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 ·1395· 流-应力三场耦合作用机制非常复杂，因此在考虑 分运移方程等多场耦合数学模型，开发合理的数 岩石热和水对岩石力学性能影响的同时，需要重 值模拟方法.岩石力学多场耦合作用研究不仅要 点考虑岩石应力对岩石渗透性、热传导性及岩石 从宏观角度分析，也要建立微观、细观孔隙结构的 力学性能的影响.岩石力学多场耦合数学模型构 数学模型来计算和模拟耦合过程，建立微观-细观- 建基于以下假设：①岩石材料为非均质材料，裂隙 宏观多尺度耦合过程分析理论和方法.刘泽佳等 岩体细观单元中损伤的分布通过数字图像扫描形 建立了多孔介质温度-水流-力学-化学(THMC)耦 成：②岩石的热传导遵从Fourier定律；③岩石的水 合过程本构模型，同时发展了岩石耦合研究的数 流过程基于Biot固结理论和修正Terzaghi有效应 值模拟方法.王炳印等7考虑泥页岩地层的温度- 力原理；④岩石中细观单元为弹脆性如，岩石力学 孔隙压力-力学一泥页岩水化学耦合作用，建立了 性能描述使用Mohr-Coulomb准则、最大拉应变 耦合数学模型 准则和弹性损伤理论等，岩石细观单元在弹性 2.2深部岩石蠕变本构模型研究 状态下热力学不变，同时满足水流-应力应变函 岩石在多场耦合作用下的流变现象是当前岩 数，但是破坏后岩石的热传导率和渗透率发生突 石力学研究的重点之一，学者致力于寻求岩石在 变.建立描述岩石单元体损伤后热传导率和渗透 温度-水流-应力-化学多场耦合作用下的力学效 率的演化方程，用以描述岩石的破坏过程中温度 应，建立合理的流变模型]只有通过系列岩石流 场、水流场相互作用 变试验研究，建立能够反映岩石流变性能的本构 在国内研究中，许孝臣与盛金昌②利用分形 模型，建立正确合理的本构方程，才能更加准确地 理论建立了一组裂隙结构面，通过建立的单裂隙 描述岩石的流变性能，为现场实际工程提供指导 水流-应力-化学耦合作用的渗透性变化数学模 在岩石流变性能研究中，多种不同类型的流变本 型，计算分析了岩石单裂隙在高压水作用下的裂 构模型得到应用，以下对几种重点流变模型进行 隙平均开度变化，得出岩石压力溶解过程中水流 介绍 通道的形成.梁卫国建立了溶解-固-水流-传 岩石含水量对于蠕变特性的影响较大，水 质耦合数学模型，将三维固体变形模型和水流、扩 会影响岩石的顺势弹性变形、蠕变变形时间和蠕 散模型结合，得出岩石相关变量的相互作用及变 变变形量等[对于岩石含水量对岩石蠕变的影 化规律.陈强分析了地下水的不同组分，采用 响通常采用的方法是用干燥岩石试件和饱水岩石 化学热力学方法进一步分析了碳酸盐岩影响.周 试件，对比两种含水状态下岩石的蠕变特性，定性 辉等4啊假定岩石由岩石基质、裂隙及球形孔隙组 分析水对岩石蠕变特性的影响.由于岩石所处的 成，岩石孔隙均匀分布，推导得出岩石的有效孔隙 含水状态不一定是完全干燥或饱水状态，因此研 度表达式，建立岩石细观统计水流模型，将岩石裂 究岩石含水率对岩石力学性能的影响，并建立岩 纹演化中渗透性视为非线性动态过程，综合考虑 石含水率的蠕变模型具有重要的意义，对于地下 岩石裂纹演化和水流的耦合作用 工程，岩石所处的地下水中往往含有化学离子，因 多场耦合作用下裂隙岩体的水流性能随着时 此研究这些化学酸碱性腐蚀离子对岩石力学性能 间发生较大变化，因此研究裂隙岩体水流场和应 (包括蠕变特性)的影响也是重要研究方向之一 力场耦合作用下的时间效应对于工程稳定性分析 岩石所处环境的干湿循环和水流对岩石流变性能 具有一定的指导意义.有学者采用等效连续介质 的影响主要采用岩石全自动流变伺服试验机，分 模型对岩石流固耦合作用下的流变效应进行研 析水对岩石蠕变变形和渗透特性的影响， 究，得出岩石耦合条件下的流变数学模型，并根据 对于深部地下工程、地热能开发和核废料地 编制的有限元程序进行分析. 下储存等工程的开展，岩石在温度和时间共同作 岩石的温度-水流-化学-应力耦合作用是岩 用下的力学性能的变化规律需要进一步研究.刘 石多场耦合研究中的难点，国内外对流固热化学 泉声等考虑岩石受温度影响时的热、黏弹塑 多场耦合作用下的裂隙岩体的力学性能、渗透性 性，通过试验研究了7种不同温度作用下岩石单 能和数学模型的研究非常复杂M,需要综合采用微 轴压缩蠕变随温度的变化关系，建立了流变模型 细观研究、物理试验、数学模型分析和数值模拟 徐伟亚与杨圣奇对节理岩石进行了剪切流变试 分析等方法来揭示岩石多场耦合作用机理.建立 验，得出节理岩石的长期抗剪强度参数)近年 岩石热力学方程、水流方程、力学方程、化学多组 来，三轴流变仪和岩石流变扰动效应试验仪的流–应力三场耦合作用机制非常复杂，因此在考虑 岩石热和水对岩石力学性能影响的同时，需要重 点考虑岩石应力对岩石渗透性、热传导性及岩石 力学性能的影响. 岩石力学多场耦合数学模型构 建基于以下假设：①岩石材料为非均质材料，裂隙 岩体细观单元中损伤的分布通过数字图像扫描形 成；②岩石的热传导遵从 Fourier 定律；③岩石的水 流过程基于 Biot 固结理论和修正 Terzaghi 有效应 力原理；④岩石中细观单元为弹脆性[40] ，岩石力学 性能描述使用 Mohr–Coulomb 准则、最大拉应变 准则和弹性损伤理论等[41] . 岩石细观单元在弹性 状态下热力学不变，同时满足水流–应力应变函 数，但是破坏后岩石的热传导率和渗透率发生突 变. 建立描述岩石单元体损伤后热传导率和渗透 率的演化方程，用以描述岩石的破坏过程中温度 场、水流场相互作用. 在国内研究中，许孝臣与盛金昌[42] 利用分形 理论建立了一组裂隙结构面，通过建立的单裂隙 水流–应力–化学耦合作用的渗透性变化数学模 型，计算分析了岩石单裂隙在高压水作用下的裂 隙平均开度变化，得出岩石压力溶解过程中水流 通道的形成. 梁卫国[43] 建立了溶解–固–水流–传 质耦合数学模型，将三维固体变形模型和水流、扩 散模型结合，得出岩石相关变量的相互作用及变 化规律. 陈强[44] 分析了地下水的不同组分，采用 化学热力学方法进一步分析了碳酸盐岩影响. 周 辉等[45] 假定岩石由岩石基质、裂隙及球形孔隙组 成，岩石孔隙均匀分布，推导得出岩石的有效孔隙 度表达式，建立岩石细观统计水流模型，将岩石裂 纹演化中渗透性视为非线性动态过程，综合考虑 岩石裂纹演化和水流的耦合作用. 多场耦合作用下裂隙岩体的水流性能随着时 间发生较大变化，因此研究裂隙岩体水流场和应 力场耦合作用下的时间效应对于工程稳定性分析 具有一定的指导意义. 有学者采用等效连续介质 模型对岩石流固耦合作用下的流变效应进行研 究，得出岩石耦合条件下的流变数学模型，并根据 编制的有限元程序进行分析. 岩石的温度–水流–化学–应力耦合作用是岩 石多场耦合研究中的难点，国内外对流固热化学 多场耦合作用下的裂隙岩体的力学性能、渗透性 能和数学模型的研究非常复杂[7] ，需要综合采用微 细观研究、物理试验、数学模型分析和数值模拟 分析等方法来揭示岩石多场耦合作用机理. 建立 岩石热力学方程、水流方程、力学方程、化学多组 分运移方程等多场耦合数学模型，开发合理的数 值模拟方法. 岩石力学多场耦合作用研究不仅要 从宏观角度分析，也要建立微观、细观孔隙结构的 数学模型来计算和模拟耦合过程，建立微观–细观– 宏观多尺度耦合过程分析理论和方法. 刘泽佳等[46] 建立了多孔介质温度–水流–力学–化学（THMC）耦 合过程本构模型，同时发展了岩石耦合研究的数 值模拟方法. 王炳印等[47] 考虑泥页岩地层的温度– 孔隙压力–力学–泥页岩水化学耦合作用，建立了 耦合数学模型. 2.2    深部岩石蠕变本构模型研究 岩石在多场耦合作用下的流变现象是当前岩 石力学研究的重点之一，学者致力于寻求岩石在 温度–水流–应力–化学多场耦合作用下的力学效 应，建立合理的流变模型[48] . 只有通过系列岩石流 变试验研究，建立能够反映岩石流变性能的本构 模型，建立正确合理的本构方程，才能更加准确地 描述岩石的流变性能，为现场实际工程提供指导. 在岩石流变性能研究中，多种不同类型的流变本 构模型得到应用，以下对几种重点流变模型进行 介绍. 岩石含水量对于蠕变特性的影响较大[49] ，水 会影响岩石的顺势弹性变形、蠕变变形时间和蠕 变变形量等[50] . 对于岩石含水量对岩石蠕变的影 响通常采用的方法是用干燥岩石试件和饱水岩石 试件，对比两种含水状态下岩石的蠕变特性，定性 分析水对岩石蠕变特性的影响. 由于岩石所处的 含水状态不一定是完全干燥或饱水状态，因此研 究岩石含水率对岩石力学性能的影响，并建立岩 石含水率的蠕变模型具有重要的意义. 对于地下 工程，岩石所处的地下水中往往含有化学离子，因 此研究这些化学酸碱性腐蚀离子对岩石力学性能 （包括蠕变特性）的影响也是重要研究方向之一. 岩石所处环境的干湿循环和水流对岩石流变性能 的影响主要采用岩石全自动流变伺服试验机，分 析水对岩石蠕变变形和渗透特性的影响. 对于深部地下工程、地热能开发和核废料地 下储存等工程的开展，岩石在温度和时间共同作 用下的力学性能的变化规律需要进一步研究. 刘 泉声等[51] 考虑岩石受温度影响时的热、黏弹塑 性，通过试验研究了 7 种不同温度作用下岩石单 轴压缩蠕变随温度的变化关系，建立了流变模型. 徐伟亚与杨圣奇[52] 对节理岩石进行了剪切流变试 验，得出节理岩石的长期抗剪强度参数[53] . 近年 来，三轴流变仪[54] 和岩石流变扰动效应试验仪的 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 · 1395 ·