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 ·