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 ·