·1390 工程科学学报，第42卷，第11期 mineral resources,oil and gas fields,geothermal resources and other resources and energy fields,but also water conservancy and hydropower engineering,alpine engineering,underground engineering,underground nuclear waste disposal,and deep buried energy storage.Under the action of high stress,seepage,high temperature and chemical action,not only will the coupling effect occur,but the physical and mechanical properties of rock itself will be affected.It is of great practical significance to analyze and study the mechanical properties of rocks under the action of multi-field coupling for preventing accidents and ensuring engineering safety.Finally,the key and difficult points of rock multi field coupling research and the direction of future research were discussed,which provides a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS fractured rock;multi-field coupling;damage evolution;rock creep;constitutive model 随着地下空间开发和矿产资源开采的纵深向 深部岩体围岩失稳一般表现出明显的时间效应， 发展，岩石的赋存条件变得更为复杂四，处在高地 岩石在长期载荷作用及高温、水流、化学等多场 应力、高温、高渗透水压和复杂水化学环境中的 环境中会出现蠕变变形-蠕变损伤-蠕变断裂，因 岩体将发生极其复杂的温度-水流-应力-化学 此研究多场耦合作用下岩石的蠕变特性是岩石长 (THMC)多场耦合作用回.关于岩石多场耦合的研 期稳定性的研究重点方向. 究开始于20世纪50年代对水库诱发地震的研究 THMC多场耦合作用下岩石的研究工作非常 和分析，岩石的多场耦合并非所处多种物理场的 复杂，近年来相关学者在多场耦合理论和实验等 简单叠加，而是各个物理场之间的相互影响和作 方面开展了一定的研究工作，为了进一步开展相 用.岩石的两场或多场耦合作用主要有两种方式， 关研究工作，有必要结合不同研究背景及其在该 分别为直接耦合和贯序耦合).直接耦合法无需将 领域的研究特点，系统分析国内外在岩石多场耦 温度、水流、应力和化学四场反复迭代，只是不同 合方面的研究经验和阶段性成果，明确下一步的 物理场的直接耦合.贯序耦合是多场耦合研究中 研究方向和研究重点，为未来相关研究工作的开 常用的耦合模式，对多物理场进行相互迭代耦合 展提供一定的借鉴和参考 分析，当迭代收敛时则得出耦合问题的解 1裂隙岩体变形力学性能 岩体由完整岩块及裂隙构成，多场耦合条件 下对岩石的研究主要集中在裂隙岩体的损伤演化 1.1多场耦合岩石变形研究概述 特性和不同物理场对岩石物理力学特性的综合影 天然岩体自身含有微裂隙等缺陷，同时受水、 响.为此，学者引入损伤场来定量描述多场耦合作 温度、水化学等因素影响会引起岩石材料的劣化， 用下岩石材料的劣化、裂隙的萌生及演化，构建损 因此在多场耦合研究中，许多学者引入损伤场来 伤因子来表述材料的初始损伤及温度、水流、应 表述岩石的损伤.油页岩由有机质和矿物质组成， 力和化学作用对材料造成的变形等影响.岩石的 其内部微裂纹、微孔洞等初始损伤在应力作用下 损伤不仅与岩石所处的多物理场密切相关，同时 发生损伤演化、裂隙扩展最终形成宏观裂隙，从 也受岩石自身内部细观特征、孔隙率及构造特征 图1中可以直观看出岩石在应力-化学损伤作用 等特性的影响) 下岩石的损伤演化过程和劣化过程 目前，多场耦合作用下岩石的裂隙演化、变形 机制、力学本构和耦合模型构建等成为岩石力学 领域当前研究的热点、难点问题，得到了各国相关 领域学者的高度重视.加拿大在1992年开始的国 际重大合作项目DECOVALEX(Demonstration of coupled models and their validation against experiment) 中，进行了大量的多尺度室内和现场多场耦合试 验可，项目开发并验证了岩体热-水-力交叉耦合模 型，代表了当时的最高研究水平.2003年开始的 Organic matter DECOVALEX-THMC(2004一2007)计划，在THM No damage in rocks Mechanical damage to rock 三场耦合的基础上增加了化学场，中国科学院武汉 图1油页岩应力、化学损伤表征单元网 岩土力学所加入了该计划第四阶段的合作研究6刀 Fig.1 Characterization unit of stress and chemical damage in oil shalelsmineral  resources,  oil  and  gas  fields,  geothermal  resources  and  other  resources  and  energy  fields,  but  also  water  conservancy  and hydropower  engineering,  alpine  engineering,  underground  engineering,  underground  nuclear  waste  disposal,  and  deep  buried  energy storage. Under the action of high stress, seepage, high temperature and chemical action, not only will the coupling effect occur, but the physical and mechanical properties of rock itself will be affected. It is of great practical significance to analyze and study the mechanical properties of rocks under the action of multi-field coupling for preventing accidents and ensuring engineering safety. Finally, the key and difficult points of rock multi field coupling research and the direction of future research were discussed, which provides a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS    fractured rock；multi-field coupling；damage evolution；rock creep；constitutive model 随着地下空间开发和矿产资源开采的纵深向 发展，岩石的赋存条件变得更为复杂[1] ，处在高地 应力、高温、高渗透水压和复杂水化学环境中的 岩体将发生极其复杂的温度–水流–应力–化学 （THMC）多场耦合作用[2] . 关于岩石多场耦合的研 究开始于 20 世纪 50 年代对水库诱发地震的研究 和分析，岩石的多场耦合并非所处多种物理场的 简单叠加，而是各个物理场之间的相互影响和作 用. 岩石的两场或多场耦合作用主要有两种方式， 分别为直接耦合和贯序耦合[3] . 直接耦合法无需将 温度、水流、应力和化学四场反复迭代，只是不同 物理场的直接耦合. 贯序耦合是多场耦合研究中 常用的耦合模式，对多物理场进行相互迭代耦合 分析，当迭代收敛时则得出耦合问题的解. 岩体由完整岩块及裂隙构成，多场耦合条件 下对岩石的研究主要集中在裂隙岩体的损伤演化 特性和不同物理场对岩石物理力学特性的综合影 响. 为此，学者引入损伤场来定量描述多场耦合作 用下岩石材料的劣化、裂隙的萌生及演化，构建损 伤因子来表述材料的初始损伤及温度、水流、应 力和化学作用对材料造成的变形等影响. 岩石的 损伤不仅与岩石所处的多物理场密切相关，同时 也受岩石自身内部细观特征、孔隙率及构造特征 等特性的影响[4] . 目前，多场耦合作用下岩石的裂隙演化、变形 机制、力学本构和耦合模型构建等成为岩石力学 领域当前研究的热点、难点问题，得到了各国相关 领域学者的高度重视. 加拿大在 1992 年开始的国 际重大合作项 目 DECOVALEX（ Demonstration  of coupled models and their validation against experiment） 中，进行了大量的多尺度室内和现场多场耦合试 验[5] ，项目开发并验证了岩体热–水–力交叉耦合模 型，代表了当时的最高研究水平. 2003 年开始的 DECOVALEX–THMC(2004—2007) 计划，在 THM 三场耦合的基础上增加了化学场，中国科学院武汉 岩土力学所加入了该计划第四阶段的合作研究[6−7] . 深部岩体围岩失稳一般表现出明显的时间效应， 岩石在长期载荷作用及高温、水流、化学等多场 环境中会出现蠕变变形–蠕变损伤–蠕变断裂，因 此研究多场耦合作用下岩石的蠕变特性是岩石长 期稳定性的研究重点方向. THMC 多场耦合作用下岩石的研究工作非常 复杂，近年来相关学者在多场耦合理论和实验等 方面开展了一定的研究工作. 为了进一步开展相 关研究工作，有必要结合不同研究背景及其在该 领域的研究特点，系统分析国内外在岩石多场耦 合方面的研究经验和阶段性成果，明确下一步的 研究方向和研究重点，为未来相关研究工作的开 展提供一定的借鉴和参考. 1    裂隙岩体变形力学性能 1.1    多场耦合岩石变形研究概述 天然岩体自身含有微裂隙等缺陷，同时受水、 温度、水化学等因素影响会引起岩石材料的劣化， 因此在多场耦合研究中，许多学者引入损伤场来 表述岩石的损伤. 油页岩由有机质和矿物质组成， 其内部微裂纹、微孔洞等初始损伤在应力作用下 发生损伤演化、裂隙扩展最终形成宏观裂隙，从 图 1 中可以直观看出岩石在应力–化学损伤作用 下岩石的损伤演化过程和劣化过程. Chemical damage to rock No damage in rocks Mineral Organic matter No damage in rocks Mechanical damage to rock 图 1    油页岩应力、化学损伤表征单元[8] Fig.1    Characterization unit of stress and chemical damage in oil shale[8] · 1390 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期