52 工程科学学报，第43卷，第1期 热和制冷到预定温度后施加保温措施，温度控制 行实时细观测试.试验中的裂纹研究方法可以分 系统可在3h内达到指定高温（室温~150℃）或低 为直接研究法和间接研究法，直接研究法就是使 温(-20℃~室温).化学配置系统的管路可以耐 用相关试验设备对岩石破坏过程进行细观观测， 受pH值为0~14之内任一酸碱性液体的腐蚀，试 更为直观地了解岩石的破坏机理，间接研究法通 验中计算机可以根据设定的化学溶液浓度自动调 过岩石的渗透性、声波波速等参数间接反映岩石 节化学溶液和水的比例，因此渗透系统和化学配 裂隙的扩展情况 置系统综合在一起可以更真实地模拟地下复杂的 岩石多场耦合作用下微裂纹的变化规律和岩石 水化学环境，在渗透系统中施加化学作用相较于 破坏本质是研究的重难点.由于设备发展的局限 传统化学溶液浸泡更接近工程实际， 性，过去裂隙岩体内部的细观结构和不同材料的实 1.3微观机理试验的开拓 际空间布局很难通过无损微细观检测定量表达.随 细观损伤力学的提出可以追溯到20世纪 着技术的进步和发展，在开发试验设备的基础上引 50年代，而在20世纪80年代该方法已经应用到 起和发展现代无损探测手段，比如实时CT扫描技 包括岩石、混凝土在内的几乎所有工程材料领域. 术，电镜扫描技术、核磁共振技术、X射线立体成像 我国科学家钱学森在20世纪50年代首次在国内 法和超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔 提出并系统阐述了细观力学的概念，细观力学是 隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度-水 用连续介质力学方法分析具有微观结构的材料的 流-应力-化学(THMC)等多场耦合作用中各物理场 力学.岩石细观力学理论由Hi和Mora等基于 的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度 Taylor细观塑性理论提出，主要通过不同仪器对复 得出岩石在多场耦合作用下的性能 杂环境下岩石的细观力学结构进行直观研究，更 图9所示为岩石巴西圆盘试件渗透性试验测 好地翻译岩石变形特性并对岩石细观内部结构进 试前后的断面裂隙形态对比图，可以看出，岩石试 行定量、定性的描述.在岩石力学中，室外天然岩 件经过地下水和蒸馏水的渗透融蚀作用后，断面 体中直接影响岩石力学性质的毫米级以上的裂 裂隙中间位置形成了较大的孔洞，是上下游水流 隙、节理称为宏观尺度；介于毫米和微米级别之间 通道贯通的明显标志.图10所示为盐岩及粉砂 的对岩石力学性质产生直接影响的岩石微裂隙称 质页岩细观结构扫描电镜结果 为细观尺度：发育在岩石矿物晶体中，不会直接 影响岩石力学性能的微裂隙称为微观尺度 根据国内外相关学者的研究得出，岩石的损伤 存在形式主要为岩石的微裂隙.由于岩石在多场 耦合作用下会出现微裂隙的演化、扩展和贯通，进 CT image of fracture before test CT image of fracture after tes 而影响岩石的稳定性，因此研究岩石的裂隙演化 和扩展机理对理解岩石破坏本质具有现实意义. 为了研究复杂环境中的岩石多场耦合机理， 需要开发用于温度-水流-应力-化学(THMC)多 图9渗透试验前后的裂隙形态对比图 场耦合作用下裂隙岩体耦合的细观测试设备，用 Fig.9 Comparison of scanned core images between test initiation and 以对裂隙岩体多场耦合作用下的岩石渗透性能进 after 1492 hourstis (a) (b) (c) Layer 20 Layer 30 The width of Layer 40 microcrack is 1-3mm Layer 60 Layer 70 Layer 80 Layer 90 图10盐岩及粉砂质页岩细观结构6(a)试件分层电镜扫描示意图：(b)第30层扫描图：(c)第90层扫描图：(d)微裂隙电镜扫描图 Fig.10 Meso structure of salt rock and silty shale:(a)schematic image of layered scanning of specimen;(b)layer 30;(c)layer 90;(d)scanned core image of microcrack热和制冷到预定温度后施加保温措施，温度控制 系统可在 3 h 内达到指定高温（室温～150 ℃）或低 温（−20 ℃～室温）. 化学配置系统的管路可以耐 受 pH 值为 0～14 之内任一酸碱性液体的腐蚀，试 验中计算机可以根据设定的化学溶液浓度自动调 节化学溶液和水的比例，因此渗透系统和化学配 置系统综合在一起可以更真实地模拟地下复杂的 水化学环境，在渗透系统中施加化学作用相较于 传统化学溶液浸泡更接近工程实际. 1.3    微观机理试验的开拓 细观损伤力学的提出可以追溯 到 20 世 纪 50 年代，而在 20 世纪 80 年代该方法已经应用到 包括岩石、混凝土在内的几乎所有工程材料领域. 我国科学家钱学森在 20 世纪 50 年代首次在国内 提出并系统阐述了细观力学的概念，细观力学是 用连续介质力学方法分析具有微观结构的材料的 力学[12] . 岩石细观力学理论由 Hill 和 Mora 等基于 Taylor 细观塑性理论提出，主要通过不同仪器对复 杂环境下岩石的细观力学结构进行直观研究，更 好地翻译岩石变形特性并对岩石细观内部结构进 行定量、定性的描述. 在岩石力学中，室外天然岩 体中直接影响岩石力学性质的毫米级以上的裂 隙、节理称为宏观尺度；介于毫米和微米级别之间 的对岩石力学性质产生直接影响的岩石微裂隙称 为细观尺度[13] ；发育在岩石矿物晶体中，不会直接 影响岩石力学性能的微裂隙称为微观尺度. 根据国内外相关学者的研究得出，岩石的损伤 存在形式主要为岩石的微裂隙. 由于岩石在多场 耦合作用下会出现微裂隙的演化、扩展和贯通，进 而影响岩石的稳定性，因此研究岩石的裂隙演化 和扩展机理对理解岩石破坏本质具有现实意义. 为了研究复杂环境中的岩石多场耦合机理， 需要开发用于温度−水流−应力−化学（THMC）多 场耦合作用下裂隙岩体耦合的细观测试设备，用 以对裂隙岩体多场耦合作用下的岩石渗透性能进 行实时细观测试. 试验中的裂纹研究方法可以分 为直接研究法和间接研究法. 直接研究法就是使 用相关试验设备对岩石破坏过程进行细观观测， 更为直观地了解岩石的破坏机理，间接研究法通 过岩石的渗透性、声波波速等参数间接反映岩石 裂隙的扩展情况[14] . 岩石多场耦合作用下微裂纹的变化规律和岩石 破坏本质是研究的重难点. 由于设备发展的局限 性，过去裂隙岩体内部的细观结构和不同材料的实 际空间布局很难通过无损微细观检测定量表达. 随 着技术的进步和发展，在开发试验设备的基础上引 起和发展现代无损探测手段，比如实时 CT 扫描技 术，电镜扫描技术、核磁共振技术、X 射线立体成像 法和超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔 隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度−水 流−应力−化学（THMC）等多场耦合作用中各物理场 的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度 得出岩石在多场耦合作用下的性能. 图 9 所示为岩石巴西圆盘试件渗透性试验测 试前后的断面裂隙形态对比图，可以看出，岩石试 件经过地下水和蒸馏水的渗透融蚀作用后，断面 裂隙中间位置形成了较大的孔洞，是上下游水流 通道贯通的明显标志[15] . 图 10 所示为盐岩及粉砂 质页岩细观结构扫描电镜结果. CT image of fracture before test CT image of fracture after test 图 9    渗透试验前后的裂隙形态对比图[15] Fig.9    Comparison of scanned core images between test initiation and after 1492 hours[15] (a) (b) (c) (d) The width of microcrack is 1−3 mm ×38.077 μm NCU-Es 3 SEM SEI 10.0 kV WD 10.2 mm 10 μm ×650 Layer 20 Layer 30 Layer 40 Layer 60 Layer 70 Layer 80 Layer 90 图 10    盐岩及粉砂质页岩细观结构[16] . （a）试件分层电镜扫描示意图；（b）第 30 层扫描图；（c）第 90 层扫描图；（d）微裂隙电镜扫描图 Fig.10    Meso structure of salt rock and silty shale: (a) schematic image of layered scanning of specimen; (b) layer 30; (c) layer 90; (d) scanned core image of microcrack · 52 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期