·1396 工程科学学报，第42卷，第11期 使用，为岩石开展不同条件下的蠕变性能研究提 耦合效应黏弹-黏塑性流变本构模型. 供了更为稳定和精确的实验设备 3 结论与展望 通过岩石流变试验建立岩石流变本构模型是 岩石流变学的内容之一]，岩石流变本构模型即 本文总结分析了国内外关于裂隙岩体在温度- 岩石应力-应变-时间的关系模型，可以反映岩石 水力-应力-化学(THMC)多场耦合作用下岩石的 的流变特性，只有建立正确的本构模型才能更准 裂隙演化、变形力学机制、力学本构和耦合模型 确地描述岩石流变特性5阿 构建等方面的研究，分析探讨了岩石在多场耦合 (1)经验本构模型 作用下研究的重、难点.未来岩石多场耦合作用 经验本构模型主要是通过岩石力学流变试验 的研究方向和研究重点主要集中在： 得出岩石应力、应变与时间的函数关系式，比如幂 (1)不同尺度的多物理化学场耦合的数学模 函数型本构关系式、对数型本构关系式、指数型 型与分析方法 本构关系式和多项式函数关系式).岩石的蠕变 岩石多场耦合作用研究需要综合考虑不同尺 过程主要可以分为减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段 度岩石的赋存条件，通过对不同尺度岩石所处多 和加速蠕变阶段，其中加速蠕变阶段时间很短5] 种物理场环境的模拟，从微观-细观-宏观多尺度 (2)元件组合模型 研究多场耦合作用机理，为不同领域多场耦合作 元件组合模型是通过不同元件的组合形成可 用下的工程实际问题的解决提供参考 以描述岩石蠕变特性的本构模型，对于本构模型 (2)综合考虑温度-水流-应力-化学(THMC) 的基本元件包括胡克体元件、牛顿粘性体元件、 全耦合过程或考虑耦合效应 圣维南体元件等，通过岩石蠕变试验和松弛试验 岩石温度-水流-应力-化学(THMC)的研究还 可以获得岩石应力-应变-时间关系曲线，分析岩 处在初始阶段，目前这方面的研究主要集中在垃 石蠕变过程中的弹性、黏性和塑性特征，建立元件 圾处理场的THMC多场耦合效应和核废料处置 组合流变本构模型.本构模型中使用较多的模型 THMC多场耦合方面，对于地下空间开发和矿产 有伯格斯模型、西原模型、宾汉姆模型、马克斯威 资源深部开采在THMC多场耦合等领域的耦合作 模型和开尔文模型等 用机理研究还需进一步开展.岩石THMC多场耦 由于线性流变元件的组合模型是线性的，为了 合作用的研究难点在于化学场的引入，在之前的 更好地描述岩石流变的非线性特征，在组合模型 研究中，学者认为岩石在水化学作用下的力学性 中将线性元件改成非线性元件是当前研究的重点 能变化是微小的，然而对于受海水影响的深部岩 方向.通过引入非线性元件，构建不同的改进非线 体、滨海矿产资源开采和地下空间开发等化学场 性流变模型，更全面地描述岩石的蠕变全过程6 作用不可忽略的条件下岩石的多场耦合作用研究 (3)积分形式的流变模型 还较少，这将是未来岩石多场耦合研究的重点和 积分型流变模型是积分形式的岩石本构模 难点 型、蠕变方程和松弛方程，能更好地描述变应力作 (3)多场耦合作用下的智能化 用下岩石的流变特性6).积分型本构模型是在遗 针对深部岩石所处的温度场-水流场-应力场- 传流变理论的基础上推导得出的，考虑了岩石之 化学场的分布特点及耦合作用机理、综合防治技 前的受力和变形情况.岩石非线性积分本构模型 术资源高效开采和综合利用等关键问题，研究以 可以较好地描述岩石减速蠕变阶段、稳定蠕变阶 应力为主导的能量调控技术、高温控制和利用技 段和加速蠕变阶段62 术、水资源控制和利用技术，制定多场耦合作用下 (4)损伤流变模型 的金属矿深部智能开采战略，研究深部岩石的多 岩体内部包含不同尺度的裂隙缺陷，研究岩 场耦合作用机理，提出多场耦合作用下岩石灾害 石在耦合作用下的蠕变特性，需要考虑损伤力学 识别精准控制方法，通过岩石多场环境的智能识 理论和方法，构建岩石时效变形中的损伤演化、扩 别和感知理论方法，建立深部矿产资源开采及地 展本构模型是近年来发展的岩石流变本构发展的 下空间开发的智能化理论和技术体系 重要内容.徐海滨等61通过研究岩石损伤和变形 (4)多学科的联合及交叉学科的综合 之间的关系建立了损伤演化方程.朱维申等6将 岩石多场耦合作用主要考虑温度-水流-应力- 损伤力学中应变等效引入，建立了裂隙岩体损伤 化学4个场，而工程现场的岩体是一个复杂的系使用，为岩石开展不同条件下的蠕变性能研究提 供了更为稳定和精确的实验设备. 通过岩石流变试验建立岩石流变本构模型是 岩石流变学的内容之一[55] ，岩石流变本构模型即 岩石应力–应变–时间的关系模型，可以反映岩石 的流变特性，只有建立正确的本构模型才能更准 确地描述岩石流变特性[56] . （1）经验本构模型. 经验本构模型主要是通过岩石力学流变试验 得出岩石应力、应变与时间的函数关系式，比如幂 函数型本构关系式、对数型本构关系式、指数型 本构关系式和多项式函数关系式[57] . 岩石的蠕变 过程主要可以分为减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段 和加速蠕变阶段，其中加速蠕变阶段时间很短[58] . （2）元件组合模型. 元件组合模型是通过不同元件的组合形成可 以描述岩石蠕变特性的本构模型，对于本构模型 的基本元件包括胡克体元件、牛顿粘性体元件、 圣维南体元件等，通过岩石蠕变试验和松弛试验 可以获得岩石应力–应变–时间关系曲线，分析岩 石蠕变过程中的弹性、黏性和塑性特征，建立元件 组合流变本构模型. 本构模型中使用较多的模型 有伯格斯模型、西原模型、宾汉姆模型、马克斯威 模型和开尔文模型等[59] . 由于线性流变元件的组合模型是线性的，为了 更好地描述岩石流变的非线性特征，在组合模型 中将线性元件改成非线性元件是当前研究的重点 方向. 通过引入非线性元件，构建不同的改进非线 性流变模型，更全面地描述岩石的蠕变全过程[60] . （3）积分形式的流变模型. 积分型流变模型是积分形式的岩石本构模 型、蠕变方程和松弛方程，能更好地描述变应力作 用下岩石的流变特性[61] . 积分型本构模型是在遗 传流变理论的基础上推导得出的，考虑了岩石之 前的受力和变形情况. 岩石非线性积分本构模型 可以较好地描述岩石减速蠕变阶段、稳定蠕变阶 段和加速蠕变阶段[62] . （4）损伤流变模型. 岩体内部包含不同尺度的裂隙缺陷，研究岩 石在耦合作用下的蠕变特性，需要考虑损伤力学 理论和方法，构建岩石时效变形中的损伤演化、扩 展本构模型是近年来发展的岩石流变本构发展的 重要内容. 徐海滨等[63] 通过研究岩石损伤和变形 之间的关系建立了损伤演化方程. 朱维申等[64] 将 损伤力学中应变等效引入，建立了裂隙岩体损伤 耦合效应黏弹–黏塑性流变本构模型. 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）多场耦合作用下岩石的 裂隙演化、变形力学机制、力学本构和耦合模型 构建等方面的研究，分析探讨了岩石在多场耦合 作用下研究的重、难点. 未来岩石多场耦合作用 的研究方向和研究重点主要集中在： （1）不同尺度的多物理化学场耦合的数学模 型与分析方法. 岩石多场耦合作用研究需要综合考虑不同尺 度岩石的赋存条件，通过对不同尺度岩石所处多 种物理场环境的模拟，从微观–细观–宏观多尺度 研究多场耦合作用机理，为不同领域多场耦合作 用下的工程实际问题的解决提供参考. （2）综合考虑温度–水流–应力–化学（THMC） 全耦合过程或考虑耦合效应. 岩石温度–水流–应力–化学（THMC）的研究还 处在初始阶段，目前这方面的研究主要集中在垃 圾处理场的 THMC 多场耦合效应和核废料处置 THMC 多场耦合方面，对于地下空间开发和矿产 资源深部开采在 THMC 多场耦合等领域的耦合作 用机理研究还需进一步开展. 岩石 THMC 多场耦 合作用的研究难点在于化学场的引入，在之前的 研究中，学者认为岩石在水化学作用下的力学性 能变化是微小的，然而对于受海水影响的深部岩 体、滨海矿产资源开采和地下空间开发等化学场 作用不可忽略的条件下岩石的多场耦合作用研究 还较少，这将是未来岩石多场耦合研究的重点和 难点. （3）多场耦合作用下的智能化. 针对深部岩石所处的温度场–水流场–应力场– 化学场的分布特点及耦合作用机理、综合防治技 术资源高效开采和综合利用等关键问题，研究以 应力为主导的能量调控技术、高温控制和利用技 术、水资源控制和利用技术，制定多场耦合作用下 的金属矿深部智能开采战略. 研究深部岩石的多 场耦合作用机理，提出多场耦合作用下岩石灾害 识别精准控制方法，通过岩石多场环境的智能识 别和感知理论方法，建立深部矿产资源开采及地 下空间开发的智能化理论和技术体系. （4）多学科的联合及交叉学科的综合. 岩石多场耦合作用主要考虑温度–水流–应力– 化学 4 个场，而工程现场的岩体是一个复杂的系 · 1396 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期