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

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 1393· 前期研究中，学者主要考虑水流-应力单纯的两场 的岩体假定为均质的连续各向同性材料)，这显 耦合作用下的岩石力学性能，研究了应力作用下 然违背了自然裂隙岩体存在天然缺陷的真实情 岩石的渗透性能，建立了岩石应力-水流耦合关系 况.因此，传统的强度理论只能反映完整无损材料 对于岩石在水流-应力耦合作用下的力学特征及 的力学性能，国内外学者在致力于探索可以反映 渗透率变化规律等方面的研究主要以室内和现场 损伤及含节理岩体力学性能的本构关系 试验为主要研究手段，通过对岩石全应力应变渗 岩石强度是指岩石破坏时的应力、应变状态 透率的研究可以得出其变化规律：弹性阶段岩石 或抵抗破坏的极限强度，岩石的破坏是一种特殊 由于内部原生微裂隙在压力作用下被压密，渗透 的变形状态，失去了应有的承载能力.岩石强度与 率随着压力的增加而降低：在弹塑性阶段随着新 破坏密切相关，岩石破坏时的应力值即为岩石强 生微裂纹的出现及裂隙演化贯通，渗透率先逐 度.岩石强度理论主要分为理论强度理论和经验 渐增加后迅速增加，在峰值前后达到最大值；在残 强度理论（表1）.理论强度理论2是在材料力学 余流动阶段，根据岩石内部孔隙发育情况，渗透率 和弹性力学基础上得出的，包括最大正应力强度 变化不稳定.因此岩石的渗透率变化与岩石的变形 理论、最大剪应力理论、最大正应变理论、八面体 破坏过程密切相关，而且经过研究发现岩石的环向 剪应力理论4个经典强度理论和Mohr-Coulomb 应变与轴向应变与渗透率演化规律的关系更大. 强度理论、Griffith和修正的Griffith理论以及双剪 裂隙岩体THM三场耦合的相关研究最早开 强度理论等经验强度理论是在岩石力学实验 始于20世纪80年代，国内外学者对多场耦合作用 的基础上总结得出的用以近似描述岩石破坏过程 下地下岩体的力学性能进行深入的分析和研究， 的强度理论，比如Hoek-Brown经验强度准则 提出了核废料处理及地热开发工程中多场耦合效 近年来常用的岩石强度准则主要有Hoek- 应研究的迫切性.THM耦合模型的研究涉及到 Brown强度准测、Mohr-Coulomb强度准测、Drucker- 热、水、力三个物理场，需以TM,HM耦合模型的 Prage强度准则和Griffith强度准则2 Griffith提 研究成果为基础，但较TM,HM耦合问题更为复 出固体材料实际力学强度低于理论强度原因主要 杂.对THM耦合模型的研究，首先需建立合理的 为裂隙及缺陷的存在，20世纪50年代，Irwin基于 耦合作用模式，明确所需考虑的耦合关系，在耦合 应力函数推导出裂隙尖端应力场和位移场的理论 作用模式的指导下，建立各场之间的耦合方程，完 解7，提出应力强度因子，从而奠定了断裂力学的 成耦合模型的建立.地下工程中的温度场、水流 基础.基于Griffith能量准则，研究分析了岩石脆 场和围岩应力场的耦合效应越来越显现，成为科 性材料断裂过程中裂纹演化扩展方向与初始裂纹 研工作的重要内容之一 倾角的关系.通过对裂纹在压剪作用下的拉应力 1.3岩石多场耦合力学理论研究 集中和压应力集中分析，正剪切裂纹在压剪作用 自然界的岩体是一种复杂的非均质材料，在 下垂直于受力方向扩展，进而建立了压剪断裂强 长期的工程计算中主要采用的计算方法是基于材 度理论.周家文等]根据最小应力强度准则确定 料力学和结构力学的传统强度计算理论，将复杂 压剪裂纹起裂角，利用Mohr-Coulumb强度准则 表1岩石强度理论P网 Table 1 Rock strength theory Strength theory of rock mass Maximum normal stress theory Maximum positive strain theory Classical strength criterion Maximum shear stress theory Theoretical strength criterion of rock mass Octahedral shear stress theory Theoretical strength criterion Mohr-Coulomb strength theory Griffith strength theory Double shear strength theory Strength criterion of structural plane Strength theory based on Mohr-Coulomb Empirical strength criterion Hoek-Brown strength criterion

前期研究中，学者主要考虑水流–应力单纯的两场 耦合作用下的岩石力学性能，研究了应力作用下 岩石的渗透性能，建立了岩石应力–水流耦合关系. 对于岩石在水流–应力耦合作用下的力学特征及 渗透率变化规律等方面的研究主要以室内和现场 试验为主要研究手段，通过对岩石全应力应变渗 透率的研究可以得出其变化规律：弹性阶段岩石 由于内部原生微裂隙在压力作用下被压密，渗透 率随着压力的增加而降低；在弹塑性阶段随着新 生微裂纹的出现及裂隙演化贯通[12] ，渗透率先逐 渐增加后迅速增加，在峰值前后达到最大值；在残 余流动阶段，根据岩石内部孔隙发育情况，渗透率 变化不稳定. 因此岩石的渗透率变化与岩石的变形 破坏过程密切相关，而且经过研究发现岩石的环向 应变与轴向应变与渗透率演化规律的关系更大. 裂隙岩体 THM 三场耦合的相关研究最早开 始于 20 世纪 80 年代，国内外学者对多场耦合作用 下地下岩体的力学性能进行深入的分析和研究， 提出了核废料处理及地热开发工程中多场耦合效 应研究的迫切性. THM 耦合模型的研究涉及到 热、水、力三个物理场，需以 TM，HM 耦合模型的 研究成果为基础，但较 TM，HM 耦合问题更为复 杂. 对 THM 耦合模型的研究，首先需建立合理的 耦合作用模式，明确所需考虑的耦合关系，在耦合 作用模式的指导下，建立各场之间的耦合方程，完 成耦合模型的建立. 地下工程中的温度场、水流 场和围岩应力场的耦合效应越来越显现，成为科 研工作的重要内容之一. 1.3    岩石多场耦合力学理论研究 自然界的岩体是一种复杂的非均质材料，在 长期的工程计算中主要采用的计算方法是基于材 料力学和结构力学的传统强度计算理论，将复杂 的岩体假定为均质的连续各向同性材料[23] ，这显 然违背了自然裂隙岩体存在天然缺陷的真实情 况. 因此，传统的强度理论只能反映完整无损材料 的力学性能，国内外学者在致力于探索可以反映 损伤及含节理岩体力学性能的本构关系. 岩石强度是指岩石破坏时的应力、应变状态 或抵抗破坏的极限强度，岩石的破坏是一种特殊 的变形状态，失去了应有的承载能力. 岩石强度与 破坏密切相关，岩石破坏时的应力值即为岩石强 度. 岩石强度理论主要分为理论强度理论和经验 强度理论（表 1）. 理论强度理论[24] 是在材料力学 和弹性力学基础上得出的，包括最大正应力强度 理论、最大剪应力理论、最大正应变理论、八面体 剪应力理论 4 个经典强度理论和 Mohr–Coulomb 强度理论、Griffith 和修正的 Griffith 理论以及双剪 强度理论等[25] . 经验强度理论是在岩石力学实验 的基础上总结得出的用以近似描述岩石破坏过程 的强度理论，比如 Hoek–Brown 经验强度准则. 近年来常用的岩石强度准则主要有 Hoek– Brown 强度准则、Mohr–Coulomb 强度准则、Drucker– Prage 强度准则和 Griffith 强度准则[26] . Griffith 提 出固体材料实际力学强度低于理论强度原因主要 为裂隙及缺陷的存在，20 世纪 50 年代，Irwin 基于 应力函数推导出裂隙尖端应力场和位移场的理论 解[27] ，提出应力强度因子，从而奠定了断裂力学的 基础. 基于 Griffith 能量准则，研究分析了岩石脆 性材料断裂过程中裂纹演化扩展方向与初始裂纹 倾角的关系. 通过对裂纹在压剪作用下的拉应力 集中和压应力集中分析，正剪切裂纹在压剪作用 下垂直于受力方向扩展，进而建立了压剪断裂强 度理论. 周家文等[28] 根据最小应力强度准则确定 压剪裂纹起裂角，利用 Mohr–Coulumb 强度准则 表 1 岩石强度理论[24] Table 1 Rock strength theory[24] Strength theory of rock mass Theoretical strength criterion Theoretical strength criterion of rock mass Classical strength criterion Maximum normal stress theory Maximum positive strain theory Maximum shear stress theory Octahedral shear stress theory Mohr–Coulomb strength theory Griffith strength theory Double shear strength theory Strength criterion of structural plane Strength theory based on Mohr–Coulomb Empirical strength criterion Hoek–Brown strength criterion 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 · 1393 ·

1394 工程科学学报，第42卷，第11期 和Drucker--Prage强度准则建立脆性岩石压剪破 Change of thermal conductivity Change in hydraulic properties Entropy dissipation 坏的不同判据.Tang等29通过对多裂纹材料的实 验研究得出岩石的裂纹扩展机理，采用Rock Failure Mechanic Stress-strain Process Analysis(RFPAZa)软件进行了数值模拟 Pore pressure 验证 Velocity field Flow of water Heat transfer 2岩石多场耦合本构模型 Buoyancy and viscosity 2.1多场耦合本构模型 Velocity Temperature 岩石的水流-应力耦合本构模型可以从理论 field Radionuclide field migration 上定量地预测和分析岩石的水流-应力耦合行为， 相关学者主要从数学和力学两方面推导该本构模 图8热液力过程之间的相互关系 Fig.8 Interdependence of thermal-fluid-mechanical process 型，通过试验和数值模拟相结合对本构模型进行 验证和应用分析.将水流-应力耦合力学模型分为 目前已有学者提出一些理论模型来研究水 六种，分别为等效连续介质模型、双重介质模型、 流-化学耦合过程或水流-应力-化学耦合过程中 裂隙网络模型、连续损伤力学模型、断裂力学模 裂隙岩体的渗透特性演化规律.Dreybrodt与 型和统计模型0，其中前三种从黏弹塑性本构模 Buhmannt对提出了薄膜理论模型用来研究岩石在 型出发，侧重考虑水流场的影响，而后三种则着重 水流-化学影响下，方解石表面受水化学影响的溶 考虑水流-应力耦合对于岩石损伤及损伤演化带来 解和沉淀机理.Taron等B6建立了岩石单裂隙中 的岩石内部结构的变化所产生的复杂耦合效应. 的水流-化学耦合作用偏微分方程组，用来模拟岩 在地下矿山开采、地热资源开发等岩石多场 石粗糙裂隙面的水流-化学耦合作用，通过后期数 耦合的研究中，温度、水流、应力和化学(THMC) 值分析可以得出岩石水流的沟道流现象和岩石水 四场耦合的研究越来越重要B曾春雷从质量 化学的不均匀性.岩石水-化学耦合作用过程很复 守恒、动量平衡和能量守恒原理出发推导了THM 杂，对于多孔岩石材料，寻求可以全面反映岩石耦 三场耦合作用控制方程.裂隙岩体在THM三场耦 合作用及裂隙几何结构变化的数学模型，加入岩 合作用时的各耦合阶段作用过程如图7所示)， 石化学反应平衡过程的处理并建立更完善的数学 分别为：①流体热对流作用，②流体性质随温度变 模型是当前研究的两大难点.Yasuharal7基于岩 化，③岩石内部耗散产热及应力应变引起的岩石 石颗粒之间的压溶作用机制建立了集总参数模 热特性变化，④温度诱发的应力应变，⑤水压力对 型，用规则球形颗粒模型模拟岩石压力溶解中裂 应力的影响，⑥孔隙度和裂隙宽度变化. 隙岩体渗透性的变化，通过球形颗粒的压溶和裂 隙压溶之间的类比关系建立岩体裂隙压溶表达 Thermal 式.Yeh与Tripathi建立的岩石化学反应传输模 (T) 型，将裂隙岩体视为非均质、各向异性多孔介质， 考虑岩石在复杂水化学影响下产生的化学反应和 ① ④ 耦合作用，建立数学模型用以全面反映岩石溶质 ③ ③ 的运移、沉淀、氧化还原、吸附和离子交换、酸碱 反应等过程9该模型的不足之处为无法反映岩 石细管裂隙演化结构特征，忽略了岩石溶解沉淀 ⑤ 中孔隙的结构变化. Hydrological Mechanical H ⑥ (M) 岩体在温度-水流-应力三场耦合作用下的相 互交叉作用机制中，损伤产生不可忽略的影响.岩 图7THM耦合示意图B 体裂隙的分布及其对岩石力学性能的影响是初试 Fig.7 Diagram of coupled THM 损伤，三场耦合作用下的岩体裂隙演化扩展直至 Bekele等B研究了关于核废料处理中的三场 破坏是损伤演化.因此在岩石多场耦合作用数学 耦合作用下裂隙岩体的变形问题，提出了如图8 模型的建立过程中，不可忽视细观损伤对温度-水 所示的核废料储存库三场耦合作用示意图 流-应力三场耦合作用的影响.裂隙岩体温度-水

和 Drucker–Prage 强度准则建立脆性岩石压剪破 坏的不同判据. Tang 等[29] 通过对多裂纹材料的实 验研究得出岩石的裂纹扩展机理，采用 Rock Failure Process  Analysis(RFPAZa) 软 件 进 行 了 数 值 模 拟 验证. 2    岩石多场耦合本构模型 2.1    多场耦合本构模型 岩石的水流–应力耦合本构模型可以从理论 上定量地预测和分析岩石的水流–应力耦合行为， 相关学者主要从数学和力学两方面推导该本构模 型，通过试验和数值模拟相结合对本构模型进行 验证和应用分析. 将水流–应力耦合力学模型分为 六种，分别为等效连续介质模型、双重介质模型、 裂隙网络模型、连续损伤力学模型、断裂力学模 型和统计模型[30] ，其中前三种从黏弹塑性本构模 型出发，侧重考虑水流场的影响，而后三种则着重 考虑水流–应力耦合对于岩石损伤及损伤演化带来 的岩石内部结构的变化所产生的复杂耦合效应. 在地下矿山开采、地热资源开发等岩石多场 耦合的研究中，温度、水流、应力和化学（THMC） 四场耦合的研究越来越重要[31] . 曾春雷[32] 从质量 守恒、动量平衡和能量守恒原理出发推导了 THM 三场耦合作用控制方程. 裂隙岩体在 THM 三场耦 合作用时的各耦合阶段作用过程如图 7 所示[33] ， 分别为：①流体热对流作用，②流体性质随温度变 化，③岩石内部耗散产热及应力应变引起的岩石 热特性变化，④温度诱发的应力应变，⑤水压力对 应力的影响，⑥孔隙度和裂隙宽度变化. Bekele 等[34] 研究了关于核废料处理中的三场 耦合作用下裂隙岩体的变形问题，提出了如图 8 所示的核废料储存库三场耦合作用示意图. 目前已有学者提出一些理论模型来研究水 流–化学耦合过程或水流–应力–化学耦合过程中 裂 隙 岩 体 的 渗 透 特 性 演 化 规 律 . Dreybrodt 与 Buhmann[35] 提出了薄膜理论模型用来研究岩石在 水流–化学影响下，方解石表面受水化学影响的溶 解和沉淀机理. Taron 等[36] 建立了岩石单裂隙中 的水流–化学耦合作用偏微分方程组，用来模拟岩 石粗糙裂隙面的水流–化学耦合作用，通过后期数 值分析可以得出岩石水流的沟道流现象和岩石水 化学的不均匀性. 岩石水–化学耦合作用过程很复 杂，对于多孔岩石材料，寻求可以全面反映岩石耦 合作用及裂隙几何结构变化的数学模型，加入岩 石化学反应平衡过程的处理并建立更完善的数学 模型是当前研究的两大难点. Yasuhara[37] 基于岩 石颗粒之间的压溶作用机制建立了集总参数模 型，用规则球形颗粒模型模拟岩石压力溶解中裂 隙岩体渗透性的变化，通过球形颗粒的压溶和裂 隙压溶之间的类比关系建立岩体裂隙压溶表达 式. Yeh 与 Tripathi[38] 建立的岩石化学反应传输模 型，将裂隙岩体视为非均质、各向异性多孔介质， 考虑岩石在复杂水化学影响下产生的化学反应和 耦合作用，建立数学模型用以全面反映岩石溶质 的运移、沉淀、氧化还原、吸附和离子交换、酸碱 反应等过程[39] . 该模型的不足之处为无法反映岩 石细管裂隙演化结构特征，忽略了岩石溶解沉淀 中孔隙的结构变化. 岩体在温度–水流–应力三场耦合作用下的相 互交叉作用机制中，损伤产生不可忽略的影响. 岩 体裂隙的分布及其对岩石力学性能的影响是初试 损伤，三场耦合作用下的岩体裂隙演化扩展直至 破坏是损伤演化. 因此在岩石多场耦合作用数学 模型的建立过程中，不可忽视细观损伤对温度–水 流–应力三场耦合作用的影响. 裂隙岩体温度–水 Hydrological (H) Thermal (T) 5 Mechanical (M) 6 1 2 3 4 图 7    THM 耦合示意图[33] Fig.7    Diagram of coupled THM[33] Mechanic Stress-strain Radionuclide migration Flow of water Heat transfer Pore pressure Velocity field Buoyancy and viscosity Velocity field Temperature field Change of thermal conductivity Change in hydraulic properties Entropy dissipation 图 8    热液力过程之间的相互关系 Fig.8    Interdependence of thermal-fluid-mechanical process · 1394 · 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 ·1395· 流-应力三场耦合作用机制非常复杂，因此在考虑 分运移方程等多场耦合数学模型，开发合理的数 岩石热和水对岩石力学性能影响的同时，需要重 值模拟方法.岩石力学多场耦合作用研究不仅要 点考虑岩石应力对岩石渗透性、热传导性及岩石 从宏观角度分析，也要建立微观、细观孔隙结构的 力学性能的影响.岩石力学多场耦合数学模型构 数学模型来计算和模拟耦合过程，建立微观-细观- 建基于以下假设：①岩石材料为非均质材料，裂隙 宏观多尺度耦合过程分析理论和方法.刘泽佳等 岩体细观单元中损伤的分布通过数字图像扫描形 建立了多孔介质温度-水流-力学-化学(THMC)耦 成：②岩石的热传导遵从Fourier定律；③岩石的水 合过程本构模型，同时发展了岩石耦合研究的数 流过程基于Biot固结理论和修正Terzaghi有效应 值模拟方法.王炳印等7考虑泥页岩地层的温度- 力原理；④岩石中细观单元为弹脆性如，岩石力学 孔隙压力-力学一泥页岩水化学耦合作用，建立了 性能描述使用Mohr-Coulomb准则、最大拉应变 耦合数学模型 准则和弹性损伤理论等，岩石细观单元在弹性 2.2深部岩石蠕变本构模型研究 状态下热力学不变，同时满足水流-应力应变函 岩石在多场耦合作用下的流变现象是当前岩 数，但是破坏后岩石的热传导率和渗透率发生突 石力学研究的重点之一，学者致力于寻求岩石在 变.建立描述岩石单元体损伤后热传导率和渗透 温度-水流-应力-化学多场耦合作用下的力学效 率的演化方程，用以描述岩石的破坏过程中温度 应，建立合理的流变模型]只有通过系列岩石流 场、水流场相互作用 变试验研究，建立能够反映岩石流变性能的本构 在国内研究中，许孝臣与盛金昌②利用分形 模型，建立正确合理的本构方程，才能更加准确地 理论建立了一组裂隙结构面，通过建立的单裂隙 描述岩石的流变性能，为现场实际工程提供指导 水流-应力-化学耦合作用的渗透性变化数学模 在岩石流变性能研究中，多种不同类型的流变本 型，计算分析了岩石单裂隙在高压水作用下的裂 构模型得到应用，以下对几种重点流变模型进行 隙平均开度变化，得出岩石压力溶解过程中水流 介绍 通道的形成.梁卫国建立了溶解-固-水流-传 岩石含水量对于蠕变特性的影响较大，水 质耦合数学模型，将三维固体变形模型和水流、扩 会影响岩石的顺势弹性变形、蠕变变形时间和蠕 散模型结合，得出岩石相关变量的相互作用及变 变变形量等[对于岩石含水量对岩石蠕变的影 化规律.陈强分析了地下水的不同组分，采用 响通常采用的方法是用干燥岩石试件和饱水岩石 化学热力学方法进一步分析了碳酸盐岩影响.周 试件，对比两种含水状态下岩石的蠕变特性，定性 辉等4啊假定岩石由岩石基质、裂隙及球形孔隙组 分析水对岩石蠕变特性的影响.由于岩石所处的 成，岩石孔隙均匀分布，推导得出岩石的有效孔隙 含水状态不一定是完全干燥或饱水状态，因此研 度表达式，建立岩石细观统计水流模型，将岩石裂 究岩石含水率对岩石力学性能的影响，并建立岩 纹演化中渗透性视为非线性动态过程，综合考虑 石含水率的蠕变模型具有重要的意义，对于地下 岩石裂纹演化和水流的耦合作用 工程，岩石所处的地下水中往往含有化学离子，因 多场耦合作用下裂隙岩体的水流性能随着时 此研究这些化学酸碱性腐蚀离子对岩石力学性能 间发生较大变化，因此研究裂隙岩体水流场和应 (包括蠕变特性)的影响也是重要研究方向之一 力场耦合作用下的时间效应对于工程稳定性分析 岩石所处环境的干湿循环和水流对岩石流变性能 具有一定的指导意义.有学者采用等效连续介质 的影响主要采用岩石全自动流变伺服试验机，分 模型对岩石流固耦合作用下的流变效应进行研 析水对岩石蠕变变形和渗透特性的影响， 究，得出岩石耦合条件下的流变数学模型，并根据 对于深部地下工程、地热能开发和核废料地 编制的有限元程序进行分析. 下储存等工程的开展，岩石在温度和时间共同作 岩石的温度-水流-化学-应力耦合作用是岩 用下的力学性能的变化规律需要进一步研究.刘 石多场耦合研究中的难点，国内外对流固热化学 泉声等考虑岩石受温度影响时的热、黏弹塑 多场耦合作用下的裂隙岩体的力学性能、渗透性 性，通过试验研究了7种不同温度作用下岩石单 能和数学模型的研究非常复杂M,需要综合采用微 轴压缩蠕变随温度的变化关系，建立了流变模型 细观研究、物理试验、数学模型分析和数值模拟 徐伟亚与杨圣奇对节理岩石进行了剪切流变试 分析等方法来揭示岩石多场耦合作用机理.建立 验，得出节理岩石的长期抗剪强度参数)近年 岩石热力学方程、水流方程、力学方程、化学多组 来，三轴流变仪和岩石流变扰动效应试验仪的

流–应力三场耦合作用机制非常复杂，因此在考虑 岩石热和水对岩石力学性能影响的同时，需要重 点考虑岩石应力对岩石渗透性、热传导性及岩石 力学性能的影响. 岩石力学多场耦合数学模型构 建基于以下假设：①岩石材料为非均质材料，裂隙 岩体细观单元中损伤的分布通过数字图像扫描形 成；②岩石的热传导遵从 Fourier 定律；③岩石的水 流过程基于 Biot 固结理论和修正 Terzaghi 有效应 力原理；④岩石中细观单元为弹脆性[40] ，岩石力学 性能描述使用 Mohr–Coulomb 准则、最大拉应变 准则和弹性损伤理论等[41] . 岩石细观单元在弹性 状态下热力学不变，同时满足水流–应力应变函 数，但是破坏后岩石的热传导率和渗透率发生突 变. 建立描述岩石单元体损伤后热传导率和渗透 率的演化方程，用以描述岩石的破坏过程中温度 场、水流场相互作用. 在国内研究中，许孝臣与盛金昌[42] 利用分形 理论建立了一组裂隙结构面，通过建立的单裂隙 水流–应力–化学耦合作用的渗透性变化数学模 型，计算分析了岩石单裂隙在高压水作用下的裂 隙平均开度变化，得出岩石压力溶解过程中水流 通道的形成. 梁卫国[43] 建立了溶解–固–水流–传 质耦合数学模型，将三维固体变形模型和水流、扩 散模型结合，得出岩石相关变量的相互作用及变 化规律. 陈强[44] 分析了地下水的不同组分，采用 化学热力学方法进一步分析了碳酸盐岩影响. 周 辉等[45] 假定岩石由岩石基质、裂隙及球形孔隙组 成，岩石孔隙均匀分布，推导得出岩石的有效孔隙 度表达式，建立岩石细观统计水流模型，将岩石裂 纹演化中渗透性视为非线性动态过程，综合考虑 岩石裂纹演化和水流的耦合作用. 多场耦合作用下裂隙岩体的水流性能随着时 间发生较大变化，因此研究裂隙岩体水流场和应 力场耦合作用下的时间效应对于工程稳定性分析 具有一定的指导意义. 有学者采用等效连续介质 模型对岩石流固耦合作用下的流变效应进行研 究，得出岩石耦合条件下的流变数学模型，并根据 编制的有限元程序进行分析. 岩石的温度–水流–化学–应力耦合作用是岩 石多场耦合研究中的难点，国内外对流固热化学 多场耦合作用下的裂隙岩体的力学性能、渗透性 能和数学模型的研究非常复杂[7] ，需要综合采用微 细观研究、物理试验、数学模型分析和数值模拟 分析等方法来揭示岩石多场耦合作用机理. 建立 岩石热力学方程、水流方程、力学方程、化学多组 分运移方程等多场耦合数学模型，开发合理的数 值模拟方法. 岩石力学多场耦合作用研究不仅要 从宏观角度分析，也要建立微观、细观孔隙结构的 数学模型来计算和模拟耦合过程，建立微观–细观– 宏观多尺度耦合过程分析理论和方法. 刘泽佳等[46] 建立了多孔介质温度–水流–力学–化学（THMC）耦 合过程本构模型，同时发展了岩石耦合研究的数 值模拟方法. 王炳印等[47] 考虑泥页岩地层的温度– 孔隙压力–力学–泥页岩水化学耦合作用，建立了 耦合数学模型. 2.2    深部岩石蠕变本构模型研究 岩石在多场耦合作用下的流变现象是当前岩 石力学研究的重点之一，学者致力于寻求岩石在 温度–水流–应力–化学多场耦合作用下的力学效 应，建立合理的流变模型[48] . 只有通过系列岩石流 变试验研究，建立能够反映岩石流变性能的本构 模型，建立正确合理的本构方程，才能更加准确地 描述岩石的流变性能，为现场实际工程提供指导. 在岩石流变性能研究中，多种不同类型的流变本 构模型得到应用，以下对几种重点流变模型进行 介绍. 岩石含水量对于蠕变特性的影响较大[49] ，水 会影响岩石的顺势弹性变形、蠕变变形时间和蠕 变变形量等[50] . 对于岩石含水量对岩石蠕变的影 响通常采用的方法是用干燥岩石试件和饱水岩石 试件，对比两种含水状态下岩石的蠕变特性，定性 分析水对岩石蠕变特性的影响. 由于岩石所处的 含水状态不一定是完全干燥或饱水状态，因此研 究岩石含水率对岩石力学性能的影响，并建立岩 石含水率的蠕变模型具有重要的意义. 对于地下 工程，岩石所处的地下水中往往含有化学离子，因 此研究这些化学酸碱性腐蚀离子对岩石力学性能 （包括蠕变特性）的影响也是重要研究方向之一. 岩石所处环境的干湿循环和水流对岩石流变性能 的影响主要采用岩石全自动流变伺服试验机，分 析水对岩石蠕变变形和渗透特性的影响. 对于深部地下工程、地热能开发和核废料地 下储存等工程的开展，岩石在温度和时间共同作 用下的力学性能的变化规律需要进一步研究. 刘 泉声等[51] 考虑岩石受温度影响时的热、黏弹塑 性，通过试验研究了 7 种不同温度作用下岩石单 轴压缩蠕变随温度的变化关系，建立了流变模型. 徐伟亚与杨圣奇[52] 对节理岩石进行了剪切流变试 验，得出节理岩石的长期抗剪强度参数[53] . 近年 来，三轴流变仪[54] 和岩石流变扰动效应试验仪的 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 · 1395 ·

·1396 工程科学学报，第42卷，第11期 使用，为岩石开展不同条件下的蠕变性能研究提 耦合效应黏弹-黏塑性流变本构模型. 供了更为稳定和精确的实验设备 3 结论与展望 通过岩石流变试验建立岩石流变本构模型是 岩石流变学的内容之一]，岩石流变本构模型即 本文总结分析了国内外关于裂隙岩体在温度- 岩石应力-应变-时间的关系模型，可以反映岩石 水力-应力-化学(THMC)多场耦合作用下岩石的 的流变特性，只有建立正确的本构模型才能更准 裂隙演化、变形力学机制、力学本构和耦合模型 确地描述岩石流变特性5阿 构建等方面的研究，分析探讨了岩石在多场耦合 (1)经验本构模型 作用下研究的重、难点.未来岩石多场耦合作用 经验本构模型主要是通过岩石力学流变试验 的研究方向和研究重点主要集中在： 得出岩石应力、应变与时间的函数关系式，比如幂 (1)不同尺度的多物理化学场耦合的数学模 函数型本构关系式、对数型本构关系式、指数型 型与分析方法 本构关系式和多项式函数关系式).岩石的蠕变 岩石多场耦合作用研究需要综合考虑不同尺 过程主要可以分为减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段 度岩石的赋存条件，通过对不同尺度岩石所处多 和加速蠕变阶段，其中加速蠕变阶段时间很短5] 种物理场环境的模拟，从微观-细观-宏观多尺度 (2)元件组合模型 研究多场耦合作用机理，为不同领域多场耦合作 元件组合模型是通过不同元件的组合形成可 用下的工程实际问题的解决提供参考 以描述岩石蠕变特性的本构模型，对于本构模型 (2)综合考虑温度-水流-应力-化学(THMC) 的基本元件包括胡克体元件、牛顿粘性体元件、 全耦合过程或考虑耦合效应 圣维南体元件等，通过岩石蠕变试验和松弛试验 岩石温度-水流-应力-化学(THMC)的研究还 可以获得岩石应力-应变-时间关系曲线，分析岩 处在初始阶段，目前这方面的研究主要集中在垃 石蠕变过程中的弹性、黏性和塑性特征，建立元件 圾处理场的THMC多场耦合效应和核废料处置 组合流变本构模型.本构模型中使用较多的模型 THMC多场耦合方面，对于地下空间开发和矿产 有伯格斯模型、西原模型、宾汉姆模型、马克斯威 资源深部开采在THMC多场耦合等领域的耦合作 模型和开尔文模型等 用机理研究还需进一步开展.岩石THMC多场耦 由于线性流变元件的组合模型是线性的，为了 合作用的研究难点在于化学场的引入，在之前的 更好地描述岩石流变的非线性特征，在组合模型 研究中，学者认为岩石在水化学作用下的力学性 中将线性元件改成非线性元件是当前研究的重点 能变化是微小的，然而对于受海水影响的深部岩 方向.通过引入非线性元件，构建不同的改进非线 体、滨海矿产资源开采和地下空间开发等化学场 性流变模型，更全面地描述岩石的蠕变全过程6 作用不可忽略的条件下岩石的多场耦合作用研究 (3)积分形式的流变模型 还较少，这将是未来岩石多场耦合研究的重点和 积分型流变模型是积分形式的岩石本构模 难点 型、蠕变方程和松弛方程，能更好地描述变应力作 (3)多场耦合作用下的智能化 用下岩石的流变特性6).积分型本构模型是在遗 针对深部岩石所处的温度场-水流场-应力场- 传流变理论的基础上推导得出的，考虑了岩石之 化学场的分布特点及耦合作用机理、综合防治技 前的受力和变形情况.岩石非线性积分本构模型 术资源高效开采和综合利用等关键问题，研究以 可以较好地描述岩石减速蠕变阶段、稳定蠕变阶 应力为主导的能量调控技术、高温控制和利用技 段和加速蠕变阶段62 术、水资源控制和利用技术，制定多场耦合作用下 (4)损伤流变模型 的金属矿深部智能开采战略，研究深部岩石的多 岩体内部包含不同尺度的裂隙缺陷，研究岩 场耦合作用机理，提出多场耦合作用下岩石灾害 石在耦合作用下的蠕变特性，需要考虑损伤力学 识别精准控制方法，通过岩石多场环境的智能识 理论和方法，构建岩石时效变形中的损伤演化、扩 别和感知理论方法，建立深部矿产资源开采及地 展本构模型是近年来发展的岩石流变本构发展的 下空间开发的智能化理论和技术体系 重要内容.徐海滨等61通过研究岩石损伤和变形 (4)多学科的联合及交叉学科的综合 之间的关系建立了损伤演化方程.朱维申等6将 岩石多场耦合作用主要考虑温度-水流-应力- 损伤力学中应变等效引入，建立了裂隙岩体损伤 化学4个场，而工程现场的岩体是一个复杂的系

使用，为岩石开展不同条件下的蠕变性能研究提 供了更为稳定和精确的实验设备. 通过岩石流变试验建立岩石流变本构模型是 岩石流变学的内容之一[55] ，岩石流变本构模型即 岩石应力–应变–时间的关系模型，可以反映岩石 的流变特性，只有建立正确的本构模型才能更准 确地描述岩石流变特性[56] . （1）经验本构模型. 经验本构模型主要是通过岩石力学流变试验 得出岩石应力、应变与时间的函数关系式，比如幂 函数型本构关系式、对数型本构关系式、指数型 本构关系式和多项式函数关系式[57] . 岩石的蠕变 过程主要可以分为减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段 和加速蠕变阶段，其中加速蠕变阶段时间很短[58] . （2）元件组合模型. 元件组合模型是通过不同元件的组合形成可 以描述岩石蠕变特性的本构模型，对于本构模型 的基本元件包括胡克体元件、牛顿粘性体元件、 圣维南体元件等，通过岩石蠕变试验和松弛试验 可以获得岩石应力–应变–时间关系曲线，分析岩 石蠕变过程中的弹性、黏性和塑性特征，建立元件 组合流变本构模型. 本构模型中使用较多的模型 有伯格斯模型、西原模型、宾汉姆模型、马克斯威 模型和开尔文模型等[59] . 由于线性流变元件的组合模型是线性的，为了 更好地描述岩石流变的非线性特征，在组合模型 中将线性元件改成非线性元件是当前研究的重点 方向. 通过引入非线性元件，构建不同的改进非线 性流变模型，更全面地描述岩石的蠕变全过程[60] . （3）积分形式的流变模型. 积分型流变模型是积分形式的岩石本构模 型、蠕变方程和松弛方程，能更好地描述变应力作 用下岩石的流变特性[61] . 积分型本构模型是在遗 传流变理论的基础上推导得出的，考虑了岩石之 前的受力和变形情况. 岩石非线性积分本构模型 可以较好地描述岩石减速蠕变阶段、稳定蠕变阶 段和加速蠕变阶段[62] . （4）损伤流变模型. 岩体内部包含不同尺度的裂隙缺陷，研究岩 石在耦合作用下的蠕变特性，需要考虑损伤力学 理论和方法，构建岩石时效变形中的损伤演化、扩 展本构模型是近年来发展的岩石流变本构发展的 重要内容. 徐海滨等[63] 通过研究岩石损伤和变形 之间的关系建立了损伤演化方程. 朱维申等[64] 将 损伤力学中应变等效引入，建立了裂隙岩体损伤 耦合效应黏弹–黏塑性流变本构模型. 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）多场耦合作用下岩石的 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，分析探讨了岩石在多场耦合 作用下研究的重、难点. 未来岩石多场耦合作用 的研究方向和研究重点主要集中在： （1）不同尺度的多物理化学场耦合的数学模 型与分析方法. 岩石多场耦合作用研究需要综合考虑不同尺 度岩石的赋存条件，通过对不同尺度岩石所处多 种物理场环境的模拟，从微观–细观–宏观多尺度 研究多场耦合作用机理，为不同领域多场耦合作 用下的工程实际问题的解决提供参考. （2）综合考虑温度–水流–应力–化学（THMC） 全耦合过程或考虑耦合效应. 岩石温度–水流–应力–化学（THMC）的研究还 处在初始阶段，目前这方面的研究主要集中在垃 圾处理场的 THMC 多场耦合效应和核废料处置 THMC 多场耦合方面，对于地下空间开发和矿产 资源深部开采在 THMC 多场耦合等领域的耦合作 用机理研究还需进一步开展. 岩石 THMC 多场耦 合作用的研究难点在于化学场的引入，在之前的 研究中，学者认为岩石在水化学作用下的力学性 能变化是微小的，然而对于受海水影响的深部岩 体、滨海矿产资源开采和地下空间开发等化学场 作用不可忽略的条件下岩石的多场耦合作用研究 还较少，这将是未来岩石多场耦合研究的重点和 难点. （3）多场耦合作用下的智能化. 针对深部岩石所处的温度场–水流场–应力场– 化学场的分布特点及耦合作用机理、综合防治技 术资源高效开采和综合利用等关键问题，研究以 应力为主导的能量调控技术、高温控制和利用技 术、水资源控制和利用技术，制定多场耦合作用下 的金属矿深部智能开采战略. 研究深部岩石的多 场耦合作用机理，提出多场耦合作用下岩石灾害 识别精准控制方法，通过岩石多场环境的智能识 别和感知理论方法，建立深部矿产资源开采及地 下空间开发的智能化理论和技术体系. （4）多学科的联合及交叉学科的综合. 岩石多场耦合作用主要考虑温度–水流–应力– 化学 4 个场，而工程现场的岩体是一个复杂的系 · 1396 · 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 ·1397· 统工程，很难通过简单的模型构建来精确地还原 freeze-thaw cycles and its application to cold region tunnels.Chin 现场实际情况，因此，在研究岩石多场耦合作用过 JRock Mech Eng,2013,32(2):239 程中，需要计算机科学、环境科学、化学科学、地 (谭贤君，陈卫忠，伍国军，等.低温冻融条件下岩体温度-渗流- 应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用.岩 球物理、流体力学等学科的联合，通过不同学科知 石力学与工程学报，2013,32(2)：239) 识的综合以更准确地分析多场耦合的机理及作用 [10] Yang J H,Zhang G,Qiao T,et al.Establishment and verification 机制，从而得出更能反映真实情况的结果.在多场 of rock damage mechanics model under the coupled thermo-hydro- 耦合研究过程中，要吸收国内外的最新研究成果， mechanical effect.J Saf Sci Technol,2017,13(4):87 以更先进的装置、设备以及计算机软件等，为深入 (杨金辉，章光，乔彤，等.热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模 研究深部岩体复杂的多场耦合作用提供支持 型与验证中国安全生产科学技术，2017,13(4)：87) [11]Hsieh P A,Neuman S P,Stiles G K,et al.Field determination of 参考文献 the three-dimensional hydraulic conductivity tensor of anisotropic media:2.Methodology and application to fractured rocks.Water [1]Zhou C B,Chen Y F,Jiang Q H,et al.A generalized multi-field Resour Res,1985,21(11):1667 coupling approach and its application to stability and deformation [12]Yang J B,Feng X T Pan P Z.Experimental study of permeability control of a high slope.J Rock Mech Geotech Eng,2011,3(3): characteristics of single rock fracture considering stress history 193 Rock Soil Mech,2013,34(6):1629 [2]Su B Y,Zhang W J,Sheng J C,et al.Study of permeability in (杨金保，冯夏庭，潘鹏志考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特 single fracture under effects of coupled fluid flow and chemical 性试验研究.岩土力学，2013,34(6)：1629) dissolution.Rock Soil Mech,2010,31(11):3361 [13]He H J,Lan J W,Chen Y M,et al.Monitoring and analysis of (速宝玉，张文捷，盛金昌，等.渗流-化学溶解耦合作用下岩石 slope slip process at a landfill in Northwest China.Chin J Geotech 单裂隙渗透特性研究.岩土力学，2010,31(11)：3361) Eg,2015,37(9:1721 [3]Qin Z H.Study of Load-Bearing Characteristics of Surrounding (何海杰，兰吉武，陈云敏，等.西北地区某填埋场堆体滑移过程 Rock of Hydraulic Tunnels under High Geotemperature and 监测与分析.岩土工程学报，2015,37(9)：1721) Hydraulic Pressure Conditions Using Coupled THMD Numerical [14] Zhao Y,Yang D,Feng Z,et al.Multi-field coupling theory of Model[Dissertation].Nanning:Guangxi University,2016 porous media and its applications to resources and energy (秦子华.基于热一水-损伤耦合模型的高地温水工高压隧洞围 engineering.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(7):1321 岩承载特性数值模拟研究学位论文]，南宁：广西大学，2016) (赵阳升，杨栋，冯增朝，等.多孔介质多场耦合作用理论及其在 [4]Yang Y L,Zheng K Y,Li Z W,et al.Experimental study on 资源与能源工程中的应用.岩石力学与工程学报，2008,27(7)： pore-fracture evolution law in the thermal damage process of coal 1321) Int J Rock Mech Min Sci,2019,116:13 [15]Muller C,Fruhwirt T,Haase D,Et al.Modeling deformation and [5]Hudson J A,Jing L.Demonstration of coupled models and their damage of rock salt using the discrete element method.IntJ Rock validation against experiment:the current phase DECOVALEX Mech Min Sci.2018.103:230 2015//Rock Characterisation,Modelling and Engineering Design [16]Shi B.On fields and their coupling in engineering geology.J Eng Methods-Proceedings of the 3rd ISRM SINOROCK,Symposium Geol,2013,21(5):673 Shanghai,2013:391 (施斌.论工程地质中的场及其多场耦合.工程地质学报，2013， [6]Zhou H,Feng X T.Research progress in rock stress-hydraulic- 21(5):673) chemical coupling process.ChinJ Rock MechEng,06,25(4): [17]Zhou C B,Chen Y F,Jiang Q H,et al.On generalized multi-field 855 coupling for fractured rock masses and its applications to rock (周辉，冯夏庭.岩石应力-水力-化学耦合过程研究进展.岩石 engineering.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(7):1329 力学与工程学报，2006.25(4)：855) (周创兵，陈益峰，姜清辉，等.论岩体多场广义耦合及其工程应 [7]Pan P Z,Feng X T,Huang X H,et al.Coupled THM processes in 用.岩石力学与工程学报，2008,27(7)：1329) EDZ of crystalline rocks using an elasto-plastic cellular automaton. [18]Zhou C Y,Peng Z Y,Shang W,et al.On the key problem of the Environ Geol,2009,57(6):1299 water-rock interaction in geoengineering:mechanical variabilityof [8]Li K.Hydrothermal Coupling Model and Hydraulic Fracturing special weak rocks and some development trends.Rock Soil Mech, Law of Oil Shale in Situ Mining[Dissertation].Fuxing:Liaoning 2002,23(1):124 University of Engineering and Technology,2011 (周翠英，彭泽英，尚伟，等.论岩土工程中水-岩相互作用研究 (李凯.油页岩原位开采水热力耦合模型与水力压裂规律研究 的焦点问题一特殊软岩的力学变异性.岩土力学，2002， [学位论文].阜新：辽宁工程技术大学，2011) 23(1):124) [9]Tan X J,Chen W Z,Wu G J,et al.Study of thermo-hydro- [19]Griggs D.Creep of rocks.J Geol,1939,47(3):225 mechanical-damage (THMD)coupled model in the condition of [20]Malan D F.Manuel Rocha medal recipient simulating the time-

统工程，很难通过简单的模型构建来精确地还原 现场实际情况. 因此，在研究岩石多场耦合作用过 程中，需要计算机科学、环境科学、化学科学、地 球物理、流体力学等学科的联合，通过不同学科知 识的综合以更准确地分析多场耦合的机理及作用 机制，从而得出更能反映真实情况的结果. 在多场 耦合研究过程中，要吸收国内外的最新研究成果， 以更先进的装置、设备以及计算机软件等，为深入 研究深部岩体复杂的多场耦合作用提供支持. 参    考    文    献 Zhou C B, Chen Y F, Jiang Q H, et al. A generalized multi-field coupling approach and its application to stability and deformation control  of  a  high  slope. J Rock Mech Geotech Eng,  2011,  3（3）: 193 [1] Su  B  Y,  Zhang  W  J,  Sheng  J  C,  et  al.  Study  of  permeability  in single  fracture  under  effects  of  coupled  fluid  flow  and  chemical dissolution. Rock Soil Mech, 2010, 31（11）: 3361 （速宝玉, 张文捷, 盛金昌, 等. 渗流–化学溶解耦合作用下岩石 单裂隙渗透特性研究. 岩土力学, 2010, 31（11）：3361） [2] Qin  Z  H. Study of Load-Bearing Characteristics of Surrounding Rock of Hydraulic Tunnels under High Geotemperature and Hydraulic Pressure Conditions Using Coupled THMD Numerical Model[Dissertation]. Nanning: Guangxi University, 2016 （秦子华. 基于热–水–损伤耦合模型的高地温水工高压隧洞围 岩承载特性数值模拟研究[学位论文]. 南宁: 广西大学, 2016） [3] Yang  Y  L,  Zheng  K  Y,  Li  Z  W,  et  al.  Experimental  study  on pore–fracture evolution law in the thermal damage process of coal. Int J Rock Mech Min Sci, 2019, 116: 13 [4] Hudson  J  A,  Jing  L.  Demonstration  of  coupled  models  and  their validation  against  experiment:  the  current  phase  DECOVALEX 2015//Rock Characterisation, Modelling and Engineering Design Methods—Proceedings of the 3rd ISRM SINOROCK, Symposium. Shanghai, 2013: 391 [5] Zhou  H,  Feng  X  T.  Research  progress  in  rock  stress –hydraulic – chemical  coupling  process. Chin J Rock MechEng,  2006,  25（4）: 855 （周辉, 冯夏庭. 岩石应力–水力–化学耦合过程研究进展. 岩石 力学与工程学报, 2006, 25（4）：855） [6] Pan P Z, Feng X T, Huang X H, et al. Coupled THM processes in EDZ of crystalline rocks using an elasto-plastic cellular automaton. Environ Geol, 2009, 57（6）: 1299 [7] Li  K. Hydrothermal Coupling Model and Hydraulic Fracturing Law of Oil Shale in Situ Mining[Dissertation].  Fuxing:  Liaoning University of Engineering and Technology, 2011 （李凯. 油页岩原位开采水热力耦合模型与水力压裂规律研究 [学位论文]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2011） [8] Tan  X  J,  Chen  W  Z,  Wu  G  J,  et  al.  Study  of  thermo –hydro – mechanical –damage  (THMD)  coupled  model  in  the  condition  of [9] freeze-thaw cycles and its application to cold region tunnels. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32（2）: 239 （谭贤君, 陈卫忠, 伍国军, 等. 低温冻融条件下岩体温度–渗流– 应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用. 岩 石力学与工程学报, 2013, 32（2）：239） Yang J H, Zhang G, Qiao T, et al. Establishment and verification of rock damage mechanics model under the coupled thermo–hydro– mechanical effect. J Saf Sci Technol, 2017, 13（4）: 87 （杨金辉, 章光, 乔彤, 等. 热–水–力耦合作用下岩石损伤力学模 型与验证. 中国安全生产科学技术, 2017, 13（4）：87） [10] Hsieh P A, Neuman S P, Stiles G K, et al. Field determination of the three-dimensional hydraulic conductivity tensor of anisotropic media: 2. Methodology and application to fractured rocks. Water Resour Res, 1985, 21（11）: 1667 [11] Yang J B, Feng X T Pan P Z. Experimental study of permeability characteristics  of  single  rock  fracture  considering  stress  history. Rock Soil Mech, 2013, 34（6）: 1629 （杨金保, 冯夏庭, 潘鹏志. 考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特 性试验研究. 岩土力学, 2013, 34（6）：1629） [12] He  H  J,  Lan  J  W,  Chen  Y  M,  et  al.  Monitoring  and  analysis  of slope slip process at a landfill in Northwest China. Chin J Geotech Eng, 2015, 37（9）: 1721 （何海杰, 兰吉武, 陈云敏, 等. 西北地区某填埋场堆体滑移过程 监测与分析. 岩土工程学报, 2015, 37（9）：1721） [13] Zhao  Y,  Yang  D,  Feng  Z,  et  al.  Multi-field  coupling  theory  of porous  media  and  its  applications  to  resources  and  energy engineering. Chin J Rock Mech Eng, 2008, 27（7）: 1321 （赵阳升, 杨栋, 冯增朝, 等. 多孔介质多场耦合作用理论及其在 资源与能源工程中的应用. 岩石力学与工程学报, 2008, 27（7）： 1321） [14] Müller C, Frühwirt T, Haase D, Et al. Modeling deformation and damage of rock salt using the discrete element method. Int J Rock Mech Min Sci, 2018, 103: 230 [15] Shi B. On fields and their coupling in engineering geology. J Eng Geol, 2013, 21（5）: 673 （施斌. 论工程地质中的场及其多场耦合. 工程地质学报, 2013, 21（5）：673） [16] Zhou C B, Chen Y F, Jiang Q H, et al. On generalized multi-field coupling  for  fractured  rock  masses  and  its  applications  to  rock engineering. Chin J Rock Mech Eng, 2008, 27（7）: 1329 （周创兵, 陈益峰, 姜清辉, 等. 论岩体多场广义耦合及其工程应 用. 岩石力学与工程学报, 2008, 27（7）：1329） [17] Zhou C Y, Peng Z Y, Shang W, et al. On the key problem of the water-rock interaction in geoengineering: mechanical variabilityof special weak rocks and some development trends. Rock Soil Mech, 2002, 23（1）: 124 （周翠英, 彭泽英, 尚伟, 等. 论岩土工程中水–岩相互作用研究 的焦点问题——特殊软岩的力学变异性. 岩土力学, 2002, 23（1）：124） [18] [19] Griggs D. Creep of rocks. J Geol, 1939, 47（3）: 225 [20] Malan  D  F.  Manuel  Rocha  medal  recipient  simulating  the  time- 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 · 1397 ·