在地下岩土工程中，例如矿物开采（Hang等人，2022年；Wang等人，2013年）、隧道工程（Yang和Yin，2023年；Yang和Zhang，2018年）以及页岩气开发（Gupta和Duarte，2014年；Rao等人，2022年），天然地质材料本质上具有相互连接的孔隙和裂缝，即孔隙-裂缝双介质结构，形成了复杂的流体传输系统（Hu，2022年；Yoon等人，2021年）。孔隙与裂缝之间的流体渗流行为差异，加上地质构造中裂缝的空间非均质分布，导致了更为复杂的渗流-应力耦合效应（Chen等人，2017年）。因此，研究双介质中的非线性渗流-应力耦合机制对于地下岩土工程的安全评估和设计优化至关重要。
渗流-应力耦合理论最初由Terzaghi（1943年）提出，三维（3D）固结理论由Biot（1941年、1955年）进一步发展。目前主要有三种模型：等效连续介质模型（ECM）、离散裂缝网络模型（DFN）和孔隙-裂缝双介质模型（DMM）。在ECM中，当孔隙和裂缝在空间上均匀分布时，具有复杂孔隙-裂缝结构的地质材料可以被视为具有单一孔隙率的均匀多孔连续介质（Zhang等人，2017年；Zhang和Liu，2024年）。例如，Hu等人（2018年）利用ECM结合TOUGHREACT和FLAC3D阐明了砂岩注入体中渗透率演变与有效应力之间的非线性耦合机制。Li等人（2021年）将ECM与现场测试相结合，确定了露天矿区的涌水区。尽管ECM计算效率高，但它无法区分孔隙与裂缝之间的流体渗流行为差异，因此仅适用于孔隙和裂缝相对均匀分布的地质构造。相比之下，DFN可以明确表征裂缝属性（几何形状、位置和大小），特别适用于裂缝主导渗流-应力行为且孔隙影响可以忽略的高裂缝环境。Hyman等人（2015年）开发了DFNWORKS框架，并将其与PFLOTRAN耦合，用于模拟裂缝介质中的地下渗流，并验证了其在核废料和水力压裂场景中的适用性。Liu等人（2018年）开发了一个考虑剪切流耦合行为的DFN-断层模型，研究了地震后断层渗透率的演变，发现地震后愈合阶段的闭合速率随时间增加。Han等人（2024年）使用Snow模型和BP神经网络构建了DFN，通过COMSOL-MATLAB模拟了渗流过程，并分析了裂缝参数对水力特性的影响。尽管DFN能够明确表征裂缝几何形状，但在一定程度上忽略了孔隙渗透性，导致高孔隙率介质的计算误差（Agbaje等人，2023年）。此外，由于需要显式裂缝建模（特别是在三维问题中）以及对其高精度地质数据的依赖性，DFN在工程应用中计算成本较高（Thomas等人，2020年）。
对于DMM，Barenblatt等人（1960年）首次建立了其理论框架，通过使用不同的宏观物理参数来区分孔隙与裂缝之间的渗流差异。Warren和Root（1963年）将孔隙和裂缝视为两个独立但相互作用的结构，并将模型参数（如裂缝间距和渗透性）直接与地质数据关联起来，从而增强了DMM在实际工程中的适用性。Duguid和Lee（1977年）放弃了DMM中的刚性介质假设，引入了固体变形对流体渗流行为的反馈效应，从而将DMM扩展到可变形介质。此外，Aifantis（1977年、1980年）基于混合理论开发了DMM的渗流-应力耦合模型，为分析耦合机制提供了更严格的数学基础。据此，Shi等人（2018年）以及Yang等人（2002年、Yang和Tan，2005年）提出了针对复合土壤和粘土的特定DMM，以分析这些材料的固结行为。显然，DMM本质上表征了孔隙与裂缝之间宏观渗流行为和流体压力分布的差异。它可以克服ECM（将复杂介质简化为单一孔隙结构，即单孔介质理论）和DFN（在某种程度上忽略孔隙渗透性，对地质数据要求高，建模复杂）的局限性，提供了对复杂孔隙-裂缝双介质的更真实表征。然而，尽管现有的DMM可以描述某些渗流参数（如流体体积分数和渗透率）的动态演变（Hu，2022年；Li和Xu，2000年），但在模拟高地应力和高渗流压力条件下的复杂地质环境中的渗流过程时仍存在明显不足。这些局限性包括未能充分表征裂缝空间非均质分布对渗流路径的显著影响（Deng等人，2013年）、高渗透率裂缝区的非达西渗流行为（Zhou等人，2015年；Javadi等人，2014年），以及强应力-渗流耦合作用下渗流参数与岩体变形参数的耦合演变机制。
本研究首次建立了一种改进的非线性渗流-应力耦合模型，用于工程地质材料中的非均质孔隙-裂缝双介质，综合考虑了非达西渗流效应、非线性渗流-应力耦合效应（渗流参数、固体变形参数和有效应力系数的动态演变）以及孔隙和裂缝的空间非均质分布，基于混合理论和守恒定律。随后，通过COMSOL Multiphysics编程并求解了改进模型的控制方程，并进行了实验验证。此外，还研究了非达西渗流和非线性耦合效应对流体压力消散和土壤固结行为的影响。在涉及三维非均质含水层的应用中，该模型以较低的计算成本准确捕捉了优先渗流、渗流屏障以及由裂缝非均匀分布引起的差异沉降，为地下排水系统的评估和设计提供了理论基础。最后，本文讨论并比较评估了该模型在实际工程背景下的适用性、优势和局限性。
