土质边坡稳定性分析、土石坝渗流控制、天然气水合物的开发、地热资源的利用、高放废物地下处置等众多工程领域，都涉及到多相孔隙介质在变形、渗流、温度和化学等多场作用下的耦合问题。随着试验水平的提高和数值模拟技术的发展，多相孔隙介质多场耦合从理论到应用都有了很大发展。然而，由于各个物理过程之间强烈的耦合作用，如何发展建立在严格科学基础上的多场耦合数学模型，合理地描述固体骨架的变形、孔隙流体的流动、热量的传递、组分物质的迁移与扩散、化学反应以及相变等多种过程，如何提高数值方法的稳定性和收敛速度，对高度非线性的耦合模型实现准确、稳定、高效地求解，仍然是目前国内外岩土工程研究领域迫切需要解决而又十分困难的问题。　　面向天然气水合物开采，本文以孔隙介质理论和热力学理论为基础，从系统的平衡方程、热力学第二定律以及本构假定出发，严密地推导了孔隙介质的非线性多场耦合数学模型。基于有限元方法，重点考虑了非线性迭代和全耦合算法，系统研究了孔隙介质的非饱和渗流、固液气耦合、流固热化学耦合的高效计算方法，以及毛细滞回内变量模型和热弹塑性损伤本构模型的本构积分，建立了全耦合的非线性瞬态有限元模型，开发了相应的计算程序。主要内容可以分为以下几个部分:　　(1)描述非饱和渗流的Richards方程是具有强烈非线性的瞬态偏微分方程，通常需要采用有限元等数值方法并结合有效的迭代方法进行求解。Picard迭代法是实用的非线性计算方法，在非饱和渗流领域应用广泛，但经常会出现收敛震荡、速度缓慢和精度降低的问题。为提高计算性能，结合有限元法提出了一种高效的自适应松弛Picard法。通过模拟一维和二维渗流算例，并与传统方法的结果进行对比，对算法和程序的准确性、高效性和鲁棒性进行了验证。测试结果表明，该方法可以在保证计算精度的同时有效地减少数值震荡，提高收敛速度。　　(2)毛细滞回内变量模型是基于热动力学基本原理推导出来的持水特征本构模型，能够有效地描述干湿循环情况下非饱和土中的毛细滞回现象。研究了该模型的形式特点和数值积分方法，就经典的Euler法、4阶Runge-Kutta法和4阶Adams-Bashforth法的积分效果进行了对比。计算结果表明，Euler法精度很低，累计误差较大;4阶Adams-Bashforth法精度最高，且运算效率高于同阶的Runge-Kutta法，适合对该模型进行求解和参数标定。将基于Adams-Bashforth法的子程序集成到有限元程序中，两相渗流模拟结果的精度有了较大提高。　　(3)基于多相孔隙介质理论，采用Coussy有效应力，结合自适应松弛Picard迭代算法，发展了一种稳定高效的固液气全耦合有限元方法，并开发了相应的计算程序PorousH2M。对Liakopoulos砂柱排水、赤井浩一砂槽渗流等经典试验和非饱和地基弹塑性加载问题进行了模拟分析。研究结果表明，该有限元方法能准确描述固液气全耦合过程，保证计算的稳定性;自适应松弛Picard迭代算法可以在保证计算精度的同时有效地减少数值震荡，提高收敛速度;对于弹塑性问题，耦合分析中Newton-Raphson法存在“虚假卸载”的情况，即迭代过程中应力点进入弹性区又回到屈服面上，违背基本的物理事实，而Picard迭代算法则不存在该问题，更为合理。　　(4)基于多相孔隙介质理论，推导了针对天然气水合物分解开采的流固热化学耦合控制方程，准确地描述了孔隙介质中水合物的相变、气液两相渗流、热传导和骨架变形等过程。为了模拟含水合物岩土体的复杂力学变形特征，提出一种热弹塑性损伤本构模型，并拓展了显式次阶算法以实现模型的应力积分。结合自适应松弛Picard迭代算法，发展了全耦合的有限元计算方法，开发了相应的天然气水合物开采模拟软件PorousTH2MC。　　(5)利用PorousTH2MC软件对注热法和降压法开采水合物的算例进行了模拟分析，计算结果与现有的国际最高水平的同类软件（MH-21 HYDRES、Tough+Hydrate、STOMP-HYD等）的结果符合较好，证明了自主开发的计算软件是准确和稳定的。通过模拟欠平衡钻井过程，进一步验证了模型和算法在求解水合物分解导致的固体骨架软化变形问题方面的有效性。研究成果为今后系统开展天然气水合物的开采模拟研究奠定了良好的基础。　　本文的研究工作对多相孔隙介质多场耦合领域全耦合问题的分析和相应的有限元程序的开发应用提供了重要参考。