THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering TMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 颜丙乾任奋华蔡美峰郭奇峰乔趁 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation 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力学实验与数值模拟研究进展.工程科学学报，2021， 43(1:47-57.doi:10.13374j.issn2095-9389.2019.07.29.005 YAN Bing-qian,REN Fen-hua,CAI Mei-feng,GUO Qi-feng.QIAO Chen.Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(1):47-57.doi: 10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报.2019,41(11)：1433 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.23.002 一种光敏树脂结构的力学性能 Mechanical properties of a photosensitive resin structure 工程科学学报.2019,41(4：512 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.04.012 轧辊交叉对中间坯镰刀弯生成过程的影响 Influence of crossed roller on generating camber in hot rough rolling 工程科学学报.2018.40(8：954 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.08.009 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报.2020,42(6)：731 https::1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.002 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:oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004 高地应力硬岩下双孔并行隧道相似模型试验及数值模拟 Similarity model test and numerical simulation of double parallel-tunnel excavation in hard rock under high ground-stress conditions 工程科学学报.2017,39(5：786 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.018

THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 颜丙乾 任奋华 蔡美峰 郭奇峰 乔趁 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation 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力学实验与数值模拟研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(1): 47-57. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 YAN Bing-qian, REN Fen-hua, CAI Mei-feng, GUO Qi-feng, QIAO Chen. Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 47-57. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报. 2019, 41(11): 1433 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002 一种光敏树脂结构的力学性能 Mechanical properties of a photosensitive resin structure 工程科学学报. 2019, 41(4): 512 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.012 轧辊交叉对中间坯镰刀弯生成过程的影响 Influence of crossed roller on generating camber in hot rough rolling 工程科学学报. 2018, 40(8): 954 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.009 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报. 2020, 42(6): 731 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 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 高地应力硬岩下双孔并行隧道相似模型试验及数值模拟 Similarity model test and numerical simulation of double parallel-tunnel excavation in hard rock under high ground-stress conditions 工程科学学报. 2017, 39(5): 786 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.018

工程科学学报.第43卷，第1期：47-57.2021年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.1:47-57,January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005;http://cje.ustb.edu.cn THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究 进展 颜丙乾12)，任奋华12)，蔡美峰1,2，郭奇峰12)区，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:qifeng_.024@163.com 摘要岩石多场耦合作用的研究是当前研究的热点难点问题，为了更好的分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主 要通过实验和数值模拟两方面进行研究.在总结国内外多场耦合微观-细观-宏观多尺度力学试验设备的改进和研发、数值 模拟软件及耦合计算程序的开发等方面的研究现状的基础上，展望多场多相耦合作用下岩石力学实验设备和数值分析的研 究方向.为了研究岩石多场耦合作用下的力学性能，通过改进和研发设计了不同物理场多场耦合试验系统，在开发试验设备 的基础上引起和发展现代无损探测手段，比如实时CT(Computed tomography)扫描技术，电镜扫描技术(SEM)、核磁共振技术 (NMRI)、X射线立体成像法、超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度- 水流-应力-化学(THMC)多场耦合作用中各物理场的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度得出岩石在多场耦合 作用下的性能.随着计算机技术的进步，岩石多场耦合作用下的数值模拟软件及耦合计算程序的开发有了一定的发展，特别 是TOUGHREACT与FLAC3D相结合的THMC四场耦合作用的数值模拟软件和数值仿真软件Comsol与Matlab对接的多场 耦合计算程序的开发，为岩石多场耦合模拟的开展提供了技术支持. 关键词裂隙岩体：多场耦合：无损检测：有限元：实验设备：数值模拟软件 分类号TG741.7 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian2 REN Fen-hua2)CAl Mei-feng2,GUO Qi-feng 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:qifeng 024@163.com ABSTRACT The study of multi-field coupling of rocks is currently a pressing and difficult problem at present.To better analyze the interaction mechanism of rocks under of multi-field coupling,research is mainly carried out by experiment and numerical simulation.On the basis of summarizing the research and development of multi-field coupling micro-meso-macro multi-scale mechanical test equipment at home and abroad,and the developments of numerical simulation software and coupling calculation program,the development direction of rock mechanical test equipment and numerical analysis under multi field and multi-phase coupling are prospected.To study the mechanical properties of rocks under multi-field coupling,a multi-field coupling test system with different physical fields was designed by improvement through research and development.Based on the development of the test equipment,modern non-destructive detection methods,such as real-time computed tomography (CT)scanning technology,scanning electron microscopy (SEM),nuclear 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力学实验与数值模拟研究 进展 颜丙乾1,2)，任奋华1,2)，蔡美峰1,2)，郭奇峰1,2) 苣，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: qifeng_024@163.com 摘    要    岩石多场耦合作用的研究是当前研究的热点难点问题，为了更好的分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主 要通过实验和数值模拟两方面进行研究. 在总结国内外多场耦合微观–细观–宏观多尺度力学试验设备的改进和研发、数值 模拟软件及耦合计算程序的开发等方面的研究现状的基础上，展望多场多相耦合作用下岩石力学实验设备和数值分析的研 究方向. 为了研究岩石多场耦合作用下的力学性能，通过改进和研发设计了不同物理场多场耦合试验系统，在开发试验设备 的基础上引起和发展现代无损探测手段，比如实时 CT（Computed tomography）扫描技术，电镜扫描技术（SEM）、核磁共振技术 （NMRI）、X 射线立体成像法、超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度− 水流−应力−化学（THMC）多场耦合作用中各物理场的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度得出岩石在多场耦合 作用下的性能. 随着计算机技术的进步，岩石多场耦合作用下的数值模拟软件及耦合计算程序的开发有了一定的发展，特别 是 TOUGHREACT 与 FLAC3D 相结合的 THMC 四场耦合作用的数值模拟软件和数值仿真软件 Comsol 与 Matlab 对接的多场 耦合计算程序的开发，为岩石多场耦合模拟的开展提供了技术支持. 关键词    裂隙岩体；多场耦合；无损检测；有限元；实验设备；数值模拟软件 分类号    TG741.7 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian1,2) ，REN Fen-hua1,2) ，CAI Mei-feng1,2) ，GUO Qi-feng1,2) 苣 ，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: qifeng_024@163.com ABSTRACT    The study of multi-field coupling of rocks is currently a pressing and difficult problem at present. To better analyze the interaction mechanism of rocks under of multi-field coupling, research is mainly carried out by experiment and numerical simulation. On the basis of summarizing the research and development of multi-field coupling micro-meso-macro multi-scale mechanical test equipment at  home  and  abroad,  and  the  developments  of  numerical  simulation  software  and  coupling  calculation  program,  the  development direction of rock mechanical test equipment and numerical analysis under multi field and multi-phase coupling are prospected. To study the  mechanical  properties  of  rocks  under  multi-field  coupling,  a  multi-field  coupling  test  system  with  different  physical  fields  was designed by improvement through research and development. Based on the development of the test equipment, modern non-destructive detection methods, such as real-time computed tomography (CT) scanning technology, scanning electron microscopy (SEM), nuclear 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 43 卷，第 1 期：47−57，2021 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 1: 47−57, January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005; http://cje.ustb.edu.cn

48 工程科学学报，第43卷，第1期 magnetic resonance imaging (NMRI),X-ray stereo imaging and ultrasonography,were developed.Acoustic wave technology can not only nondestructively detect the micro-structure and evolution process of rock internal pores,but also clarify the macro-relationship of rock physical fields in the multi-field coupling action of thermal-hydrological-mechanical-chemical (THMC),and further clarify the rock performance under multi-field coupling action from the perspective of a combination of micro and macro scales.With the advancement of computer technology,the development of numerical simulation software and coupling calculation program under multi-field coupling of rock has made certain progress.Especially,the development of the numerical simulation software of THMC four-field coupling interaction combined with TOUGHREACT and FLAC3D,and the multi-field coupling calculation program of Comsol docking with MATLAB provide technical supports for the development of multi-field coupling simulation of rocks.Finally,the key difficulties and future research directions of rock multi-field coupling research were discussed and analyzed,which can provide a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS fractured rock;multi-field coupling;nondestructive testing;finite element;experimental equipment;numerical simulation software 深部能源与资源开采中，经常渗及到复杂的 力学试验机，随着试验机的改进和研究，出现了美 赋存环境，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂 国、德国生产的液压伺服试验机和通过计算机控 水化学环境中将发生多场耦合效应.场的概念源 制操作的试验机-习，日本研发的通过计算机控制 于物理学中的电场、磁场等，在岩石力学相关研究 的大型结构试验机，长春朝阳试验机厂)研制的 中涉及到的场主要有应力场、温度场、水流场、化 岩石三轴流变仪、岩石三轴试验机以及岩石三轴 学场、变形场、结构场等.在开挖过程中，岩石所 流变试验系统山 处的作用场不断演化，最终在多场作用下会出现 1.1多场耦合实验设备的改进与优化 直接耦合和间接耦合、双向耦合和单向耦合等不 随着岩石多场耦合作用研究的深入，科研人 同的多场耦合关系.近年来，岩石多场耦合作用相 员开始专注于研制高温高压条件下的三轴试验 关的项目收到业界的广泛关注，为了更好地分析 机，辅助以围压和温度加载及数据采集记录系统， 岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主要通 试验研究温度-应力一化学多场耦合作用下深部页 过实验和数值模拟两方面进行研究 岩的蠕变性能，建立考虑环境温度和化学作用的 国内外学者早期对于岩石多场耦合作用下的力 高应力页岩非线性蠕变模型，得出描述岩石温度- 学试验研究，主要通过单一场作用、两场作用的试 应力-化学三场耦合效应的数学模型，运用ANSYS 验研究不同场对岩石力学性能的影响，主要集中在 有限元对岩石微细观结构和温度一应力一化学多场 应力场、水流场、温度场方面.近年来随着实验设备 耦合作用下的蠕变性能进行数值模拟，验证实验 的改进和升级，基于不同研究背景的应力场、水流 设备和蠕变模型的适用性 场、温度场、化学场综合考虑的多场耦合作用的试 图1所示的三轴耦合试验机是由法国里尔科 验设备不断出现，同时研究岩石损伤及破坏过程的 技大学研发的，设备可以同时施加围压、轴向偏应 微观试验设备也逐渐得到创新.另外，在模拟多场 力和孔隙水压力可，可同时得出轴向应力、轴向应 耦合作用下的岩石破坏过程中，传统的有限元模型 变和侧向应变，三轴室示意图如图2所示.该设备 通常建立在岩石理想的连续各向同性体的抽象模型 新用岩石试件尺寸一般为50mm×100mm(两端 上，很难准确描述有明显各向异性特征的岩石的力 面平整度误差一般小于0.01mm),围压最大可达 学性能，因此其数值模拟的结果也将失去参考价值 到60MPa.偏应力最大可达到300MPa.孔隙水压 随着有限元的发展，如今的研究中，已经将岩石的物 力最大为60MPa 理力学参数通过试验得出，并应用到数值模拟中 岩石的耦合渗透性受岩石多场耦合作用的影 计算机技术的发展和数值模拟软件的发展为研究岩 响，作用机理复杂，因此需要研究岩石在水流一应 石多场耦合作用下的相关研究提供了较大的帮助， 力一化学多场耦合作用下围压、渗透压、水化学性 为很多世界难题的研究提供了参考 质等多种因素对裂隙岩体力学性能的影响.裂隙 岩石耦合作用下的力学试验系统如图3所示，试 实验装置研发和实验方法拓展 验中可用的液压稳定控制台包括稳压控制台（稳 岩石的力学性能试验使用的设备主要为岩石 压控制台主要保证围压和轴压的稳定)和低压控

magnetic resonance imaging (NMRI), X-ray stereo imaging and ultrasonography, were developed. Acoustic wave technology can not only nondestructively detect the micro-structure and evolution process of rock internal pores, but also clarify the macro-relationship of rock physical fields in the multi-field coupling action of thermal-hydrological-mechanical-chemical (THMC), and further clarify the rock performance under multi-field coupling action from the perspective of a combination of micro and macro scales. With the advancement of computer technology, the development of numerical simulation software and coupling calculation program under multi-field coupling of  rock  has  made  certain  progress.  Especially,  the  development  of  the  numerical  simulation  software  of  THMC  four-field  coupling interaction  combined  with  TOUGHREACT  and  FLAC3D,  and  the  multi-field  coupling  calculation  program  of  Comsol  docking  with MATLAB provide technical supports for the development of multi-field coupling simulation of rocks. Finally, the key difficulties and future  research  directions  of  rock  multi-field  coupling  research  were  discussed  and  analyzed,  which  can  provide  a  reference  for engineering practice and related problems. KEY  WORDS    fractured  rock； multi-field  coupling； nondestructive  testing； finite  element； experimental  equipment； numerical simulation software 深部能源与资源开采中，经常渗及到复杂的 赋存环境，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂 水化学环境中将发生多场耦合效应. 场的概念源 于物理学中的电场、磁场等，在岩石力学相关研究 中涉及到的场主要有应力场、温度场、水流场、化 学场、变形场、结构场等. 在开挖过程中，岩石所 处的作用场不断演化，最终在多场作用下会出现 直接耦合和间接耦合、双向耦合和单向耦合等不 同的多场耦合关系. 近年来，岩石多场耦合作用相 关的项目收到业界的广泛关注，为了更好地分析 岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主要通 过实验和数值模拟两方面进行研究. 国内外学者早期对于岩石多场耦合作用下的力 学试验研究，主要通过单一场作用、两场作用的试 验研究不同场对岩石力学性能的影响，主要集中在 应力场、水流场、温度场方面. 近年来随着实验设备 的改进和升级，基于不同研究背景的应力场、水流 场、温度场、化学场综合考虑的多场耦合作用的试 验设备不断出现，同时研究岩石损伤及破坏过程的 微观试验设备也逐渐得到创新. 另外，在模拟多场 耦合作用下的岩石破坏过程中，传统的有限元模型 通常建立在岩石理想的连续各向同性体的抽象模型 上，很难准确描述有明显各向异性特征的岩石的力 学性能，因此其数值模拟的结果也将失去参考价值. 随着有限元的发展，如今的研究中，已经将岩石的物 理力学参数通过试验得出，并应用到数值模拟中. 计算机技术的发展和数值模拟软件的发展为研究岩 石多场耦合作用下的相关研究提供了较大的帮助， 为很多世界难题的研究提供了参考. 1    实验装置研发和实验方法拓展 岩石的力学性能试验使用的设备主要为岩石 力学试验机，随着试验机的改进和研究，出现了美 国、德国生产的液压伺服试验机和通过计算机控 制操作的试验机[1−2] ，日本研发的通过计算机控制 的大型结构试验机，长春朝阳试验机厂[3] 研制的 岩石三轴流变仪、岩石三轴试验机以及岩石三轴 流变试验系统[1] . 1.1    多场耦合实验设备的改进与优化 随着岩石多场耦合作用研究的深入，科研人 员开始专注于研制高温高压条件下的三轴试验 机，辅助以围压和温度加载及数据采集记录系统， 试验研究温度−应力−化学多场耦合作用下深部页 岩的蠕变性能[4] ，建立考虑环境温度和化学作用的 高应力页岩非线性蠕变模型，得出描述岩石温度− 应力−化学三场耦合效应的数学模型，运用 ANSYS 有限元对岩石微细观结构和温度−应力−化学多场 耦合作用下的蠕变性能进行数值模拟，验证实验 设备和蠕变模型的适用性. 图 1 所示的三轴耦合试验机是由法国里尔科 技大学研发的，设备可以同时施加围压、轴向偏应 力和孔隙水压力[5] ，可同时得出轴向应力、轴向应 变和侧向应变，三轴室示意图如图 2 所示. 该设备 所用岩石试件尺寸一般为 ϕ50 mm×100 mm（两端 面平整度误差一般小于 0.01 mm），围压最大可达 到 60 MPa，偏应力最大可达到 300 MPa，孔隙水压 力最大为 60 MPa[6] . 岩石的耦合渗透性受岩石多场耦合作用的影 响，作用机理复杂，因此需要研究岩石在水流−应 力−化学多场耦合作用下围压、渗透压、水化学性 质等多种因素对裂隙岩体力学性能的影响. 裂隙 岩石耦合作用下的力学试验系统如图 3 所示，试 验中可用的液压稳定控制台包括稳压控制台（稳 压控制台主要保证围压和轴压的稳定）和低压控 · 48 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 49· 图3岩石裂隙多场耦合试验系统侧 Fig.3 Multifield couplingequipment system for rock fracture 律：控制围压和渗透压都保持不变，可以试验研究 图1三轴水力耦合试验机 溶液酸碱度对岩石力学性能的影响：利用裂隙岩 Fig.I Experimental machine couplinghy draulic and mechanicls 石渗透系数反算裂隙开度变化，得出岩石应力和 Axial compression 溶液酸碱度对岩石所受化学腐蚀的影响：通过试 验测定渗出水的浓度也可以推算出岩石裂隙溶质 Pressure head~[ 的运移规律) 为了通过岩石实验得到岩石各项指标参数， Rock specimen Confining pressure 比如三轴加载下的试件的力学参数、模拟地下岩 石所处高温环境的参数，同时获得试验中的裂纹 Outer cover 实时CT成像，相关学者通过改进电液伺服试验机 Base 研发出了一体式试验机.一体式试验机含有机械 Switch- 结构、液压控制系统和加热系统等，其中压力室具 有加压和加热功能，在试验过程中，试验机可以绕 Pore water pressure 着中心轴旋转，此时CT射线可以透过压力室对岩 图2三轴室示意图 石的内部裂纹进行实时扫描，得出岩石裂隙演化 Fig.2 Schematic diagram of triaxial chamber 过程图像.一体式试验机可以计算压力室在受 迫、自然对流和有无隔热4种条件下的传热边界 制系统（低压控制系统主要控制渗透压大小和渗 条件，利用ICEM CFD对计算域进行网格划分，然 透溶液)川，实验设备子系统关系如图4所示.该系 后利用Fluent对计算域内的温度场进行计算.通 统可提供最大载荷为600kN,最大围压为10MPa, 过建立试验机液压系统阀控非对称缸的线性数学 稳压精度在静态时达士0.5%，动态时达±2%，低压控 模型，得出高温和室温条件下的数学模型参数，然 制系统的渗透压最大可达1.6MPa 后利用Matlab Simulink进行仿真模拟试验机的 该系统可以完成裂隙多场耦合作用时岩石多 轴压最大可达100kN,围压可达20MPa,加热试验 种性能的试验测试，通过控制围压恒定，试验得出 中温度可达200℃（精度为±5℃）.一体式试验机 岩石裂隙渗透率随着渗透压的变化而变化的规 可以配合高能射线CT扫描技术对岩石进行三轴 Air supply Test bed for high pressure bottle permeability test Hydraulic Oil-water Pressure stability conversion pump control console Solution Test bed for preparation Computer control system seepage stress container coupling test 图4试验设备子系统关系 Fig.4 Relationship chart of test equipment subsystem

制系统（低压控制系统主要控制渗透压大小和渗 透溶液）[7] ，实验设备子系统关系如图 4 所示. 该系 统可提供最大载荷为 600 kN，最大围压为 10 MPa， 稳压精度在静态时达±0.5%，动态时达±2%，低压控 制系统的渗透压最大可达 1.6 MPa. 该系统可以完成裂隙多场耦合作用时岩石多 种性能的试验测试，通过控制围压恒定，试验得出 岩石裂隙渗透率随着渗透压的变化而变化的规 律；控制围压和渗透压都保持不变，可以试验研究 溶液酸碱度对岩石力学性能的影响；利用裂隙岩 石渗透系数反算裂隙开度变化，得出岩石应力和 溶液酸碱度对岩石所受化学腐蚀的影响；通过试 验测定渗出水的浓度也可以推算出岩石裂隙溶质 的运移规律[7] . 为了通过岩石实验得到岩石各项指标参数， 比如三轴加载下的试件的力学参数、模拟地下岩 石所处高温环境的参数，同时获得试验中的裂纹 实时 CT 成像，相关学者通过改进电液伺服试验机 研发出了一体式试验机. 一体式试验机含有机械 结构、液压控制系统和加热系统等，其中压力室具 有加压和加热功能，在试验过程中，试验机可以绕 着中心轴旋转，此时 CT 射线可以透过压力室对岩 石的内部裂纹进行实时扫描，得出岩石裂隙演化 过程图像. 一体式试验机可以计算压力室在受 迫、自然对流和有无隔热 4 种条件下的传热边界 条件，利用 ICEM CFD 对计算域进行网格划分，然 后利用 Fluent 对计算域内的温度场进行计算. 通 过建立试验机液压系统阀控非对称缸的线性数学 模型，得出高温和室温条件下的数学模型参数，然 后利用 Matlab Simulink 进行仿真模拟[8] . 试验机的 轴压最大可达 100 kN，围压可达 20 MPa，加热试验 中温度可达 200 ℃（精度为±5 ℃）. 一体式试验机 可以配合高能射线 CT 扫描技术对岩石进行三轴 图 1    三轴水力耦合试验机[5] Fig.1    Experimental machine couplinghy draulic and mechanic[5] Axial compression Pressure head Rock specimen Confining pressure Outer cover Base Switch Pore water pressure 图 2    三轴室示意图 Fig.2    Schematic diagram of triaxial chamber 图 3    岩石裂隙多场耦合试验系统[8] Fig.3    Multifield coupling equipment system for rock fracture[7] Air supply bottle Pressure pump Solution preparation container Hydraulic stability control Oil-water conversion console Test bed for high pressure permeability test Test bed for seepage stress coupling test Computer control system 图 4    试验设备子系统关系 Fig.4    Relationship chart of test equipment subsystem 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 · 49 ·

50 工程科学学报，第43卷，第1期 应力作用和加热联合试验，填补了国内岩石力学 的溶解速度随着盐岩裂隙深度的增加而变慢 试验系统中CT实时成像的技术空白 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验 12多场耦合实验设备的研发 室o1自主研发了如图6所示的岩石THMC多场耦 周辉等9设计了一套盐岩裂隙水流-化学溶蚀 合作用水流装置，该装置由三轴加载系统、二氧化 的耦合试验装置，如图5所示.上部分为加工好的 碳加压系统、恒温油浴控制系统和数据采集系统组 盐岩试块，将盐岩试块的裂隙面打磨光滑，考虑到 成，可以模拟不同地应力、不同层压、不同温度等多 两块盐岩试件贴在一起形成的人工节理很难达到 场耦合作用下岩石的渗透性能.通过多场耦合作用 试验规定的平整闭合度，因此设计了一块表面光 下不同相态的二氧化碳致裂来驱替甲烷，在二氧化 滑的有机玻璃试件代替下部分的盐岩试件.在进 碳压裂页岩的基础上，进行了有效应力、孔隙压力 水口位置通入一定饱和度的盐岩溶液，盐岩溶液 和温度等对页岩渗透特性影响的实验研究， 流经盐岩试件和有机玻璃试件之间形成的盐岩裂 河海大学等单位合作研制了超高压大流量渗 隙，测定和分析盐岩裂隙面的溶解形态.实验结果 透仪及水流-应力耦合试验系统，试验中的裂隙岩 表明，盐岩试件的溶解开始于裂隙的进口处，盐岩 体采用含有裂隙的石灰岩，渗透液为碳酸溶液和 Rock specimen Rock fractures Organic glass Water inlet Water outlet 图5盐岩裂隙溶解的试验装置图 Fig.5 Experimental setup for coupled fluid flow and dissolution test for salt rock fracture 3 C 4 10 11 22 1-CO2 cylinder;2-CHa gas,3-pressure sensor,4-servo pump;5-hydraulic oil circuit,6-triaxial pressure chamber. 7-axial deformation sensor;8-radial deformation sensor,9-constant temperature oil bath;10-flowmeter; 11-vacuum pump;12-computer;13-intake pipe;14-outlet pipe;15-data acquisition line 图6岩石THMC多场耦合作用下水流装置和原理图， Fig.6 Device and schematic diagram under THMC multi field coupling of rocks

应力作用和加热联合试验，填补了国内岩石力学 试验系统中 CT 实时成像的技术空白. 1.2    多场耦合实验设备的研发 周辉等[9] 设计了一套盐岩裂隙水流–化学溶蚀 的耦合试验装置，如图 5 所示. 上部分为加工好的 盐岩试块，将盐岩试块的裂隙面打磨光滑，考虑到 两块盐岩试件贴在一起形成的人工节理很难达到 试验规定的平整闭合度，因此设计了一块表面光 滑的有机玻璃试件代替下部分的盐岩试件. 在进 水口位置通入一定饱和度的盐岩溶液，盐岩溶液 流经盐岩试件和有机玻璃试件之间形成的盐岩裂 隙，测定和分析盐岩裂隙面的溶解形态. 实验结果 表明，盐岩试件的溶解开始于裂隙的进口处，盐岩 的溶解速度随着盐岩裂隙深度的增加而变慢. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验 室[10] 自主研发了如图 6 所示的岩石 THMC 多场耦 合作用水流装置，该装置由三轴加载系统、二氧化 碳加压系统、恒温油浴控制系统和数据采集系统组 成，可以模拟不同地应力、不同层压、不同温度等多 场耦合作用下岩石的渗透性能. 通过多场耦合作用 下不同相态的二氧化碳致裂来驱替甲烷，在二氧化 碳压裂页岩的基础上，进行了有效应力、孔隙压力 和温度等对页岩渗透特性影响的实验研究. 河海大学等单位合作研制了超高压大流量渗 透仪及水流−应力耦合试验系统，试验中的裂隙岩 体采用含有裂隙的石灰岩，渗透液为碳酸溶液和 Rock specimen Rock fractures Organic glass Water inlet Water outlet 图 5    盐岩裂隙溶解的试验装置图 Fig.5    Experimental setup for coupled fluid flow and dissolution test for salt rock fracture 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 ―CO2 cylinder; 2 ―CH4 gas; 3 ―pressure sensor; 4 ―servo pump; 5 ―hydraulic oil circuit; 6 ―triaxial pressure chamber; 7 ―axial deformation sensor; 8 ―radial deformation sensor; 9 ―constant temperature oil bath; 10 ―flowmeter; 11 ―vacuum pump; 12 ―computer; 13 ―intake pipe; 14 ―outlet pipe; 15 ―data acquisition line 图 6    岩石 THMC 多场耦合作用下水流装置和原理图[10] Fig.6    Device and schematic diagram under THMC multi field coupling of rocks[10] · 50 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 51· 自来水，通过试验得出渗出水量、离子浓度和pH 量系统、保温系统等.试验系统的主要技术参数 值变化，用以表征岩石裂隙演化机理，深入探讨岩 指标有温度场、渗透压、应力和化学场.设备设定 石的水流-应力-化学耦合机制. 了加载速率和压力上限预警，为确保压力试验精 盛金昌等山在超高压大流量渗透仪及水流- 度，加载的最终值和目标值误差在0.5%以内，以 应力耦合试验系统的基础上增加了温度、化学等 期岩石多场耦合作用的试验工况更精准，仪器增 因素对岩石试块的影响试验，研制了如图7所示 设了位移传感器用以实时测量耦合试验中的岩石 的岩石温度-水流-应力-化学(THMC)多场耦合 试件变形及应力-应变测试 效应试验系统，用来开展岩石在高温、高渗透压、 渗透压调节可以分为裂隙岩石低渗透压通道 高应力和复杂化学作用下的岩石渗透性能和力学 (0~0.4MPa)和完整岩石高渗透压通道(0.4~30MPa), 性能演化，其温度控制及化学溶液自配系统原理 根据岩石渗透特性的不同采用多管路渗透压控制 如图8所示. 选择相应的水流通道，确保试验结果的精准性.温 岩石温度-水流-应力-化学(THMC)多场耦合 度控制系统分为制热系统和制冷系统两种，将水、 效应试验系统包括主加载系统、液压控制系统、 液压油和钢铁外壳一起综合计算吸热量和散热 温度控制系统、化学溶液配制系统、渗出水量测 量，并对压力室、水流液体、管道和升压缸分别制 am Hydraulic Temperature Chemical Oil water pressure control solution Test converslon stabilizing system preparation svstem bed svstem system Heating system 华节 Computer control terminal Exudate measurement system 图7岩石THMC多因素耦合试验系统 Fig.7 Test system coupling THMC processes of rocks Heating tube Pressure transmitter int Outlet duct of presure chamber Heating controller Chemical soluti on storage device Cooling controller Volume change Humidificati measuring instrument Water storage tank on pipe Rock specimen Manual speed Manual speed Cooling regulating valve regulating valve Temperature pipe Sensor Water tank Filter sensor Confining V pressur chamber Water Cooling water tank outlet 图8温度控制及化学溶液自配系统原理 Fig.8 Schematic diagram of temperature control and self-distribution system of chemical solution

自来水，通过试验得出渗出水量、离子浓度和 pH 值变化，用以表征岩石裂隙演化机理，深入探讨岩 石的水流−应力−化学耦合机制. 盛金昌等[11] 在超高压大流量渗透仪及水流− 应力耦合试验系统的基础上增加了温度、化学等 因素对岩石试块的影响试验，研制了如图 7 所示 的岩石温度−水流−应力−化学（THMC）多场耦合 效应试验系统，用来开展岩石在高温、高渗透压、 高应力和复杂化学作用下的岩石渗透性能和力学 性能演化，其温度控制及化学溶液自配系统原理 如图 8 所示. 岩石温度−水流−应力−化学（THMC）多场耦合 效应试验系统包括主加载系统、液压控制系统、 温度控制系统、化学溶液配制系统、渗出水量测 量系统、保温系统等. 试验系统的主要技术参数 指标有温度场、渗透压、应力和化学场. 设备设定 了加载速率和压力上限预警，为确保压力试验精 度，加载的最终值和目标值误差在 0.5% 以内，以 期岩石多场耦合作用的试验工况更精准，仪器增 设了位移传感器用以实时测量耦合试验中的岩石 试件变形及应力−应变测试. 渗透压调节可以分为裂隙岩石低渗透压通道 （0～0.4 MPa）和完整岩石高渗透压通道（0.4～30 MPa）， 根据岩石渗透特性的不同采用多管路渗透压控制 选择相应的水流通道，确保试验结果的精准性. 温 度控制系统分为制热系统和制冷系统两种，将水、 液压油和钢铁外壳一起综合计算吸热量和散热 量，并对压力室、水流液体、管道和升压缸分别制 Chemical solution preparation system Heating system Test bed Oil water convers1on system Hydraulic pressure stabilizing system Computer control terminal Temperature control system Exudate measurement system 图 7    岩石 THMC 多因素耦合试验系统 Fig.7    Test system coupling THMC processes of rocks Heating tube Wter inlet Outlet duct of the confining pressure chamber Pressure transmitter Temp erature sensor Cooling controller Chemical soluti on storage device Heating controller Volume change measuring instrument Water storage tank Humidificati on pipe Rock specimen Manual speed Manual speed regulating valve regulating valve Cooling pipe Sensor Water tank V V Filter V Confining pressur chamber Cooling water tank Temperature sensor Water outlet 图 8    温度控制及化学溶液自配系统原理 Fig.8    Schematic diagram of temperature control and self-distribution system of chemical solution 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 · 51 ·

52 工程科学学报，第43卷，第1期 热和制冷到预定温度后施加保温措施，温度控制 行实时细观测试.试验中的裂纹研究方法可以分 系统可在3h内达到指定高温（室温~150℃）或低 为直接研究法和间接研究法，直接研究法就是使 温(-20℃~室温).化学配置系统的管路可以耐 用相关试验设备对岩石破坏过程进行细观观测， 受pH值为0~14之内任一酸碱性液体的腐蚀，试 更为直观地了解岩石的破坏机理，间接研究法通 验中计算机可以根据设定的化学溶液浓度自动调 过岩石的渗透性、声波波速等参数间接反映岩石 节化学溶液和水的比例，因此渗透系统和化学配 裂隙的扩展情况 置系统综合在一起可以更真实地模拟地下复杂的 岩石多场耦合作用下微裂纹的变化规律和岩石 水化学环境，在渗透系统中施加化学作用相较于 破坏本质是研究的重难点.由于设备发展的局限 传统化学溶液浸泡更接近工程实际， 性，过去裂隙岩体内部的细观结构和不同材料的实 1.3微观机理试验的开拓 际空间布局很难通过无损微细观检测定量表达.随 细观损伤力学的提出可以追溯到20世纪 着技术的进步和发展，在开发试验设备的基础上引 50年代，而在20世纪80年代该方法已经应用到 起和发展现代无损探测手段，比如实时CT扫描技 包括岩石、混凝土在内的几乎所有工程材料领域. 术，电镜扫描技术、核磁共振技术、X射线立体成像 我国科学家钱学森在20世纪50年代首次在国内 法和超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔 提出并系统阐述了细观力学的概念，细观力学是 隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度-水 用连续介质力学方法分析具有微观结构的材料的 流-应力-化学(THMC)等多场耦合作用中各物理场 力学.岩石细观力学理论由Hi和Mora等基于 的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度 Taylor细观塑性理论提出，主要通过不同仪器对复 得出岩石在多场耦合作用下的性能 杂环境下岩石的细观力学结构进行直观研究，更 图9所示为岩石巴西圆盘试件渗透性试验测 好地翻译岩石变形特性并对岩石细观内部结构进 试前后的断面裂隙形态对比图，可以看出，岩石试 行定量、定性的描述.在岩石力学中，室外天然岩 件经过地下水和蒸馏水的渗透融蚀作用后，断面 体中直接影响岩石力学性质的毫米级以上的裂 裂隙中间位置形成了较大的孔洞，是上下游水流 隙、节理称为宏观尺度；介于毫米和微米级别之间 通道贯通的明显标志.图10所示为盐岩及粉砂 的对岩石力学性质产生直接影响的岩石微裂隙称 质页岩细观结构扫描电镜结果 为细观尺度：发育在岩石矿物晶体中，不会直接 影响岩石力学性能的微裂隙称为微观尺度 根据国内外相关学者的研究得出，岩石的损伤 存在形式主要为岩石的微裂隙.由于岩石在多场 耦合作用下会出现微裂隙的演化、扩展和贯通，进 CT image of fracture before test CT image of fracture after tes 而影响岩石的稳定性，因此研究岩石的裂隙演化 和扩展机理对理解岩石破坏本质具有现实意义. 为了研究复杂环境中的岩石多场耦合机理， 需要开发用于温度-水流-应力-化学(THMC)多 图9渗透试验前后的裂隙形态对比图 场耦合作用下裂隙岩体耦合的细观测试设备，用 Fig.9 Comparison of scanned core images between test initiation and 以对裂隙岩体多场耦合作用下的岩石渗透性能进 after 1492 hourstis (a) (b) (c) Layer 20 Layer 30 The width of Layer 40 microcrack is 1-3mm Layer 60 Layer 70 Layer 80 Layer 90 图10盐岩及粉砂质页岩细观结构6(a)试件分层电镜扫描示意图：(b)第30层扫描图：(c)第90层扫描图：(d)微裂隙电镜扫描图 Fig.10 Meso structure of salt rock and silty shale:(a)schematic image of layered scanning of specimen;(b)layer 30;(c)layer 90;(d)scanned core image of microcrack

热和制冷到预定温度后施加保温措施，温度控制 系统可在 3 h 内达到指定高温（室温～150 ℃）或低 温（−20 ℃～室温）. 化学配置系统的管路可以耐 受 pH 值为 0～14 之内任一酸碱性液体的腐蚀，试 验中计算机可以根据设定的化学溶液浓度自动调 节化学溶液和水的比例，因此渗透系统和化学配 置系统综合在一起可以更真实地模拟地下复杂的 水化学环境，在渗透系统中施加化学作用相较于 传统化学溶液浸泡更接近工程实际. 1.3    微观机理试验的开拓 细观损伤力学的提出可以追溯 到 20 世 纪 50 年代，而在 20 世纪 80 年代该方法已经应用到 包括岩石、混凝土在内的几乎所有工程材料领域. 我国科学家钱学森在 20 世纪 50 年代首次在国内 提出并系统阐述了细观力学的概念，细观力学是 用连续介质力学方法分析具有微观结构的材料的 力学[12] . 岩石细观力学理论由 Hill 和 Mora 等基于 Taylor 细观塑性理论提出，主要通过不同仪器对复 杂环境下岩石的细观力学结构进行直观研究，更 好地翻译岩石变形特性并对岩石细观内部结构进 行定量、定性的描述. 在岩石力学中，室外天然岩 体中直接影响岩石力学性质的毫米级以上的裂 隙、节理称为宏观尺度；介于毫米和微米级别之间 的对岩石力学性质产生直接影响的岩石微裂隙称 为细观尺度[13] ；发育在岩石矿物晶体中，不会直接 影响岩石力学性能的微裂隙称为微观尺度. 根据国内外相关学者的研究得出，岩石的损伤 存在形式主要为岩石的微裂隙. 由于岩石在多场 耦合作用下会出现微裂隙的演化、扩展和贯通，进 而影响岩石的稳定性，因此研究岩石的裂隙演化 和扩展机理对理解岩石破坏本质具有现实意义. 为了研究复杂环境中的岩石多场耦合机理， 需要开发用于温度−水流−应力−化学（THMC）多 场耦合作用下裂隙岩体耦合的细观测试设备，用 以对裂隙岩体多场耦合作用下的岩石渗透性能进 行实时细观测试. 试验中的裂纹研究方法可以分 为直接研究法和间接研究法. 直接研究法就是使 用相关试验设备对岩石破坏过程进行细观观测， 更为直观地了解岩石的破坏机理，间接研究法通 过岩石的渗透性、声波波速等参数间接反映岩石 裂隙的扩展情况[14] . 岩石多场耦合作用下微裂纹的变化规律和岩石 破坏本质是研究的重难点. 由于设备发展的局限 性，过去裂隙岩体内部的细观结构和不同材料的实 际空间布局很难通过无损微细观检测定量表达. 随 着技术的进步和发展，在开发试验设备的基础上引 起和发展现代无损探测手段，比如实时 CT 扫描技 术，电镜扫描技术、核磁共振技术、X 射线立体成像 法和超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔 隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度−水 流−应力−化学（THMC）等多场耦合作用中各物理场 的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度 得出岩石在多场耦合作用下的性能. 图 9 所示为岩石巴西圆盘试件渗透性试验测 试前后的断面裂隙形态对比图，可以看出，岩石试 件经过地下水和蒸馏水的渗透融蚀作用后，断面 裂隙中间位置形成了较大的孔洞，是上下游水流 通道贯通的明显标志[15] . 图 10 所示为盐岩及粉砂 质页岩细观结构扫描电镜结果. CT image of fracture before test CT image of fracture after test 图 9    渗透试验前后的裂隙形态对比图[15] Fig.9    Comparison of scanned core images between test initiation and after 1492 hours[15] (a) (b) (c) (d) The width of microcrack is 1−3 mm ×38.077 μm NCU-Es 3 SEM SEI 10.0 kV WD 10.2 mm 10 μm ×650 Layer 20 Layer 30 Layer 40 Layer 60 Layer 70 Layer 80 Layer 90 图 10    盐岩及粉砂质页岩细观结构[16] . （a）试件分层电镜扫描示意图；（b）第 30 层扫描图；（c）第 90 层扫描图；（d）微裂隙电镜扫描图 Fig.10    Meso structure of salt rock and silty shale: (a) schematic image of layered scanning of specimen; (b) layer 30; (c) layer 90; (d) scanned core image of microcrack · 52 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 53 Homand-Etienne和Houpert)对高温处理后的 出的有限差分法、20世纪50年代开始盛行的有限 Senones和Remirement花岗岩试件进行扫描电镜 元法1、20世纪70年代开始使用的边界元法及无 (SEM)分析，定性和定量地研究了岩石微观结构 单元法2%、1971年由Cundall提出的离散元法27、 的损伤情况对岩石力学性能的影响.Wang与 20世纪80年代石根华提出的非连续变形法P1以 Dusseault!对美国Westerly花岗岩进行热处理，利 及20世纪90年代提出的流形元法等.鉴于计算 用声发射(AE)进行岩石热破坏过程中的微裂隙扩 机的发展，深部岩体工程多场耦合程序也得到了 展监测.葛修润将CT机和压力试验机配合使用， 很大的发展，总结如表1所示 通过观测砂岩单轴和三轴加载过程中的微裂隙萌 基于连续介质理论的简单数值分析方法无法 生-演化一扩展-破坏过程，得出了各阶段的CT图 较好地描述裂隙岩体的裂隙演化扩展，因此学者 像.陈四利等20-2使用CT试验机对化学腐蚀后的 探索了DDA、混合有限元离散元和流形元等非连续 砂岩进行了三轴应力试验观测，得出了岩石破坏过 介质方法基于移动最小二乘法的无网格法可 程实质是岩石受力过程中岩石微裂隙的演化和微观 以较好地描述岩石水流-应力耦合作用下的裂隙 结构变形累计的宏观表现.周克群等2四研究了不同 扩展.刘泉声与刘学伟0对多场耦合作用下岩石 岩石热效应影响下的力学性能，岩石在经过高温处 裂隙演化的主要问题进行了详细研究，分析了数 理后进行低温处理，利用核磁共振技术得出的岩石 值模拟流形元法在岩石多场耦合模拟中的优势 孔隙度和渗透率有一定的增加.杨建等21在研究致 岩石在应力一水压一温度三场耦合作用中常用 密砂岩渗透性的过程中采用了精细描述了微观结构 的数值模拟软件有FRACTURE、GEOTH3D、 的新技术如核磁共振、CT扫描和扫描电镜，定性和 FRACSIM-3D、THAMES、MOTIF、FRACON、FEHM 定量地描述岩石微观裂纹及微孔洞的变化.Dog FRIP和GEORACK等.FRACTURE可以通过模拟 等在研究深部岩石渗透率与应力的关系时，利用 流体流动、示踪剂运移和热传导等，来模拟温度一 扫描电镜技术得出如图10所示的岩石渗透率降低 水流-应力耦合过程和耦合效应.GEOTH3D可以 与原生初始裂隙在应力作用下压密闭合的相关性. 建立非均质多孔介质模型，模拟温度-水流-应力 2数值模拟软件及耦合计算程序 耦合作用下达西水流过程中的热质运移.杨冰等4] 开发的TOUGHREACT是在TOUGH2的基础上添 岩石力学性能的数值模拟方法主要有较早提 加了化学反应模块，模拟液体三相反应和运移，计 表1深部岩体工程多场耦合程序- Table 1 Codes for modeling the multi-field coupling programs for deep rock engineering Multi-field coupling function Procedure Algorithm References COMSOL Finite element Pimia et al. FALCON Finite element Xia et al.4 THMC FEHM Finite element Pandey et al.5 OpenGeoSys Finite element Kolditz et al. STOMP Finite volume Scheibe et al.t Fluent Finite volume Cao et al. THM GEOFRAC Boundary element Vecchiarellit TOUGH-FLAC Finite difference Rutqvist40 NUFT Finite volume Blair et al.4u THC SHEMAT Finite difference Clauser et al. TOUGHREACT Finite difference Xu et al.5 HM GEOS Finite element Finite volume Settgast44) GPRS Finite volume Wong et al.4 MRST Finite volume Lie et al. TH FEFLOW Finite element Diersch! FEFLOW Finite element Diersch!7

Homand-Etienne 和 Houpert[17] 对高温处理后的 Senones 和 Remirement 花岗岩试件进行扫描电镜 （SEM）分析，定性和定量地研究了岩石微观结构 的 损 伤 情 况 对 岩 石 力 学 性 能 的 影 响 . Wang 与 Dusseault[18] 对美国 Westerly 花岗岩进行热处理，利 用声发射（AE）进行岩石热破坏过程中的微裂隙扩 展监测. 葛修润[19] 将 CT 机和压力试验机配合使用， 通过观测砂岩单轴和三轴加载过程中的微裂隙萌 生−演化−扩展−破坏过程，得出了各阶段的 CT 图 像. 陈四利等[20−21] 使用 CT 试验机对化学腐蚀后的 砂岩进行了三轴应力试验观测，得出了岩石破坏过 程实质是岩石受力过程中岩石微裂隙的演化和微观 结构变形累计的宏观表现. 周克群等[22] 研究了不同 岩石热效应影响下的力学性能，岩石在经过高温处 理后进行低温处理，利用核磁共振技术得出的岩石 孔隙度和渗透率有一定的增加. 杨建等[23] 在研究致 密砂岩渗透性的过程中采用了精细描述了微观结构 的新技术如核磁共振、CT 扫描和扫描电镜，定性和 定量地描述岩石微观裂纹及微孔洞的变化. Dong 等[24] 在研究深部岩石渗透率与应力的关系时，利用 扫描电镜技术得出如图 10 所示的岩石渗透率降低 与原生初始裂隙在应力作用下压密闭合的相关性. 2    数值模拟软件及耦合计算程序 岩石力学性能的数值模拟方法主要有较早提 出的有限差分法、20 世纪 50 年代开始盛行的有限 元法[25]、20 世纪 70 年代开始使用的边界元法及无 单元法[26]、1971 年由 Cundall 提出的离散元法[27]、 20 世纪 80 年代石根华提出的非连续变形法[28] 以 及 20 世纪 90 年代提出的流形元法等. 鉴于计算 机的发展，深部岩体工程多场耦合程序也得到了 很大的发展，总结如表 1 所示. 基于连续介质理论的简单数值分析方法无法 较好地描述裂隙岩体的裂隙演化扩展，因此学者 探索了 DDA、混合有限元离散元和流形元等非连续 介质方法[29] . 基于移动最小二乘法的无网格法可 以较好地描述岩石水流−应力耦合作用下的裂隙 扩展. 刘泉声与刘学伟[30] 对多场耦合作用下岩石 裂隙演化的主要问题进行了详细研究，分析了数 值模拟流形元法在岩石多场耦合模拟中的优势. 岩石在应力−水压−温度三场耦合作用中常用 的 数 值 模 拟 软 件 有 FRACTURE、 GEOTH3D、 FRACSIM-3D、THAMES、MOTIF、FRACON、FEHM、 FRIP 和 GEORACK 等. FRACTURE 可以通过模拟 流体流动、示踪剂运移和热传导等，来模拟温度− 水流−应力耦合过程和耦合效应. GEOTH3D 可以 建立非均质多孔介质模型，模拟温度−水流−应力 耦合作用下达西水流过程中的热质运移. 杨冰等[48] 开发的 TOUGHREACT 是在 TOUGH2 的基础上添 加了化学反应模块，模拟液体三相反应和运移，计 表 1 深部岩体工程多场耦合程序[31−32] Table 1 Codes for modeling the multi-field coupling programs for deep rock engineering[31−32] Multi-field coupling function Procedure Algorithm References THMC COMSOL Finite element Pirnia et al.[33] FALCON Finite element Xia et al.[34] FEHM Finite element Pandey et al.[35] OpenGeoSys Finite element Kolditz et al.[36] STOMP Finite volume Scheibe et al.[37] THM Fluent Finite volume Cao et al.[38] GEOFRAC Boundary element Vecchiarelli[39] TOUGH-FLAC Finite difference Rutqvist[40] THC NUFT Finite volume Blair et al. [41] SHEMAT Finite difference Clauser et al. [42] TOUGHREACT Finite difference Xu et al. [43] HM GEOS Finite element + Finite volume Settgast[44] TH GPRS Finite volume Wong et al.[45] MRST Finite volume Lie et al.[46] FEFLOW Finite element Diersch[47] FEFLOW Finite element Diersch[47] 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 · 53 ·

54 工程科学学报，第43卷，第1期 算多孔介质和裂隙表面的化学反应过程以及化学 搭接方法，对实测值与数值模拟数据进行了对比 溶解对孔隙度和渗透率等的影响.FRACSIM-3D 分析，验证数值模拟软件的实用性. 可以模拟裂隙网络模型的地下水水流、热传导和 Comsol是一款通用的数值仿真软件，通过添 化学溶解反应过程，得出岩石在水力作用下裂隙 加模块实现对岩石多场耦合作用的模拟，其中数 的剪切和扩展，流体水流循环中的热弹性效应和 学模型模块可以通过自订立偏微分方程组的形式 化学溶解过程TOUGH2和FLAC3D的外部耦 进行模型构建和模拟.Comsol与Matlab可以实现 合模块连接形成多场耦合软件，建立应力和多相 完美对接，利用Matlab进行模型设定和预处理，生 流孔隙压力、温度的关系，以及应力和孔隙度、渗 成需要的随机裂隙网络模型.国内对Comsol涉及 透率之间的关系.在TOUGH2-FLAC3D的基础上， 化学场的耦合模拟研究相对较少.国外的研究中， 利用FISH语言开发水力压裂模块，实现了THM Nardi等Is通过COMSOL和PHREEQC搭接的方 三场耦合模拟.FEHM软件基于有限体积法，建立 法对THMC耦合进行模拟，Nasir等s利用MATLAB 了多孔裂隙水流模型，模拟岩石在应力、温度等影 对COMSOL与PHREEQC程序进行搭接，使用 响下的渗透率和孔隙度等的变化.国内开发的 COMSOL计算流固热耦合部分，使用PHREEOC RFPA系列软件是基于有限元理论和损伤理论对 程序计算化学反应部分，得出的数值模拟结果与 非均质各向异性材料进行破坏过程的数值模拟 实验数据有良好的匹配性 RFPA3D-FLOW通过建立的非均质裂隙岩体在多 场耦合作用下的物理模块，研究分析岩石在多场 3结论与展望 耦合作用下的损伤演化和应力分布.ABAQUS在 本文总结分析了国内外关于裂隙岩体在温度- 岩土介质多场耦合中使用较为广泛，基于温度-水 水力-应力-化学(THMC)多场耦合作用下的岩石 流-应力三场耦合数学模型，使用Matlab语言，以 微观-细观-宏观多尺度力学试验设备的改进和研 ABAQUS为求解器开发THM多场耦合程序，分析 发，以及数值模拟软件和耦合计算程序的开发等 岩石多场耦合效应50，运用ANSYS有限元软件对 方面的研究，分析探讨了岩石在多场耦合作用下 岩石多场耦合条件下的细观结构进行力学分析， 研究的重难点 建立多场耦合作用的数学模型，对深部软岩巷道 岩石多场耦合研究中，目前的研究重点还是 围岩进行温度-应力一化学耦合作用的蠕变规律进 行数值模拟 集中在两场、三场耦合状态下的岩石力学性能，而 根据现场工程实际，综合考虑裂隙岩体的温 化学场的引入是今后研究THMC四场耦合作用的 度-水流-应力-化学(THMC)多场耦合机理与数 关键和重点.因此，需要强化相关理论知识，优化 值模拟更符合实际.THMC多场耦合效应数值模 实验设备，基于多场耦合模型相关实验结果的支 拟的重难点主要在于确定化学场作用下水化学对 撑，开展相关的原位实验研究，建立可靠的数据 岩石参数的影响和化学场作用下矿物的运移机制， 库，为模型的研究与数值计算提供指导和保障 进一步得出考虑化学场的裂隙岩体多场耦合作用 基于不同科研单位的创新研发成果，优化岩 机理.2003年开始的国际合作项目DECOVALEX- 石多场多相耦合作用下的力学性能试验设备，对 THMC极大促进了化学场的研究工作.THMC四场 应力场、温度场、水流场、化学场等多场耦合作用 耦合作用的数值模拟软件主要有TOUGHREACT、 下岩石的三轴加载、水压致裂、裂隙水流、化学劣 FLAC3D和COMSOL 化等不同试验研究，辅助以微观机理研究设备，分 Hou等SI将TOUGHREACT与FLAC3D相结 析其多场耦合作用机理，有效模拟现场工程问题， 合开发了岩石THMC四场耦合软件，可以综合反 以期得到有利于改进现场施工、对工程有一定指 映岩石热传导性能、水压、化学反应及裂隙渗透 导和参考价值的结果 性能.多场耦合作用主要表现在应力导致的裂隙 研究多场耦合作用过程中，要充分考虑岩石 面的磨平和固热流化多场耦合作用下裂隙的扩展 所处的多场耦合作用场在不同时间、空间尺度下 和岩石矿物的溶解②多场耦合软件模拟得出注 的耦合作用机理及岩石各向异性对数值模拟准确 入低温流体时的水压效应在几天内显现，热效应 性产生的影响，通过对多场耦合作用机理的分析， 在一个月左右显现，而化学效应在一年左右显现 构建更合理的模型并将其应用到数值方法和程序 于子望等B]介绍了TOUGHREACT和FLAC3D的 实现等方面

算多孔介质和裂隙表面的化学反应过程以及化学 溶解对孔隙度和渗透率等的影响. FRACSIM-3D 可以模拟裂隙网络模型的地下水水流、热传导和 化学溶解反应过程，得出岩石在水力作用下裂隙 的剪切和扩展，流体水流循环中的热弹性效应和 化学溶解过程[49] . TOUGH2 和 FLAC3D 的外部耦 合模块连接形成多场耦合软件，建立应力和多相 流孔隙压力、温度的关系，以及应力和孔隙度、渗 透率之间的关系. 在 TOUGH2-FLAC3D 的基础上， 利用 FISH 语言开发水力压裂模块，实现了 THM 三场耦合模拟. FEHM 软件基于有限体积法，建立 了多孔裂隙水流模型，模拟岩石在应力、温度等影 响下的渗透率和孔隙度等的变化. 国内开发的 RFPA 系列软件是基于有限元理论和损伤理论对 非均质各向异性材料进行破坏过程的数值模拟. RFPA3D-FLOW 通过建立的非均质裂隙岩体在多 场耦合作用下的物理模块，研究分析岩石在多场 耦合作用下的损伤演化和应力分布. ABAQUS 在 岩土介质多场耦合中使用较为广泛，基于温度−水 流−应力三场耦合数学模型，使用 Matlab 语言，以 ABAQUS 为求解器开发 THM 多场耦合程序，分析 岩石多场耦合效应[50] . 运用 ANSYS 有限元软件对 岩石多场耦合条件下的细观结构进行力学分析， 建立多场耦合作用的数学模型，对深部软岩巷道 围岩进行温度−应力−化学耦合作用的蠕变规律进 行数值模拟. 根据现场工程实际，综合考虑裂隙岩体的温 度−水流−应力−化学（THMC）多场耦合机理与数 值模拟更符合实际. THMC 多场耦合效应数值模 拟的重难点主要在于确定化学场作用下水化学对 岩石参数的影响和化学场作用下矿物的运移机制， 进一步得出考虑化学场的裂隙岩体多场耦合作用 机理. 2003 年开始的国际合作项目 DECOVALEX￾THMC 极大促进了化学场的研究工作. THMC 四场 耦合作用的数值模拟软件主要有 TOUGHREACT、 FLAC3D 和 COMSOL. Hou 等[51] 将 TOUGHREACT 与 FLAC3D 相结 合开发了岩石 THMC 四场耦合软件，可以综合反 映岩石热传导性能、水压、化学反应及裂隙渗透 性能. 多场耦合作用主要表现在应力导致的裂隙 面的磨平和固热流化多场耦合作用下裂隙的扩展 和岩石矿物的溶解[52] . 多场耦合软件模拟得出注 入低温流体时的水压效应在几天内显现，热效应 在一个月左右显现，而化学效应在一年左右显现. 于子望等[53] 介绍了 TOUGHREACT 和 FLAC3D 的 搭接方法，对实测值与数值模拟数据进行了对比 分析，验证数值模拟软件的实用性. Comsol 是一款通用的数值仿真软件，通过添 加模块实现对岩石多场耦合作用的模拟，其中数 学模型模块可以通过自订立偏微分方程组的形式 进行模型构建和模拟. Comsol 与 Matlab 可以实现 完美对接，利用 Matlab 进行模型设定和预处理，生 成需要的随机裂隙网络模型. 国内对 Comsol 涉及 化学场的耦合模拟研究相对较少. 国外的研究中， Nardi 等[54] 通过 COMSOL 和 PHREEQC 搭接的方 法对THMC 耦合进行模拟，Nasir 等[55] 利用MATLAB 对 COMSOL 与 PHREEQC 程 序 进 行 搭 接 ， 使 用 COMSOL 计算流固热耦合部分，使用 PHREEQC 程序计算化学反应部分，得出的数值模拟结果与 实验数据有良好的匹配性. 3    结论与展望 本文总结分析了国内外关于裂隙岩体在温度− 水力−应力−化学（THMC）多场耦合作用下的岩石 微观−细观−宏观多尺度力学试验设备的改进和研 发，以及数值模拟软件和耦合计算程序的开发等 方面的研究，分析探讨了岩石在多场耦合作用下 研究的重难点. 岩石多场耦合研究中，目前的研究重点还是 集中在两场、三场耦合状态下的岩石力学性能，而 化学场的引入是今后研究 THMC 四场耦合作用的 关键和重点. 因此，需要强化相关理论知识，优化 实验设备，基于多场耦合模型相关实验结果的支 撑，开展相关的原位实验研究，建立可靠的数据 库，为模型的研究与数值计算提供指导和保障. 基于不同科研单位的创新研发成果，优化岩 石多场多相耦合作用下的力学性能试验设备，对 应力场、温度场、水流场、化学场等多场耦合作用 下岩石的三轴加载、水压致裂、裂隙水流、化学劣 化等不同试验研究，辅助以微观机理研究设备，分 析其多场耦合作用机理，有效模拟现场工程问题， 以期得到有利于改进现场施工、对工程有一定指 导和参考价值的结果. 研究多场耦合作用过程中，要充分考虑岩石 所处的多场耦合作用场在不同时间、空间尺度下 的耦合作用机理及岩石各向异性对数值模拟准确 性产生的影响，通过对多场耦合作用机理的分析， 构建更合理的模型并将其应用到数值方法和程序 实现等方面. · 54 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 55 参考文献 [11]Sheng JC,Du YC.Zhou Q,et al.Development and application of a permeability test system for rock coupling thermal-hydrological- [1]Wang YC.Study on Creep Law of Deep Sof Rock under Thermal- mechanical-chemical Processes.J Yangtze River Sci Res Inst, Mechanical-Chemical Coupling Effect [Dissertation].Qingdao: 2019,36(3):145 Qingdao University of Science and Technology,2013 (盛金昌，杜昀宸，周庆，等.岩石THMC多因素耦合试验系统研 (王艳春.深部软岩温度一应力一化学三场耦合作用下蠕变规 制与应用.长江科学院院报，2019,36(3)：145) 律研究学位论文].青岛：青岛科技大学，2013) [12]Xu W J,Wang S,Zhang H Y,et al.Discrete element modelling of [2]Chen W Z,Yu H D,Wang X Q,et al.Development of a double a soil-rock mixture used in an embankment dam.Int/Rock Mech linkage triaxial testing machine for hydro-mechanical coupling in Min Sc,2016,86:141 soft rock.Chin J Rock Mech Eng,2009,28(11):2176 [13]Liu D M,Cai M F,Zhou Y B.Study on the relationship between (陈卫忠，于洪丹，王晓全，等.双联动软岩渗流-应力耦合流变 meso damage development and macro deformation of rock under 仪的研制.岩石力学与工程学报，2009,28(11)：2176) uniaxial compression.China Tungsten Ind,2006,21(4):16 [3]Jia Y R.Research on triaxial rock creep apparatus and its (刘冬梅，蔡美峰，周玉斌岩石细观损伤演化与宏观变形响应 preliminary test results.J Wuhan Inst Hydraul Eng,1985(1):149 关联研究.中国钨业，2006,21(4)：16) (贾思如.岩石三轴流变仪的研制及初步试验成果，武汉水利电 [14]Zhang F,Wang L,Zhao JJ,et al.Evolution of permeability of 力学院学报，1985(1)：149) granite with tensile and compressive-shear cracks.Rock Soil Mech, [4]Ping C,Wen Y D,Wang Y X,et al.Study on nonlinear damage 2016.37(10):2803 creep constitutive model for high-stress soft rock.Eviron Earh (张帆，王亮，赵建建，等.花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研 Sci,2016,75(10):900 究.岩土力学，2016,37(10)：2803) [5]Wang X J,Rong G,Zhou C B.Permeability experimental study of [15]Polak A,Elsworth D,Liu J S,et al.Spontaneous switching of gritstone in deformation and failure processes.Chin J Rock Mech permeability changes in a limestone fracture with net dissolution. Emg,2012,31(Suppl1上2940 Water Resour Res,2004,40(3):W03502 (王小江，荣冠，周创兵.粗砂岩变形破坏过程中渗透性试验研 [16]Zhou H W,He J M,Wu Z D.Permeability and meso-structure 究.岩石力学与工程学报，2012,31（增刊1）2940) characteristics of bedded salt rock.ChinJRock Mech Eng,2009 [6]Peng J,Rong G,Zhou C B,et al.Experimental study of effect of 28(10):2068 water pressure on progressive failure process of rocks under (周宏伟，何金明，武志德.含夹层盐岩渗透特性及其细观结构 compression.Rock Soil Mech,2013.34(4):941 特征.岩石力学与工程学报，2009,28(10)：2068) (彭俊，荣冠，周创兵，等.水压影响岩石渐进破裂过程的试验研 [17]Homand-Etienne F.Houpert R.Thermally induced microcracking 究.岩土力学，2013,34(4)：941) in granites:characterization and analysis.Int Rock Mech Min Sci [7]Sheng JC.Li F B.Yao DS,et al.Experimental study of seepage Geomech Abstracts,1989,26(2):125 properties in rocks fracture under coupled hydro-mechano [18]Wang Y,Dusseault M B.A coupled conductive -convective chemical process.Chin J Rock Mech Eng,2012,31(5):1016 thermo-poroelastic solution and implications for wellbore stability (盛金昌，李凤滨，姚德生，等.渗流-应力化学耦合作用下岩石 JPetrol Sci Eng,2003,38(3-4):187 裂隙渗透特性试验研究.岩石力学与工程学报，2012,31(5)： [19]Ge X R.Deformation control law of rock fatigue failure,real-time 1016) X-ray CT scan of geotechnical testing,and new method of stability [8]Ye Y M.Research on Heating System and Hydraulic Servo System analysis of slopes and dam foundations.Chin J Georech Eng, of Integral Rock Mechanics Testing Machine [Dissertation] 2008.30(1):1 Beijing:Beijing Jiaotong University,2018 (葛修润.岩石疲劳破坏的变形控制律、岩土力学试验的实时 (叶育茂.一体式岩石力学试验机加热系统及液压伺服系统研 X射线CT扫描和边坡坝基抗滑稳定分析的新方法.岩土工程学 究学位论文1.北京：北京交通大学，2018) 报，2008,30(1)：1) [9]Zhou H,Tang Y C,Hu D W,et al.Study on coupled penetrating- [20]Chen S L.Zhang J Y,Ning B K.et al.Experimental study of dissolving model and experiment for salt rock cracks.Chin J Rock sodium sulfate solution effect on the shear strength of cemented Mech Eng,.2006,25(5):946 soil.Ady Sci Technol Water Resour,2015,35(6):82 (周辉，汤艳春，胡大伟，等.盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型及试 (陈四利，张精禹，宁宝宽，等.硫酸钠溶液对水泥土抗剪强度的 验研究.岩石力学与工程学报，2006,25(5)：946) 影响试验.水利水电科技进展，2015,35(6)：82) [10]Zhang D C,Zhou J P,Xian X F,et al.Experiment study on the [21]Chen S L,Feng X T,Li S J.The effects of chemical erosion on coupling multi-field effect on the dynamic variation of mechanical behaviors of Xiaolangdi sandstone.Rock Soil Mech, permeability in shale.Chin J Underground Space Eng,2018, 2002,23(3):284 14(3):613 (陈四利，冯夏庭，李邵军.化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特 (张道川，周军平，鲜学福，等.多场耦合作用下页岩渗透特性实 性的影响.岩土力学，2002,23(3)：284) 验研究.地下空间与工程学报，2018.14(3)：613) [22]Zhou K Q,Chu Z H,Zhang Y Z,et al.Research of the detection

参    考    文    献 Wang Y C. Study on Creep Law of Deep Soft Rock under Thermal￾Mechanical-Chemical Coupling Effect [Dissertation].  Qingdao: Qingdao University of Science and Technology, 2013 （王艳春. 深部软岩温度—应力—化学三场耦合作用下蠕变规 律研究[学位论文]. 青岛: 青岛科技大学, 2013） [1] Chen W Z, Yu H D, Wang X Q, et al. Development of a double linkage triaxial testing machine for hydro-mechanical coupling in soft rock. Chin J Rock Mech Eng, 2009, 28（11）: 2176 （陈卫忠, 于洪丹, 王晓全, 等. 双联动软岩渗流–应力耦合流变 仪的研制. 岩石力学与工程学报, 2009, 28（11）：2176） [2] Jia  Y  R.  Research  on  triaxial  rock  creep  apparatus  and  its preliminary test results. J Wuhan Inst Hydraul Eng, 1985（1）: 149 （贾愚如. 岩石三轴流变仪的研制及初步试验成果. 武汉水利电 力学院学报, 1985（1）：149） [3] Ping C, Wen Y D, Wang Y X, et al. Study on nonlinear damage creep  constitutive  model  for  high-stress  soft  rock. Environ Earth Sci, 2016, 75（10）: 900 [4] Wang X J, Rong G, Zhou C B. Permeability experimental study of gritstone in deformation and failure processes. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31(Suppl1): 2940 （王小江, 荣冠, 周创兵. 粗砂岩变形破坏过程中渗透性试验研 究. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(增刊1): 2940） [5] Peng J, Rong G, Zhou C B, et al. Experimental study of effect of water  pressure  on  progressive  failure  process  of  rocks  under compression. Rock Soil Mech, 2013, 34（4）: 941 （彭俊, 荣冠, 周创兵, 等. 水压影响岩石渐进破裂过程的试验研 究. 岩土力学, 2013, 34（4）：941） [6] Sheng J C, Li F B, Yao D S, et al. Experimental study of seepage properties  in  rocks  fracture  under  coupled  hydro-mechano￾chemical process. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31（5）: 1016 （盛金昌, 李凤滨, 姚德生, 等. 渗流-应力-化学耦合作用下岩石 裂隙渗透特性试验研究. 岩石力学与工程学报, 2012, 31（5）： 1016） [7] Ye Y M. Research on Heating System and Hydraulic Servo System of Integral Rock Mechanics Testing Machine [Dissertation]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2018 （叶育茂. 一体式岩石力学试验机加热系统及液压伺服系统研 究[学位论文]. 北京: 北京交通大学, 2018） [8] Zhou H, Tang Y C, Hu D W, et al. Study on coupled penetrating￾dissolving model and experiment for salt rock cracks. Chin J Rock Mech Eng, 2006, 25（5）: 946 （周辉, 汤艳春, 胡大伟, 等. 盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型及试 验研究. 岩石力学与工程学报, 2006, 25（5）：946） [9] Zhang  D  C,  Zhou  J  P,  Xian  X  F,  et  al.  Experiment  study  on  the coupling  multi-field  effect  on  the  dynamic  variation  of permeability  in  shale. Chin J Underground Space Eng,  2018, 14（3）: 613 （张道川, 周军平, 鲜学福, 等. 多场耦合作用下页岩渗透特性实 验研究. 地下空间与工程学报, 2018, 14（3）：613） [10] Sheng J C, Du Y C, Zhou Q, et al. Development and application of a permeability test system for rock coupling thermal-hydrological￾mechanical-chemical  Processes. J Yangtze River Sci Res Inst, 2019, 36（3）: 145 （盛金昌, 杜昀宸, 周庆, 等. 岩石THMC多因素耦合试验系统研 制与应用. 长江科学院院报, 2019, 36（3）：145） [11] Xu W J, Wang S, Zhang H Y, et al. Discrete element modelling of a soil-rock mixture used in an embankment dam. Int J Rock Mech Min Sci, 2016, 86: 141 [12] Liu D M, Cai M F, Zhou Y B. Study on the relationship between meso damage development and macro deformation of rock under uniaxial compression. China Tungsten Ind, 2006, 21（4）: 16 （刘冬梅, 蔡美峰, 周玉斌. 岩石细观损伤演化与宏观变形响应 关联研究. 中国钨业, 2006, 21（4）：16） [13] Zhang  F,  Wang  L,  Zhao  J  J,  et  al.  Evolution  of  permeability  of granite with tensile and compressive-shear cracks. Rock Soil Mech, 2016, 37（10）: 2803 （张帆, 王亮, 赵建建, 等. 花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研 究. 岩土力学, 2016, 37（10）：2803） [14] Polak  A,  Elsworth  D,  Liu  J  S,  et  al.  Spontaneous  switching  of permeability changes in a limestone fracture with net dissolution. Water Resour Res, 2004, 40（3）: W03502 [15] Zhou  H  W,  He  J  M,  Wu  Z  D.  Permeability  and  meso-structure characteristics of bedded salt rock. Chin J Rock Mech Eng, 2009, 28（10）: 2068 （周宏伟, 何金明, 武志德. 含夹层盐岩渗透特性及其细观结构 特征. 岩石力学与工程学报, 2009, 28（10）：2068） [16] Homand-Etienne F, Houpert R. Thermally induced microcracking in granites: characterization and analysis. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstracts, 1989, 26（2）: 125 [17] Wang  Y,  Dusseault  M  B.  A  coupled  conductive –convective thermo-poroelastic solution and implications for wellbore stability. J Petrol Sci Eng, 2003, 38（3-4）: 187 [18] Ge X R. Deformation control law of rock fatigue failure, real-time X-ray CT scan of geotechnical testing, and new method of stability analysis  of  slopes  and  dam  foundations. Chin J Geotech Eng, 2008, 30（1）: 1 （葛修润. 岩石疲劳破坏的变形控制律、岩土力学试验的实时 X射线CT扫描和边坡坝基抗滑稳定分析的新方法. 岩土工程学 报, 2008, 30（1）：1） [19] Chen  S  L,  Zhang  J  Y,  Ning  B  K,  et  al.  Experimental  study  of sodium  sulfate  solution  effect  on  the  shear  strength  of  cemented soil. Adv Sci Technol Water Resour, 2015, 35（6）: 82 （陈四利, 张精禹, 宁宝宽, 等. 硫酸钠溶液对水泥土抗剪强度的 影响试验. 水利水电科技进展, 2015, 35（6）：82） [20] Chen S L, Feng X T, Li S J. The effects of chemical erosion on mechanical  behaviors  of  Xiaolangdi  sandstone. Rock Soil Mech, 2002, 23（3）: 284 （陈四利, 冯夏庭, 李邵军. 化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特 性的影响. 岩土力学, 2002, 23（3）：284） [21] [22] Zhou K Q, Chu Z H, Zhang Y Z, et al. Research of the detection 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 · 55 ·