观力学响应。 核心概念与理论基础 本书开篇将着重于孔隙弹性介质的基本定义和关键组成部分。我们将详细介绍孔隙弹性介质的两种主要成分：固相骨架和液相（或气相）流体。对于固相骨架，我们将讨论其材料特性，包括弹性模量、泊松比、渗透率以及其微观结构（如孔隙度和连通性）对宏观行为的影响。对于孔隙流体，我们将分析其黏度、可压缩性等性质，并强调流体在孔隙中的流动遵循达西定律（Darcy's Law）或更一般的流体动力学方程。 本书的理论基石将建立在宏观唯象理论框架下，特别是 Biot 的经典孔隙弹性理论。我们将详细推导 Biot 理论的控制方程，包括固相骨架的平衡方程、孔隙流体的连续性方程以及固液耦合的本构关系。这些方程将以张量形式呈现，并结合具体的坐标系进行讨论，以适应不同几何形状和载荷条件。我们将深入探讨这些方程中的关键参数，如体积模量、剪切模量、孔隙度、渗透率、流体体积模量以及骨架的骨架体积模量等，并分析它们如何影响介质的应力-应变关系和流体流动行为。 对于固液耦合的本构关系，我们将详细阐述 Biot 理论是如何引入饱和度、孔隙压力以及有效应力等概念来描述固相和液相之间的相互作用。其中，“有效应力原理”（Effective Stress Principle）将是本书反复强调的核心概念之一，它揭示了孔隙压力对固相骨架有效承载能力的影响，这一点在理解岩石力学和土壤力学中至关重要。 数学模型与分析方法 在构建了理论框架之后，本书将转向孔隙弹性介质的数学建模和分析方法。我们将从最基本的加载条件和边界条件入手，探讨如何将孔隙弹性理论应用于不同类型的边值问题。 解析解方法： 对于一些简化的问题，例如均质、各向同性介质在简单几何形状下的加载，我们将介绍如何运用解析方法求解控制方程。这包括使用傅里叶变换、拉普拉斯变换以及复变函数方法等，以获得封闭形式的解。虽然解析解的应用范围有限，但它们对于理解基本物理现象和验证数值解的准确性具有不可替代的价值。 数值解方法： 随着问题的复杂化，解析解往往难以获得。因此，本书将重点介绍有限元方法（Finite Element Method, FEM）和有限差分方法（Finite Difference Method, FDM）在孔隙弹性分析中的应用。我们将详细介绍如何对连续的孔隙弹性介质进行离散化，如何建立单元或节点的方程组，以及如何求解大规模的线性或非线性方程组。对于 FEM，我们将探讨不同类型单元（如杆单元、梁单元、平面应变单元、三维单元）在孔隙弹性问题中的选择和应用，以及如何处理耦合自由度（位移和孔隙压力）。对于 FDM，我们将分析网格划分、差分格式的选取以及稳定性问题。 特种问题分析： 除了通用的分析方法，本书还将涉及一些特定但重要的分析问题，例如： 动态孔隙弹性： 深入研究孔隙弹性介质在动态载荷下的响应，包括弹性波的传播（P波、S波、斯通利波等）、振动分析以及共振现象。这对于地震勘探、动态压裂以及冲击载荷下的结构响应分析具有重要意义。 非均质与各向异性介质： 讨论当介质的渗透率、弹性模量等参数在空间上不均匀分布（非均质性）或在不同方向上表现出不同特性（各向异性）时，孔隙弹性理论和分析方法的修正与拓展。 多相流与多孔介质： 简要探讨当孔隙中存在不止一种流体（例如水和油、水和气）时，孔隙弹性理论的进一步发展，以及如何结合多相流模型进行分析。 应用领域与工程实践 理论和方法的研究最终将回归于实际应用。《孔隙弹性介质力学》将花费相当篇幅来展示孔隙弹性理论在各个工程领域的具体应用，并结合实际工程案例进行深入剖析。 石油工程： 深入探讨孔隙弹性理论在油气藏开发中的作用。例如，在注水、注气或注蒸汽过程中，孔隙压力和有效应力的变化如何影响储层的变形，进而影响渗流特性，最终影响采收率。我们将讨论压裂过程中裂缝的扩展与孔隙压力耦合效应，以及注水引起的地下形变等问题。 地质工程与岩土工程： 分析孔隙弹性理论在处理地下结构（隧道、大坝、地下厂房）、边坡稳定性、基础沉降、地震诱发的液化现象以及地下水抽取引起的地面沉降等问题中的应用。我们将重点关注有效应力原理在这些问题中的体现，以及孔隙压力波动对稳定性的影响。 水利工程： 探讨孔隙弹性理论在水坝渗透稳定性分析、地下水库筑坝、以及水利工程施工引起的区域地下水位变化和地层变形中的应用。 生物力学： 介绍孔隙弹性理论如何用于理解活体组织的力学行为，如骨骼、软骨、皮肤等。我们将分析这些组织在生理载荷下的流体渗透和变形过程，以及与疾病（如关节炎）相关的力学变化。 新兴领域： 展望孔隙弹性理论在纳米技术、微流控器件、多孔吸附材料、以及地热能开发等新兴领域的潜在应用。 研究展望与挑战 本书的最后部分将对孔隙弹性介质研究的现状进行总结，并提出未来的研究方向和面临的挑战。 微观结构的影响： 尽管宏观唯象理论取得了巨大成功，但如何更精确地考虑孔隙介质的微观结构（如孔隙尺寸分布、孔隙连通性、颗粒形状和接触方式）对其宏观力学行为的影响，仍然是一个重要的研究方向。 非线性与复杂行为： 实际介质往往表现出非线性行为，例如应变软化、应力硬化、以及流体流动与骨架变形之间的复杂非线性耦合。如何建立更精确的非线性孔隙弹性模型，并发展有效的分析方法，是未来研究的重点。 多场耦合： 除了固液耦合，孔隙弹性介质还可能存在热、电、化学等多场耦合效应。例如，热致孔隙弹性、电致孔隙弹性等。研究这些多场耦合问题，对于更全面地理解和利用多孔介质至关重要。 实验与模拟结合： 强调实验测量（如三维成像、声学测试、原位力学测试）与数值模拟相结合的重要性，以验证理论模型的准确性，并深入理解介质的真实力学行为。 尺度效应： 讨论从微观尺度（孔隙级别）到宏观尺度（工程结构级别）的尺度效应，以及如何进行多尺度建模和分析。 结论 《孔隙弹性介质力学》旨在为读者提供一个全面、系统且深入的孔隙弹性理论学习平台。本书内容涵盖了从基本概念到前沿研究的各个方面，力求理论严谨，方法实用，应用广泛。通过对本书的学习，读者将能够深刻理解孔隙弹性介质的力学本质，掌握分析和解决相关工程问题的能力，并为进一步的深入研究打下坚实的基础。本书适合高等院校相关专业的研究生、高年级本科生，以及从事石油、地质、岩土、水利、生物医学等领域工程技术工作的专业人士阅读。

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