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 ·