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 53 Homand-Etienne和Houpert)对高温处理后的 出的有限差分法、20世纪50年代开始盛行的有限 Senones和Remirement花岗岩试件进行扫描电镜 元法1、20世纪70年代开始使用的边界元法及无 (SEM)分析，定性和定量地研究了岩石微观结构 单元法2%、1971年由Cundall提出的离散元法27、 的损伤情况对岩石力学性能的影响.Wang与 20世纪80年代石根华提出的非连续变形法P1以 Dusseault!对美国Westerly花岗岩进行热处理，利 及20世纪90年代提出的流形元法等.鉴于计算 用声发射(AE)进行岩石热破坏过程中的微裂隙扩 机的发展，深部岩体工程多场耦合程序也得到了 展监测.葛修润将CT机和压力试验机配合使用， 很大的发展，总结如表1所示 通过观测砂岩单轴和三轴加载过程中的微裂隙萌 基于连续介质理论的简单数值分析方法无法 生-演化一扩展-破坏过程，得出了各阶段的CT图 较好地描述裂隙岩体的裂隙演化扩展，因此学者 像.陈四利等20-2使用CT试验机对化学腐蚀后的 探索了DDA、混合有限元离散元和流形元等非连续 砂岩进行了三轴应力试验观测，得出了岩石破坏过 介质方法基于移动最小二乘法的无网格法可 程实质是岩石受力过程中岩石微裂隙的演化和微观 以较好地描述岩石水流-应力耦合作用下的裂隙 结构变形累计的宏观表现.周克群等2四研究了不同 扩展.刘泉声与刘学伟0对多场耦合作用下岩石 岩石热效应影响下的力学性能，岩石在经过高温处 裂隙演化的主要问题进行了详细研究，分析了数 理后进行低温处理，利用核磁共振技术得出的岩石 值模拟流形元法在岩石多场耦合模拟中的优势 孔隙度和渗透率有一定的增加.杨建等21在研究致 岩石在应力一水压一温度三场耦合作用中常用 密砂岩渗透性的过程中采用了精细描述了微观结构 的数值模拟软件有FRACTURE、GEOTH3D、 的新技术如核磁共振、CT扫描和扫描电镜，定性和 FRACSIM-3D、THAMES、MOTIF、FRACON、FEHM 定量地描述岩石微观裂纹及微孔洞的变化.Dog FRIP和GEORACK等.FRACTURE可以通过模拟 等在研究深部岩石渗透率与应力的关系时，利用 流体流动、示踪剂运移和热传导等，来模拟温度一 扫描电镜技术得出如图10所示的岩石渗透率降低 水流-应力耦合过程和耦合效应.GEOTH3D可以 与原生初始裂隙在应力作用下压密闭合的相关性. 建立非均质多孔介质模型，模拟温度-水流-应力 2数值模拟软件及耦合计算程序 耦合作用下达西水流过程中的热质运移.杨冰等4] 开发的TOUGHREACT是在TOUGH2的基础上添 岩石力学性能的数值模拟方法主要有较早提 加了化学反应模块，模拟液体三相反应和运移，计 表1深部岩体工程多场耦合程序- Table 1 Codes for modeling the multi-field coupling programs for deep rock engineering Multi-field coupling function Procedure Algorithm References COMSOL Finite element Pimia et al. FALCON Finite element Xia et al.4 THMC FEHM Finite element Pandey et al.5 OpenGeoSys Finite element Kolditz et al. STOMP Finite volume Scheibe et al.t Fluent Finite volume Cao et al. THM GEOFRAC Boundary element Vecchiarellit TOUGH-FLAC Finite difference Rutqvist40 NUFT Finite volume Blair et al.4u THC SHEMAT Finite difference Clauser et al. TOUGHREACT Finite difference Xu et al.5 HM GEOS Finite element Finite volume Settgast44) GPRS Finite volume Wong et al.4 MRST Finite volume Lie et al. TH FEFLOW Finite element Diersch! FEFLOW Finite element Diersch!7Homand-Etienne 和 Houpert[17] 对高温处理后的 Senones 和 Remirement 花岗岩试件进行扫描电镜 （SEM）分析，定性和定量地研究了岩石微观结构 的 损 伤 情 况 对 岩 石 力 学 性 能 的 影 响 . Wang 与 Dusseault[18] 对美国 Westerly 花岗岩进行热处理，利 用声发射（AE）进行岩石热破坏过程中的微裂隙扩 展监测. 葛修润[19] 将 CT 机和压力试验机配合使用， 通过观测砂岩单轴和三轴加载过程中的微裂隙萌 生−演化−扩展−破坏过程，得出了各阶段的 CT 图 像. 陈四利等[20−21] 使用 CT 试验机对化学腐蚀后的 砂岩进行了三轴应力试验观测，得出了岩石破坏过 程实质是岩石受力过程中岩石微裂隙的演化和微观 结构变形累计的宏观表现. 周克群等[22] 研究了不同 岩石热效应影响下的力学性能，岩石在经过高温处 理后进行低温处理，利用核磁共振技术得出的岩石 孔隙度和渗透率有一定的增加. 杨建等[23] 在研究致 密砂岩渗透性的过程中采用了精细描述了微观结构 的新技术如核磁共振、CT 扫描和扫描电镜，定性和 定量地描述岩石微观裂纹及微孔洞的变化. Dong 等[24] 在研究深部岩石渗透率与应力的关系时，利用 扫描电镜技术得出如图 10 所示的岩石渗透率降低 与原生初始裂隙在应力作用下压密闭合的相关性. 2    数值模拟软件及耦合计算程序 岩石力学性能的数值模拟方法主要有较早提 出的有限差分法、20 世纪 50 年代开始盛行的有限 元法[25]、20 世纪 70 年代开始使用的边界元法及无 单元法[26]、1971 年由 Cundall 提出的离散元法[27]、 20 世纪 80 年代石根华提出的非连续变形法[28] 以 及 20 世纪 90 年代提出的流形元法等. 鉴于计算 机的发展，深部岩体工程多场耦合程序也得到了 很大的发展，总结如表 1 所示. 基于连续介质理论的简单数值分析方法无法 较好地描述裂隙岩体的裂隙演化扩展，因此学者 探索了 DDA、混合有限元离散元和流形元等非连续 介质方法[29] . 基于移动最小二乘法的无网格法可 以较好地描述岩石水流−应力耦合作用下的裂隙 扩展. 刘泉声与刘学伟[30] 对多场耦合作用下岩石 裂隙演化的主要问题进行了详细研究，分析了数 值模拟流形元法在岩石多场耦合模拟中的优势. 岩石在应力−水压−温度三场耦合作用中常用 的 数 值 模 拟 软 件 有 FRACTURE、 GEOTH3D、 FRACSIM-3D、THAMES、MOTIF、FRACON、FEHM、 FRIP 和 GEORACK 等. FRACTURE 可以通过模拟 流体流动、示踪剂运移和热传导等，来模拟温度− 水流−应力耦合过程和耦合效应. GEOTH3D 可以 建立非均质多孔介质模型，模拟温度−水流−应力 耦合作用下达西水流过程中的热质运移. 杨冰等[48] 开发的 TOUGHREACT 是在 TOUGH2 的基础上添 加了化学反应模块，模拟液体三相反应和运移，计 表 1 深部岩体工程多场耦合程序[31−32] Table 1 Codes for modeling the multi-field coupling programs for deep rock engineering[31−32] Multi-field coupling function Procedure Algorithm References THMC COMSOL Finite element Pirnia et al.[33] FALCON Finite element Xia et al.[34] FEHM Finite element Pandey et al.[35] OpenGeoSys Finite element Kolditz et al.[36] STOMP Finite volume Scheibe et al.[37] THM Fluent Finite volume Cao et al.[38] GEOFRAC Boundary element Vecchiarelli[39] TOUGH-FLAC Finite difference Rutqvist[40] THC NUFT Finite volume Blair et al. [41] SHEMAT Finite difference Clauser et al. [42] TOUGHREACT Finite difference Xu et al. [43] HM GEOS Finite element + Finite volume Settgast[44] TH GPRS Finite volume Wong et al.[45] MRST Finite volume Lie et al.[46] FEFLOW Finite element Diersch[47] FEFLOW Finite element Diersch[47] 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 · 53 ·