THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering TMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 颜丙乾任奋华蔡美峰郭奇峰乔趁 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian,REN Fen-hua,CAI Mei-feng.GUO Qi-feng.QIAO Chen 引用本文： 颜丙乾，任奋华，蔡美峰，郭奇峰，乔趁.THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述).工程科学学报， 2020,42(11):1389-1399.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.003 YAN Bing-qian,REN Fen-hua,CAI Mei-feng,GUO Qi-feng,QIAO Chen.A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(11):1389- 1399.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.003 在线阅读View online::htps/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报.2017,391)：31htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.01.004 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报.2017,398)：1278 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.08.019 临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 A review of bone cutting in surgery 工程科学学报.2019,41(6：709 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.002 氮含量对0Crl6Ni5Mo马氏体不锈钢高温热变形行为影响 Effect of nitrogen content on the hot deformation behavior of OCr16Ni5Mo martensitic stainless steel 工程科学学报.2017,39(10：1525htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.10.010 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报.2018.4011：1309htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.004 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报.2019,41(11：1374htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004

THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 颜丙乾 任奋华 蔡美峰 郭奇峰 乔趁 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian, REN Fen-hua, CAI Mei-feng, GUO Qi-feng, QIAO Chen 引用本文: 颜丙乾, 任奋华, 蔡美峰, 郭奇峰, 乔趁. THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述[J]. 工程科学学报, 2020, 42(11): 1389-1399. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003 YAN Bing-qian, REN Fen-hua, CAI Mei-feng, GUO Qi-feng, QIAO Chen. A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1389- 1399. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报. 2017, 39(1): 31 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.004 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报. 2017, 39(8): 1278 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.019 临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 A review of bone cutting in surgery 工程科学学报. 2019, 41(6): 709 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.002 氮含量对0Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢高温热变形行为影响 Effect of nitrogen content on the hot deformation behavior of 0Cr16Ni5Mo martensitic stainless steel 工程科学学报. 2017, 39(10): 1525 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.010 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报. 2018, 40(11): 1309 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.004 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报. 2019, 41(11): 1374 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004

工程科学学报.第42卷，第11期：1389-1399.2020年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.11:1389-1399,November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003;http://cje.ustb.edu.cn THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型 研究综述 颜丙乾12)，任奋华1,2)区，蔡美峰12)，郭奇峰12)，乔趁，2 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:renfenhua@126.com 摘要岩石多场耦合作用的研究已经开展了数十年，包括岩石在单一物理场、两场耦合或三场耦合作用效应的研究.然而 深部矿产资源开采和地下空间开发中岩体的赋存环境非常复杂，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂水化学环境中将发生 温度-水流-应力-化学(THMC)多场耦合作用.综合分析岩石多场耦合作用下的裂隙演化、变形力学机制、力学本构和耦合 模型构建等方面的研究，在分析岩石强度理论的基础上得出岩石多场耦合本构模型以及岩石蠕变本构模型.不同行业对岩 石多场耦合作用的研究重点存在一定的差异，岩石多场耦合作用不仅涉及到矿产资源开发、油气田开采、地热资源开发等资 源能源领域，其在水利水电工程、高寒工程、地下工程、地下核废料处置及深埋能源储库等领域也是研究的重点.岩石在高 应力、水流、高温和化学作用下，不仅会发生耦合作用，而且会对岩石本身的物理力学性能产生影响.分析研究多场耦合作用 下岩石的力学性能对于预防事故发生和保障工程安全开展具有重要的现实意义.最后探讨分析了岩石多场耦合研究的重 点、难点和今后研究的方向，为工程实践和相关问题的解决提供参考. 关键词裂隙岩体：多场耦合：损伤演化：岩石蠕变：本构模型 分类号TG741.7 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian REN Fen-hua CAl Mei-feng2)GUO Qi-feng2),QIAO Chen2 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:renfenhua @126.com ABSTRACT The study of multi-field coupling of rocks has been carried out for decades,including the effects of single physical field, two-field coupling,and three-field coupling of rocks.However,the occurrence environment of rock mass in deep mining of mineral resources and underground space development is very complex.Thermal-hydrological-mechanical-chemical (THMC)multi-field coupling effect will occur in rock mass under high temperature,high osmotic pressure,high stress,and complex hydrochemical environment.The multi-field coupling of rocks is not the simple superposition of multiple physical fields,but the mutual influence and action of each physical field.The research on fracture evolution,deformation mechanics mechanism,mechanical constitutive and coupling model construction was comprehensively analyzed.Based on the analysis of rock strength theory,the development of a rock multi-field coupling constitutive model and a rock creep constitutive model were obtained.There are some differences in the research focus of multi-field coupling of rocks for different industries.The multi-field coupling of rocks not only involves the development of 收稿日期：2019-07-29 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51774022)：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804101)

THMC 多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型 研究综述 颜丙乾1,2)，任奋华1,2) 苣，蔡美峰1,2)，郭奇峰1,2)，乔    趁1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：renfenhua @126.com 摘    要    岩石多场耦合作用的研究已经开展了数十年，包括岩石在单一物理场、两场耦合或三场耦合作用效应的研究. 然而 深部矿产资源开采和地下空间开发中岩体的赋存环境非常复杂，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂水化学环境中将发生 温度–水流–应力–化学（THMC）多场耦合作用. 综合分析岩石多场耦合作用下的裂隙演化、变形力学机制、力学本构和耦合 模型构建等方面的研究，在分析岩石强度理论的基础上得出岩石多场耦合本构模型以及岩石蠕变本构模型. 不同行业对岩 石多场耦合作用的研究重点存在一定的差异，岩石多场耦合作用不仅涉及到矿产资源开发、油气田开采、地热资源开发等资 源能源领域，其在水利水电工程、高寒工程、地下工程、地下核废料处置及深埋能源储库等领域也是研究的重点. 岩石在高 应力、水流、高温和化学作用下，不仅会发生耦合作用，而且会对岩石本身的物理力学性能产生影响. 分析研究多场耦合作用 下岩石的力学性能对于预防事故发生和保障工程安全开展具有重要的现实意义. 最后探讨分析了岩石多场耦合研究的重 点、难点和今后研究的方向，为工程实践和相关问题的解决提供参考. 关键词    裂隙岩体；多场耦合；损伤演化；岩石蠕变；本构模型 分类号    TG741.7 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian1,2) ，REN Fen-hua1,2) 苣 ，CAI Mei-feng1,2) ，GUO Qi-feng1,2) ，QIAO Chen1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: renfenhua @126.com ABSTRACT    The study of multi-field coupling of rocks has been carried out for decades, including the effects of single physical field, two-field coupling, and three-field coupling of rocks. However, the occurrence environment of rock mass in deep mining of mineral resources  and  underground  space  development  is  very  complex.  Thermal –hydrological –mechanical –chemical  (THMC)  multi-field coupling  effect  will  occur  in  rock  mass  under  high  temperature,  high  osmotic  pressure,  high  stress,  and  complex  hydrochemical environment. The multi-field coupling of rocks is not the simple superposition of multiple physical fields, but the mutual influence and action  of  each  physical  field.  The  research  on  fracture  evolution,  deformation  mechanics  mechanism,  mechanical  constitutive  and coupling model construction was comprehensively analyzed. Based on the analysis of rock strength theory, the development of a rock multi-field coupling constitutive model and a rock creep constitutive model were obtained. There are some differences in the research focus of multi-field coupling of rocks for different industries. The multi-field coupling of rocks not only involves the development of 收稿日期: 2019−07−29 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目（51774022）；国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804101） 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期：1389−1399，2020 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 11: 1389−1399, November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003; http://cje.ustb.edu.cn

·1390 工程科学学报，第42卷，第11期 mineral resources,oil and gas fields,geothermal resources and other resources and energy fields,but also water conservancy and hydropower engineering,alpine engineering,underground engineering,underground nuclear waste disposal,and deep buried energy storage.Under the action of high stress,seepage,high temperature and chemical action,not only will the coupling effect occur,but the physical and mechanical properties of rock itself will be affected.It is of great practical significance to analyze and study the mechanical properties of rocks under the action of multi-field coupling for preventing accidents and ensuring engineering safety.Finally,the key and difficult points of rock multi field coupling research and the direction of future research were discussed,which provides a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS fractured rock;multi-field coupling;damage evolution;rock creep;constitutive model 随着地下空间开发和矿产资源开采的纵深向 深部岩体围岩失稳一般表现出明显的时间效应， 发展，岩石的赋存条件变得更为复杂四，处在高地 岩石在长期载荷作用及高温、水流、化学等多场 应力、高温、高渗透水压和复杂水化学环境中的 环境中会出现蠕变变形-蠕变损伤-蠕变断裂，因 岩体将发生极其复杂的温度-水流-应力-化学 此研究多场耦合作用下岩石的蠕变特性是岩石长 (THMC)多场耦合作用回.关于岩石多场耦合的研 期稳定性的研究重点方向. 究开始于20世纪50年代对水库诱发地震的研究 THMC多场耦合作用下岩石的研究工作非常 和分析，岩石的多场耦合并非所处多种物理场的 复杂，近年来相关学者在多场耦合理论和实验等 简单叠加，而是各个物理场之间的相互影响和作 方面开展了一定的研究工作，为了进一步开展相 用.岩石的两场或多场耦合作用主要有两种方式， 关研究工作，有必要结合不同研究背景及其在该 分别为直接耦合和贯序耦合).直接耦合法无需将 领域的研究特点，系统分析国内外在岩石多场耦 温度、水流、应力和化学四场反复迭代，只是不同 合方面的研究经验和阶段性成果，明确下一步的 物理场的直接耦合.贯序耦合是多场耦合研究中 研究方向和研究重点，为未来相关研究工作的开 常用的耦合模式，对多物理场进行相互迭代耦合 展提供一定的借鉴和参考 分析，当迭代收敛时则得出耦合问题的解 1裂隙岩体变形力学性能 岩体由完整岩块及裂隙构成，多场耦合条件 下对岩石的研究主要集中在裂隙岩体的损伤演化 1.1多场耦合岩石变形研究概述 特性和不同物理场对岩石物理力学特性的综合影 天然岩体自身含有微裂隙等缺陷，同时受水、 响.为此，学者引入损伤场来定量描述多场耦合作 温度、水化学等因素影响会引起岩石材料的劣化， 用下岩石材料的劣化、裂隙的萌生及演化，构建损 因此在多场耦合研究中，许多学者引入损伤场来 伤因子来表述材料的初始损伤及温度、水流、应 表述岩石的损伤.油页岩由有机质和矿物质组成， 力和化学作用对材料造成的变形等影响.岩石的 其内部微裂纹、微孔洞等初始损伤在应力作用下 损伤不仅与岩石所处的多物理场密切相关，同时 发生损伤演化、裂隙扩展最终形成宏观裂隙，从 也受岩石自身内部细观特征、孔隙率及构造特征 图1中可以直观看出岩石在应力-化学损伤作用 等特性的影响) 下岩石的损伤演化过程和劣化过程 目前，多场耦合作用下岩石的裂隙演化、变形 机制、力学本构和耦合模型构建等成为岩石力学 领域当前研究的热点、难点问题，得到了各国相关 领域学者的高度重视.加拿大在1992年开始的国 际重大合作项目DECOVALEX(Demonstration of coupled models and their validation against experiment) 中，进行了大量的多尺度室内和现场多场耦合试 验可，项目开发并验证了岩体热-水-力交叉耦合模 型，代表了当时的最高研究水平.2003年开始的 Organic matter DECOVALEX-THMC(2004一2007)计划，在THM No damage in rocks Mechanical damage to rock 三场耦合的基础上增加了化学场，中国科学院武汉 图1油页岩应力、化学损伤表征单元网 岩土力学所加入了该计划第四阶段的合作研究6刀 Fig.1 Characterization unit of stress and chemical damage in oil shalels

mineral  resources,  oil  and  gas  fields,  geothermal  resources  and  other  resources  and  energy  fields,  but  also  water  conservancy  and hydropower  engineering,  alpine  engineering,  underground  engineering,  underground  nuclear  waste  disposal,  and  deep  buried  energy storage. Under the action of high stress, seepage, high temperature and chemical action, not only will the coupling effect occur, but the physical and mechanical properties of rock itself will be affected. It is of great practical significance to analyze and study the mechanical properties of rocks under the action of multi-field coupling for preventing accidents and ensuring engineering safety. Finally, the key and difficult points of rock multi field coupling research and the direction of future research were discussed, which provides a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS    fractured rock；multi-field coupling；damage evolution；rock creep；constitutive model 随着地下空间开发和矿产资源开采的纵深向 发展，岩石的赋存条件变得更为复杂[1] ，处在高地 应力、高温、高渗透水压和复杂水化学环境中的 岩体将发生极其复杂的温度–水流–应力–化学 （THMC）多场耦合作用[2] . 关于岩石多场耦合的研 究开始于 20 世纪 50 年代对水库诱发地震的研究 和分析，岩石的多场耦合并非所处多种物理场的 简单叠加，而是各个物理场之间的相互影响和作 用. 岩石的两场或多场耦合作用主要有两种方式， 分别为直接耦合和贯序耦合[3] . 直接耦合法无需将 温度、水流、应力和化学四场反复迭代，只是不同 物理场的直接耦合. 贯序耦合是多场耦合研究中 常用的耦合模式，对多物理场进行相互迭代耦合 分析，当迭代收敛时则得出耦合问题的解. 岩体由完整岩块及裂隙构成，多场耦合条件 下对岩石的研究主要集中在裂隙岩体的损伤演化 特性和不同物理场对岩石物理力学特性的综合影 响. 为此，学者引入损伤场来定量描述多场耦合作 用下岩石材料的劣化、裂隙的萌生及演化，构建损 伤因子来表述材料的初始损伤及温度、水流、应 力和化学作用对材料造成的变形等影响. 岩石的 损伤不仅与岩石所处的多物理场密切相关，同时 也受岩石自身内部细观特征、孔隙率及构造特征 等特性的影响[4] . 目前，多场耦合作用下岩石的裂隙演化、变形 机制、力学本构和耦合模型构建等成为岩石力学 领域当前研究的热点、难点问题，得到了各国相关 领域学者的高度重视. 加拿大在 1992 年开始的国 际重大合作项 目 DECOVALEX（ Demonstration  of coupled models and their validation against experiment） 中，进行了大量的多尺度室内和现场多场耦合试 验[5] ，项目开发并验证了岩体热–水–力交叉耦合模 型，代表了当时的最高研究水平. 2003 年开始的 DECOVALEX–THMC(2004—2007) 计划，在 THM 三场耦合的基础上增加了化学场，中国科学院武汉 岩土力学所加入了该计划第四阶段的合作研究[6−7] . 深部岩体围岩失稳一般表现出明显的时间效应， 岩石在长期载荷作用及高温、水流、化学等多场 环境中会出现蠕变变形–蠕变损伤–蠕变断裂，因 此研究多场耦合作用下岩石的蠕变特性是岩石长 期稳定性的研究重点方向. THMC 多场耦合作用下岩石的研究工作非常 复杂，近年来相关学者在多场耦合理论和实验等 方面开展了一定的研究工作. 为了进一步开展相 关研究工作，有必要结合不同研究背景及其在该 领域的研究特点，系统分析国内外在岩石多场耦 合方面的研究经验和阶段性成果，明确下一步的 研究方向和研究重点，为未来相关研究工作的开 展提供一定的借鉴和参考. 1    裂隙岩体变形力学性能 1.1    多场耦合岩石变形研究概述 天然岩体自身含有微裂隙等缺陷，同时受水、 温度、水化学等因素影响会引起岩石材料的劣化， 因此在多场耦合研究中，许多学者引入损伤场来 表述岩石的损伤. 油页岩由有机质和矿物质组成， 其内部微裂纹、微孔洞等初始损伤在应力作用下 发生损伤演化、裂隙扩展最终形成宏观裂隙，从 图 1 中可以直观看出岩石在应力–化学损伤作用 下岩石的损伤演化过程和劣化过程. Chemical damage to rock No damage in rocks Mineral Organic matter No damage in rocks Mechanical damage to rock 图 1    油页岩应力、化学损伤表征单元[8] Fig.1    Characterization unit of stress and chemical damage in oil shale[8] · 1390 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期

颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 1391· 谭贤君等将损伤加人岩石热-水-力三场耦 444444 合作用模式中，考虑了损伤对热学参数、水流参数 和力学参数的影响，建立了图2所示的耦合作用 In-situ stress 模式图 Thermal (T) Hydraulic stress ③ ④ Circumferential temperature stress ① @ ⑤ ⑥ Damage (D) 图3高地温隧洞受力示意图 ⑦ O Fig.3 Diagram of stress on tunnel with high geothermal temperature ⑧ ① ⑨ Hydrological Mechanical Chemical 田 ② (M) (C) 图2THMD耦合作用模式 Fig.2 THMD coupling mechanism 利用连续介质理论建立三场耦合中任意一场 Hydrological 受其他两场影响的数学模型，用以指导迭代法分 H 析三场耦合.在岩石三场耦合计算中使用BB模型 和Oda裂隙张量理论，得出用以分析裂隙对三场 Thermal Mechanical (T) -1”21221221122111 (M) 耦合影响的二维有限元程序.依据静力平衡理 论、质量守恒和能力守恒定律，分析得出孔隙介质 图4填埋场灾变过程的多物理场耦合特征示意图 模型的温度-水流-应力三场耦合控制方程，用于 Fig.4 Schematic diagram of the characteristics of multi-physics 隧道、深部采矿、核废料处置等深部工程中的温 coupling for landfill catastrophe 度-水流-应力(THM)三场耦合计算山核废料处理、 石多场耦合条件下的相互作用进行研究，揭示岩 矿产资源深部开采、地热能源的开发以及高地温 石多场耦合作用下的变形破坏规律和损伤演化规 条件下的水工高压引水隧洞的多场耦合作用是目 律.岩石多场耦合效应研究涉及地质学、损伤力 前的研究热点之一，但是前期的研究主要集中在 学、固体力学、流体力学、化学等多个学科.处 水力耦合作用方面，对于高地温引水隧洞（图3）， 在复杂环境中的多场耦合作用下的岩体称为复杂 必须考虑高梯度的温度场的耦合作用对围岩的力 岩体，图5为裂隙岩体的变性特征总体描述，对复 学特性和变形破坏的影响，.目前研究的THM三 杂岩体的变形破坏机制进行研究 场耦合计算模型考虑了弹性模型、渗透系数和热 1.2深部岩石多场耦合试验 传导系数等物理力学参数，但是为了更好地反映 由于深部岩石处在高温、高渗透压、高地应力 脆性岩石的裂化特征需要进一步完善THM模型， 和复杂水化学环境中，因此岩石THMC多场耦合 用以更好地反映岩石的峰后强度变化特征 作用是当前研究的重点，多场耦合岩体常见的场 垃圾填埋场在THMC多场耦合作用下的边坡 及耦合关系如图6所示.由于流固热化学耦合作 失稳等工程灾害是多场耦合研究的工程实例之一， 用过程非常复杂，涉及到温度对岩石力学性能影 填埋场边坡失稳的多场耦合作用示意图如图4所 响、裂隙岩体应力响应、岩体水流特性、水岩化学 示.为了减少污染物的无组织释放，降低垃圾填埋 反应等多个方面，学者因此开展了多项相关研究， 场的灾变事故，系统研究多场耦合作用下填埋场 研究了岩石多场耦合作用下岩石破坏演化机制和 的灾变过程非常重要] 多场耦合效应 岩体在THMC多场耦合作用下的研究，主要 在岩石多场耦合问题研究中，不同行业对于 以岩体所处的地质条件和赋存环境为依据，以实 此类问题的定义和研究重点有一定差异.对于考 验室试验、理论分析和数值模拟为主要方法，对岩 虑水-力两场耦合的问题，有流固耦合、水-岩相互

谭贤君等[9] 将损伤加入岩石热–水–力三场耦 合作用模式中，考虑了损伤对热学参数、水流参数 和力学参数的影响，建立了图 2 所示的耦合作用 模式图. 利用连续介质理论建立三场耦合中任意一场 受其他两场影响的数学模型，用以指导迭代法分 析三场耦合. 在岩石三场耦合计算中使用 BB 模型 和 Oda 裂隙张量理论，得出用以分析裂隙对三场 耦合影响的二维有限元程序[10] . 依据静力平衡理 论、质量守恒和能力守恒定律，分析得出孔隙介质 模型的温度–水流–应力三场耦合控制方程，用于 隧道、深部采矿、核废料处置等深部工程中的温 度–水流–应力（THM）三场耦合计算[11] . 核废料处理、 矿产资源深部开采、地热能源的开发以及高地温 条件下的水工高压引水隧洞的多场耦合作用是目 前的研究热点之一，但是前期的研究主要集中在 水力耦合作用方面，对于高地温引水隧洞（图 3）， 必须考虑高梯度的温度场的耦合作用对围岩的力 学特性和变形破坏的影响[12] . 目前研究的 THM 三 场耦合计算模型考虑了弹性模型、渗透系数和热 传导系数等物理力学参数，但是为了更好地反映 脆性岩石的裂化特征需要进一步完善 THM 模型， 用以更好地反映岩石的峰后强度变化特征. 垃圾填埋场在 THMC 多场耦合作用下的边坡 失稳等工程灾害是多场耦合研究的工程实例之一， 填埋场边坡失稳的多场耦合作用示意图如图 4 所 示. 为了减少污染物的无组织释放，降低垃圾填埋 场的灾变事故，系统研究多场耦合作用下填埋场 的灾变过程非常重要[13] . 岩体在 THMC 多场耦合作用下的研究，主要 以岩体所处的地质条件和赋存环境为依据，以实 验室试验、理论分析和数值模拟为主要方法，对岩 石多场耦合条件下的相互作用进行研究，揭示岩 石多场耦合作用下的变形破坏规律和损伤演化规 律. 岩石多场耦合效应研究涉及地质学、损伤力 学、固体力学、流体力学[14]、化学等多个学科. 处 在复杂环境中的多场耦合作用下的岩体称为复杂 岩体，图 5 为裂隙岩体的变性特征总体描述，对复 杂岩体的变形破坏机制进行研究. 1.2    深部岩石多场耦合试验 由于深部岩石处在高温、高渗透压、高地应力 和复杂水化学环境中，因此岩石 THMC 多场耦合 作用是当前研究的重点，多场耦合岩体常见的场 及耦合关系如图 6 所示. 由于流固热化学耦合作 用过程非常复杂，涉及到温度对岩石力学性能影 响、裂隙岩体应力响应、岩体水流特性、水岩化学 反应等多个方面，学者因此开展了多项相关研究， 研究了岩石多场耦合作用下岩石破坏演化机制和 多场耦合效应. 在岩石多场耦合问题研究中，不同行业对于 此类问题的定义和研究重点有一定差异. 对于考 虑水–力两场耦合的问题，有流固耦合、水–岩相互 Hydrological (H) Thermal (T) Damage (D) 11 Mechanical (M) 12 8 9 3 4 1 2 5 6 7 10 图 2    THMD 耦合作用模式 Fig.2    THMD coupling mechanism Circumferential temperature stress Hydraulic stress In-situ stress 图 3    高地温隧洞受力示意图 Fig.3    Diagram of stress on tunnel with high geothermal temperature Chemical (C) Hydrological (H) Thermal (T) Mechanical (M) 图 4    填埋场灾变过程的多物理场耦合特征示意图 Fig.4     Schematic  diagram  of  the  characteristics  of  multi-physics coupling for landfill catastrophe 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 · 1391 ·

1392 工程科学学报.第42卷，第11期 (d)Effective normal stress (a)Effective confining pressure 0'=0。P =一D Interface (b)Volume deformation (e)Normal deformation of fracture Fractured rock mass △ △4 (c)Shear deformation (f)Tangential deformation of fracture 图5裂隙岩体变形的总体描述1 Fig.5 General description of fractured rock masses deformation!is 的多场耦合侧重于研究岩石在温度-水-应力-化 Mechanical Hydrological Me ca 学4场的耦合效应地下工程现场原位试验是一 个长期系统的研究过程，研究涉及岩石所处的应 Hydrological Mechanical 力场、温度场、水流场、化学场以及引入的损伤 场，通过研究现场的作用机理和耦合效应，建立多 Thermal ! Rock Mechanical +structure Mechanical 场耦合本构关系，拓展多物理场的数值模拟技术. field Griggs试验研究了不同应力、围压及不同 Physical 温度条件下盐岩的单轴、三轴蠕变试验，得出岩石 Physical property。 的松弛特性并探讨了岩石的蠕变破坏准则. olute Malan0通过试验发现对于埋深2000m以上的南 Chemical Thermal field -Thermal- field 非金矿深部岩石，即使是坚硬的石英岩和火成岩， ------Solute------= 岩石流变效应十分显著，稳态蠕变速率达0.7mh1 图6多场耦合岩体常见的场及耦合关系%) 以上.徐卫亚等四通过试验研究了水电站坝基绿 Fig.6 Common fields and coupling relationships of multi-field coupled 片岩的三轴压缩流变特性，得出了不同围压时岩 rock mass 石的轴向应变和侧向应变的变化规律及岩石流变 作用、水-力耦合作用等不同的概念，其中流固耦 破坏机理，最终建立了岩石七元件非线性黏弹塑 合主要侧重于研究固体介质和流体之间的耦合效 性流变模型.张向东等四通过泥岩分级加载散珠 应和规律，水-岩相互作用则侧重于对岩石和水发 蠕变试验，得出岩石轴压恒定时，瞬时弹性变形和 生的化学反应规律及其表现的化学性能？-1网，水- 蠕变变形随着围压的增大而减小，当围压恒定时，瞬 力耦合作用主要研究多场耦合中岩石在水和应力 时弹性变形和蠕变变形随着轴压的增大而增大. 两场耦合作用下岩石的力学性能及变形破坏规 对于在水流和应力两场耦合作用下的岩体， 律.对于核废料处置及滨海深部矿山开采等领域 考虑损伤的影响，这类问题研究开展时间较短.在

作用、水–力耦合作用等不同的概念，其中流固耦 合主要侧重于研究固体介质和流体之间的耦合效 应和规律，水–岩相互作用则侧重于对岩石和水发 生的化学反应规律及其表现的化学性能[17−18] ，水– 力耦合作用主要研究多场耦合中岩石在水和应力 两场耦合作用下岩石的力学性能及变形破坏规 律. 对于核废料处置及滨海深部矿山开采等领域 的多场耦合侧重于研究岩石在温度–水–应力–化 学 4 场的耦合效应[9] . 地下工程现场原位试验是一 个长期系统的研究过程，研究涉及岩石所处的应 力场、温度场、水流场、化学场以及引入的损伤 场，通过研究现场的作用机理和耦合效应，建立多 场耦合本构关系，拓展多物理场的数值模拟技术. Griggs[19] 试验研究了不同应力、围压及不同 温度条件下盐岩的单轴、三轴蠕变试验，得出岩石 的 松 弛 特 性 并 探 讨 了 岩 石 的 蠕 变 破 坏 准 则 . Malan[20] 通过试验发现对于埋深 2000 m 以上的南 非金矿深部岩石，即使是坚硬的石英岩和火成岩， 岩石流变效应十分显著，稳态蠕变速率达 0.7 m∙h–1 以上. 徐卫亚等[21] 通过试验研究了水电站坝基绿 片岩的三轴压缩流变特性，得出了不同围压时岩 石的轴向应变和侧向应变的变化规律及岩石流变 破坏机理，最终建立了岩石七元件非线性黏弹塑 性流变模型. 张向东等[22] 通过泥岩分级加载散珠 蠕变试验，得出岩石轴压恒定时，瞬时弹性变形和 蠕变变形随着围压的增大而减小，当围压恒定时，瞬 时弹性变形和蠕变变形随着轴压的增大而增大. 对于在水流和应力两场耦合作用下的岩体， 考虑损伤的影响，这类问题研究开展时间较短. 在 (a) Effective confining pressure (b) Volume deformation (f) Tangential deformation of fracture (c) Shear deformation (e) Normal deformation of fracture Fractured rock mass (d) Effective normal stress Interface p 1 1 ΔP Δp ΔP' Δεv Δus Δus σs σs Δσs Δσn Δσ'n σn kn σ'n=σn−p Δun Δun Δp o Δσs o o G ks 1 1 2εs K o P'=P−p p 图 5    裂隙岩体变形的总体描述[15] Fig.5    General description of fractured rock masses deformation[15] Hydrological field Chemical field Thermal field Mechanical field Mechanical Mechanical Mechanical Mechanical Hydrological Hydrological Hydrological Hydrological Thermal Thermal Thermal Thermal Solute Solute Solute Physical property Physical property Physical property Physical property Rock structure field Solute 图 6    多场耦合岩体常见的场及耦合关系[16] Fig.6    Common fields and coupling relationships of multi-field coupled rock mass[16] · 1392 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期