气体吸附诱致孔隙介质变形是一种普遍的自然现象,如何有效研究这种自然现象背后的物理机制,对我们日常生活和经济发展具有重要意义。特别是如何从本构理论的角度研究气体(CH4和CO2)吸附诱致煤岩膨胀变形,不仅对增强煤层气开采和CO2地质封存具有重要的科学价值,而且对于提高化石能源使用效率和保护自然环境具有重要的现实意义。在化学科学中,针对气体吸附现象已经做了大量细致深入的研究工作,但这些工作均不考虑由于吸附作用引起的吸附剂变形。在孔隙介质热力学中,针对孔隙介质变形本构理论的研究也取得了很大进展,但这些本构理论没有充分考虑孔隙流体在孔隙基质表面的吸附作用。因此,如何将两门学科有效结合起来,研究气体吸附诱致孔隙介质变形的基本规律,是地球物理、工程力学和岩土工程科研人员面临的重要课题。本文综合运用孔隙介质热力学,大变形理论和表面物理化学等基本理论,详细探讨了气体吸附诱致孔隙介质膨胀变形的本构理论;特别是针对气体(如CH4和CO2)吸附诱致煤岩膨胀变形做了更深入的探讨。通过本次研究,主要得到以下四点新的认识和有益的结论:(1)无吸附作用时,基于孔隙介质弹塑性力学的基本假定和最大塑性耗散原理,得到小变形情况下孔隙介质体积应力关于体积应变,孔隙率和剪切应变的函数关系;孔隙压关于体积应变,孔隙率和剪切应变的函数关系。研究发现,当孔隙介质只有弹性变形时,体积应力和孔隙压仅是体积应变和孔隙率的函数,但是进入塑性后,二者还受剪切应变的影响。对于给定的Helmholtz自由能函数和Drucker-Prager屈服准则,同时采用相关联流动法则,得到了小变形情况下弹塑性切线模量的具体表达式。(2)在无吸附作用的孔隙介质小变形弹塑性本构模型基础上,依据变形梯度乘法分解和孔隙率的非线性演化方程,得到了孔隙介质大变形弹塑性本构关系。在主应力空间,详细探讨了连续介质大变形的一致性切线模量。同时结合主应力空间中四阶张量的矩阵表达式,并得到相应的连续介质大变形一致性切线模量的矩阵形式。引入当前构形上的对数应变,并对孔隙介质大变形中塑性流动方程的回归映射进行分析,结果表明大变形条件下本构方程的计算格式与小变形情况下对应的计算格式形式相同。因此大变形中,应力、孔隙压的计算过程与小变形所对应的计算过程完全一致。在算例分析部分,通过对连续介质大变形弹塑性切线模量的计算分析发现,虽然计算时选择的是无硬化的屈服函数,但由于大变形的影响,材料进入塑性阶段后,压应力并不会保持不变而会有细微的增加。(3)依据孔隙介质热力学和表面物理化学的基本原理,考虑两种不同的边界条件,分别得到了描述气体吸附诱致孔隙介质渗透率变化和气体吸附诱致膨胀变形的微分方程组。在等温条件下,类似于大气压在重力场中的变化,本文假设孔隙压仅仅是体积压的函数并且在吸附场中沿着固体基质的外法线方向均匀连续的变化。类似于气体密度的Virial展开式,通过将孔隙压展开为体积压的的级数形式,本文提出的模型不仅可以用于描述宏观孔的物理力学性质,而且能很好的用来反映微观孔中气体吸附诱致孔隙介质的膨胀变形。通过建立一个简单的几何模型,确定了小变形情况下孔隙介质体积应变,固体基质的表面应变和孔隙率之间的函数关系。随后利用Gibbs等温吸附方程和van der Waals气体状态方程得到吸附诱致固体基质表面应力变化的积分表达式。在孔隙介质体积应力保持常数的边界条件下,假设渗透率与初始渗透率之比等于孔隙率与初始孔隙率之比的三次方,得到了气体吸附诱致孔隙介质渗透率变化的微分方程。最后在气体吸附诱致煤岩渗透率变化的算例中,对Anderson 01煤样和Gilson 02煤样实验数据的模拟结果表明,本文提出的模型能很好的反映实验数据的变化规律。同时,与Shi-Durucan模型和Palmer-Mansoori模型的对比结果表明,本文模型能更好与实验数据吻合。通过对模型中所涉及参数的讨论表明煤样体积模量,Biot系数和孔隙压的系数对模拟结果有很大影响。对于不同气体吸附诱致不同煤岩渗透率变化的分析结果表明孔隙压随体积压的取值变化对模拟结果有着至关重要的作用。同样的,在气体吸附诱致煤岩膨胀的算例中,通过与实验数据和Cui模型的对比发现,本文模型能更好的反映实验数据的变化规律。(4)在考虑吸附效应的孔隙介质小变形弹性本构模型基础上,通过引入塑性势函数,同时基于孔隙介质应变和孔隙率变化的加法分解得到吸附作用下的孔隙介质小变形弹塑性本构方程。随后依据变形梯度乘法分解和孔隙率非线性演化方程,将小变形情况推广至大变形情况,得到相应的考虑吸附效应的孔隙介质大变形弹塑性本构方程。其中,通过假定固体基质小变形,得到了孔隙介质有限体积变形和非线性Lagrangian孔隙率之间的函数关系,进而导出了比表面积关于体积应变和Lagrangian孔隙率一阶导数的具体表达式。最后在传统孔隙介质弹塑性本构算法的基础上,通过最近点投影法得到了考虑界面效应的孔隙介质弹塑性本构算法。