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