顏丙乾，任奮華，蔡美峰，郭奇峰?，喬 趁

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)城市與地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

深部能源與資源開采中，經(jīng)常滲及到復(fù)雜的賦存環(huán)境，巖體在高溫、高滲透壓、高應(yīng)力及復(fù)雜水化學(xué)環(huán)境中將發(fā)生多場耦合效應(yīng).場的概念源于物理學(xué)中的電場、磁場等，在巖石力學(xué)相關(guān)研究中涉及到的場主要有應(yīng)力場、溫度場、水流場、化學(xué)場、變形場、結(jié)構(gòu)場等.在開挖過程中，巖石所處的作用場不斷演化，最終在多場作用下會出現(xiàn)直接耦合和間接耦合、雙向耦合和單向耦合等不同的多場耦合關(guān)系.近年來，巖石多場耦合作用相關(guān)的項(xiàng)目收到業(yè)界的廣泛關(guān)注，為了更好地分析巖石在多場耦合作用條件下的作用機(jī)理，主要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面進(jìn)行研究.

國內(nèi)外學(xué)者早期對于巖石多場耦合作用下的力學(xué)試驗(yàn)研究，主要通過單一場作用、兩場作用的試驗(yàn)研究不同場對巖石力學(xué)性能的影響，主要集中在應(yīng)力場、水流場、溫度場方面.近年來隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)和升級，基于不同研究背景的應(yīng)力場、水流場、溫度場、化學(xué)場綜合考慮的多場耦合作用的試驗(yàn)設(shè)備不斷出現(xiàn)，同時研究巖石損傷及破壞過程的微觀試驗(yàn)設(shè)備也逐漸得到創(chuàng)新.另外，在模擬多場耦合作用下的巖石破壞過程中，傳統(tǒng)的有限元模型通常建立在巖石理想的連續(xù)各向同性體的抽象模型上，很難準(zhǔn)確描述有明顯各向異性特征的巖石的力學(xué)性能，因此其數(shù)值模擬的結(jié)果也將失去參考價值.隨著有限元的發(fā)展，如今的研究中，已經(jīng)將巖石的物理力學(xué)參數(shù)通過試驗(yàn)得出，并應(yīng)用到數(shù)值模擬中.計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件的發(fā)展為研究巖石多場耦合作用下的相關(guān)研究提供了較大的幫助，為很多世界難題的研究提供了參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)和實(shí)驗(yàn)方法拓展

巖石的力學(xué)性能試驗(yàn)使用的設(shè)備主要為巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，隨著試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)和研究，出現(xiàn)了美國、德國生產(chǎn)的液壓伺服試驗(yàn)機(jī)和通過計(jì)算機(jī)控制操作的試驗(yàn)機(jī)[1?2]，日本研發(fā)的通過計(jì)算機(jī)控制的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)，長春朝陽試驗(yàn)機(jī)廠[3]研制的巖石三軸流變儀、巖石三軸試驗(yàn)機(jī)以及巖石三軸流變試驗(yàn)系統(tǒng)[1].

1.1 多場耦合實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)與優(yōu)化

隨著巖石多場耦合作用研究的深入，科研人員開始專注于研制高溫高壓條件下的三軸試驗(yàn)機(jī)，輔助以圍壓和溫度加載及數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，試驗(yàn)研究溫度?應(yīng)力?化學(xué)多場耦合作用下深部頁巖的蠕變性能[4]，建立考慮環(huán)境溫度和化學(xué)作用的高應(yīng)力頁巖非線性蠕變模型，得出描述巖石溫度?應(yīng)力?化學(xué)三場耦合效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用ANSYS有限元對巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和溫度?應(yīng)力?化學(xué)多場耦合作用下的蠕變性能進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)備和蠕變模型的適用性.

圖1所示的三軸耦合試驗(yàn)機(jī)是由法國里爾科技大學(xué)研發(fā)的，設(shè)備可以同時施加圍壓、軸向偏應(yīng)力和孔隙水壓力[5]，可同時得出軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變，三軸室示意圖如圖2所示.該設(shè)備所用巖石試件尺寸一般為 ?50 mm×100 mm（兩端面平整度誤差一般小于0.01 mm），圍壓最大可達(dá)到 60 MPa，偏應(yīng)力最大可達(dá)到 300 MPa，孔隙水壓力最大為 60 MPa[6].

巖石的耦合滲透性受巖石多場耦合作用的影響，作用機(jī)理復(fù)雜，因此需要研究巖石在水流?應(yīng)力?化學(xué)多場耦合作用下圍壓、滲透壓、水化學(xué)性質(zhì)等多種因素對裂隙巖體力學(xué)性能的影響.裂隙巖石耦合作用下的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，試驗(yàn)中可用的液壓穩(wěn)定控制臺包括穩(wěn)壓控制臺（穩(wěn)壓控制臺主要保證圍壓和軸壓的穩(wěn)定）和低壓控制系統(tǒng)（低壓控制系統(tǒng)主要控制滲透壓大小和滲透溶液）[7]，實(shí)驗(yàn)設(shè)備子系統(tǒng)關(guān)系如圖4所示.該系統(tǒng)可提供最大載荷為 600 kN，最大圍壓為 10 MPa，穩(wěn)壓精度在靜態(tài)時達(dá)±0.5%，動態(tài)時達(dá)±2%，低壓控制系統(tǒng)的滲透壓最大可達(dá)1.6 MPa.

圖1 三軸水力耦合試驗(yàn)機(jī)[5]Fig.1 Experimental machine couplinghy draulic and mechanic[5]

圖2 三軸室示意圖Fig.2 Schematic diagram of triaxial chamber

圖3 巖石裂隙多場耦合試驗(yàn)系統(tǒng)[8]Fig.3 Multifield coupling equipment system for rock fracture[7]

該系統(tǒng)可以完成裂隙多場耦合作用時巖石多種性能的試驗(yàn)測試，通過控制圍壓恒定，試驗(yàn)得出巖石裂隙滲透率隨著滲透壓的變化而變化的規(guī)律；控制圍壓和滲透壓都保持不變，可以試驗(yàn)研究溶液酸堿度對巖石力學(xué)性能的影響；利用裂隙巖石滲透系數(shù)反算裂隙開度變化，得出巖石應(yīng)力和溶液酸堿度對巖石所受化學(xué)腐蝕的影響；通過試驗(yàn)測定滲出水的濃度也可以推算出巖石裂隙溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律[7].

為了通過巖石實(shí)驗(yàn)得到巖石各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，比如三軸加載下的試件的力學(xué)參數(shù)、模擬地下巖石所處高溫環(huán)境的參數(shù)，同時獲得試驗(yàn)中的裂紋實(shí)時CT成像，相關(guān)學(xué)者通過改進(jìn)電液伺服試驗(yàn)機(jī)研發(fā)出了一體式試驗(yàn)機(jī).一體式試驗(yàn)機(jī)含有機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等，其中壓力室具有加壓和加熱功能，在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，此時CT射線可以透過壓力室對巖石的內(nèi)部裂紋進(jìn)行實(shí)時掃描，得出巖石裂隙演化過程圖像.一體式試驗(yàn)機(jī)可以計(jì)算壓力室在受迫、自然對流和有無隔熱4種條件下的傳熱邊界條件，利用ICEM CFD對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用Fluent對計(jì)算域內(nèi)的溫度場進(jìn)行計(jì)算.通過建立試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)閥控非對稱缸的線性數(shù)學(xué)模型，得出高溫和室溫條件下的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，然后利用Matlab Simulink進(jìn)行仿真模擬[8].試驗(yàn)機(jī)的軸壓最大可達(dá) 100 kN，圍壓可達(dá) 20 MPa，加熱試驗(yàn)中溫度可達(dá) 200 ℃（精度為±5 ℃）.一體式試驗(yàn)機(jī)可以配合高能射線CT掃描技術(shù)對巖石進(jìn)行三軸應(yīng)力作用和加熱聯(lián)合試驗(yàn)，填補(bǔ)了國內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中CT實(shí)時成像的技術(shù)空白.

圖4 試驗(yàn)設(shè)備子系統(tǒng)關(guān)系Fig.4 Relationship chart of test equipment subsystem

1.2 多場耦合實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)

周輝等[9]設(shè)計(jì)了一套鹽巖裂隙水流–化學(xué)溶蝕的耦合試驗(yàn)裝置，如圖5所示.上部分為加工好的鹽巖試塊，將鹽巖試塊的裂隙面打磨光滑，考慮到兩塊鹽巖試件貼在一起形成的人工節(jié)理很難達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的平整閉合度，因此設(shè)計(jì)了一塊表面光滑的有機(jī)玻璃試件代替下部分的鹽巖試件.在進(jìn)水口位置通入一定飽和度的鹽巖溶液，鹽巖溶液流經(jīng)鹽巖試件和有機(jī)玻璃試件之間形成的鹽巖裂隙，測定和分析鹽巖裂隙面的溶解形態(tài).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鹽巖試件的溶解開始于裂隙的進(jìn)口處，鹽巖的溶解速度隨著鹽巖裂隙深度的增加而變慢.

重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[10]自主研發(fā)了如圖6所示的巖石THMC多場耦合作用水流裝置，該裝置由三軸加載系統(tǒng)、二氧化碳加壓系統(tǒng)、恒溫油浴控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，可以模擬不同地應(yīng)力、不同層壓、不同溫度等多場耦合作用下巖石的滲透性能.通過多場耦合作用下不同相態(tài)的二氧化碳致裂來驅(qū)替甲烷，在二氧化碳壓裂頁巖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了有效應(yīng)力、孔隙壓力和溫度等對頁巖滲透特性影響的實(shí)驗(yàn)研究.

河海大學(xué)等單位合作研制了超高壓大流量滲透儀及水流?應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)中的裂隙巖體采用含有裂隙的石灰?guī)r，滲透液為碳酸溶液和自來水，通過試驗(yàn)得出滲出水量、離子濃度和pH值變化，用以表征巖石裂隙演化機(jī)理，深入探討巖石的水流?應(yīng)力?化學(xué)耦合機(jī)制.

圖5 鹽巖裂隙溶解的試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Experimental setup for coupled fluid flow and dissolution test for salt rock fracture

圖6 巖石THMC多場耦合作用下水流裝置和原理圖[10]Fig.6 Device and schematic diagram under THMC multi field coupling of rocks[10]

盛金昌等[11]在超高壓大流量滲透儀及水流?應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了溫度、化學(xué)等因素對巖石試塊的影響試驗(yàn)，研制了如圖7所示的巖石溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）多場耦合效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，用來開展巖石在高溫、高滲透壓、高應(yīng)力和復(fù)雜化學(xué)作用下的巖石滲透性能和力學(xué)性能演化，其溫度控制及化學(xué)溶液自配系統(tǒng)原理如圖8所示.

巖石溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）多場耦合效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括主加載系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、化學(xué)溶液配制系統(tǒng)、滲出水量測量系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等.試驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有溫度場、滲透壓、應(yīng)力和化學(xué)場.設(shè)備設(shè)定了加載速率和壓力上限預(yù)警，為確保壓力試驗(yàn)精度，加載的最終值和目標(biāo)值誤差在0.5%以內(nèi)，以期巖石多場耦合作用的試驗(yàn)工況更精準(zhǔn)，儀器增設(shè)了位移傳感器用以實(shí)時測量耦合試驗(yàn)中的巖石試件變形及應(yīng)力?應(yīng)變測試.

圖7 巖石 THMC 多因素耦合試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Test system coupling THMC processes of rocks

圖8 溫度控制及化學(xué)溶液自配系統(tǒng)原理Fig.8 Schematic diagram of temperature control and self-distribution system of chemical solution

滲透壓調(diào)節(jié)可以分為裂隙巖石低滲透壓通道（0～0.4 MPa）和完整巖石高滲透壓通道（0.4～30 MPa），根據(jù)巖石滲透特性的不同采用多管路滲透壓控制選擇相應(yīng)的水流通道，確保試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性.溫度控制系統(tǒng)分為制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩種，將水、液壓油和鋼鐵外殼一起綜合計(jì)算吸熱量和散熱量，并對壓力室、水流液體、管道和升壓缸分別制熱和制冷到預(yù)定溫度后施加保溫措施，溫度控制系統(tǒng)可在3 h內(nèi)達(dá)到指定高溫（室溫～150 ℃）或低溫（?20 ℃～室溫）.化學(xué)配置系統(tǒng)的管路可以耐受pH值為0～14之內(nèi)任一酸堿性液體的腐蝕，試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)可以根據(jù)設(shè)定的化學(xué)溶液濃度自動調(diào)節(jié)化學(xué)溶液和水的比例，因此滲透系統(tǒng)和化學(xué)配置系統(tǒng)綜合在一起可以更真實(shí)地模擬地下復(fù)雜的水化學(xué)環(huán)境，在滲透系統(tǒng)中施加化學(xué)作用相較于傳統(tǒng)化學(xué)溶液浸泡更接近工程實(shí)際.

1.3 微觀機(jī)理試驗(yàn)的開拓

細(xì)觀損傷力學(xué)的提出可以追溯到20世紀(jì)50年代，而在20世紀(jì)80年代該方法已經(jīng)應(yīng)用到包括巖石、混凝土在內(nèi)的幾乎所有工程材料領(lǐng)域.我國科學(xué)家錢學(xué)森在20世紀(jì)50年代首次在國內(nèi)提出并系統(tǒng)闡述了細(xì)觀力學(xué)的概念，細(xì)觀力學(xué)是用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法分析具有微觀結(jié)構(gòu)的材料的力學(xué)[12].巖石細(xì)觀力學(xué)理論由Hill和Mora等基于Taylor細(xì)觀塑性理論提出，主要通過不同儀器對復(fù)雜環(huán)境下巖石的細(xì)觀力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀研究，更好地翻譯巖石變形特性并對巖石細(xì)觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量、定性的描述.在巖石力學(xué)中，室外天然巖體中直接影響巖石力學(xué)性質(zhì)的毫米級以上的裂隙、節(jié)理稱為宏觀尺度；介于毫米和微米級別之間的對巖石力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響的巖石微裂隙稱為細(xì)觀尺度[13]；發(fā)育在巖石礦物晶體中，不會直接影響巖石力學(xué)性能的微裂隙稱為微觀尺度.

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究得出，巖石的損傷存在形式主要為巖石的微裂隙.由于巖石在多場耦合作用下會出現(xiàn)微裂隙的演化、擴(kuò)展和貫通，進(jìn)而影響巖石的穩(wěn)定性，因此研究巖石的裂隙演化和擴(kuò)展機(jī)理對理解巖石破壞本質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)意義.

為了研究復(fù)雜環(huán)境中的巖石多場耦合機(jī)理，需要開發(fā)用于溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）多場耦合作用下裂隙巖體耦合的細(xì)觀測試設(shè)備，用以對裂隙巖體多場耦合作用下的巖石滲透性能進(jìn)行實(shí)時細(xì)觀測試.試驗(yàn)中的裂紋研究方法可以分為直接研究法和間接研究法.直接研究法就是使用相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備對巖石破壞過程進(jìn)行細(xì)觀觀測，更為直觀地了解巖石的破壞機(jī)理，間接研究法通過巖石的滲透性、聲波波速等參數(shù)間接反映巖石裂隙的擴(kuò)展情況[14].

巖石多場耦合作用下微裂紋的變化規(guī)律和巖石破壞本質(zhì)是研究的重難點(diǎn).由于設(shè)備發(fā)展的局限性，過去裂隙巖體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和不同材料的實(shí)際空間布局很難通過無損微細(xì)觀檢測定量表達(dá).隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在開發(fā)試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上引起和發(fā)展現(xiàn)代無損探測手段，比如實(shí)時CT掃描技術(shù)，電鏡掃描技術(shù)、核磁共振技術(shù)、X射線立體成像法和超聲波技術(shù)等，既能無損檢測到巖石的內(nèi)部孔隙微細(xì)觀結(jié)構(gòu)及演化過程，也能得出巖石在溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）等多場耦合作用中各物理場的宏觀關(guān)系，進(jìn)一步從微細(xì)觀和宏觀相結(jié)合的角度得出巖石在多場耦合作用下的性能.

圖9所示為巖石巴西圓盤試件滲透性試驗(yàn)測試前后的斷面裂隙形態(tài)對比圖，可以看出，巖石試件經(jīng)過地下水和蒸餾水的滲透融蝕作用后，斷面裂隙中間位置形成了較大的孔洞，是上下游水流通道貫通的明顯標(biāo)志[15].圖10所示為鹽巖及粉砂質(zhì)頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡結(jié)果.

圖9 滲透試驗(yàn)前后的裂隙形態(tài)對比圖[15]Fig.9 Comparison of scanned core images between test initiation and after 1492 hours[15]

圖10 鹽巖及粉砂質(zhì)頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)[16].（a）試件分層電鏡掃描示意圖；（b）第 30 層掃描圖；（c）第 90 層掃描圖；（d）微裂隙電鏡掃描圖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

Homand-Etienne和Houpert[17]對高溫處理后的Senones和Remirement花崗巖試件進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，定性和定量地研究了巖石微觀結(jié)構(gòu)的損傷情況對巖石力學(xué)性能的影響.Wang與Dusseault[18]對美國Westerly花崗巖進(jìn)行熱處理，利用聲發(fā)射（AE）進(jìn)行巖石熱破壞過程中的微裂隙擴(kuò)展監(jiān)測.葛修潤[19]將CT機(jī)和壓力試驗(yàn)機(jī)配合使用，通過觀測砂巖單軸和三軸加載過程中的微裂隙萌生?演化?擴(kuò)展?破壞過程，得出了各階段的CT圖像.陳四利等[20?21]使用CT試驗(yàn)機(jī)對化學(xué)腐蝕后的砂巖進(jìn)行了三軸應(yīng)力試驗(yàn)觀測，得出了巖石破壞過程實(shí)質(zhì)是巖石受力過程中巖石微裂隙的演化和微觀結(jié)構(gòu)變形累計(jì)的宏觀表現(xiàn).周克群等[22]研究了不同巖石熱效應(yīng)影響下的力學(xué)性能，巖石在經(jīng)過高溫處理后進(jìn)行低溫處理，利用核磁共振技術(shù)得出的巖石孔隙度和滲透率有一定的增加.楊建等[23]在研究致密砂巖滲透性的過程中采用了精細(xì)描述了微觀結(jié)構(gòu)的新技術(shù)如核磁共振、CT掃描和掃描電鏡，定性和定量地描述巖石微觀裂紋及微孔洞的變化.Dong等[24]在研究深部巖石滲透率與應(yīng)力的關(guān)系時，利用掃描電鏡技術(shù)得出如圖10所示的巖石滲透率降低與原生初始裂隙在應(yīng)力作用下壓密閉合的相關(guān)性.

2 數(shù)值模擬軟件及耦合計(jì)算程序

巖石力學(xué)性能的數(shù)值模擬方法主要有較早提出的有限差分法、20世紀(jì)50年代開始盛行的有限元法[25]、20世紀(jì)70年代開始使用的邊界元法及無單元法[26]、1971年由Cundall提出的離散元法[27]、20世紀(jì)80年代石根華提出的非連續(xù)變形法[28]以及20世紀(jì)90年代提出的流形元法等.鑒于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，深部巖體工程多場耦合程序也得到了很大的發(fā)展，總結(jié)如表1所示.

基于連續(xù)介質(zhì)理論的簡單數(shù)值分析方法無法較好地描述裂隙巖體的裂隙演化擴(kuò)展，因此學(xué)者探索了DDA、混合有限元離散元和流形元等非連續(xù)介質(zhì)方法[29].基于移動最小二乘法的無網(wǎng)格法可以較好地描述巖石水流?應(yīng)力耦合作用下的裂隙擴(kuò)展.劉泉聲與劉學(xué)偉[30]對多場耦合作用下巖石裂隙演化的主要問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了數(shù)值模擬流形元法在巖石多場耦合模擬中的優(yōu)勢.

巖石在應(yīng)力?水壓?溫度三場耦合作用中常用的數(shù)值模擬軟件有FRACTURE、GEOTH3D、FRACSIM-3D、THAMES、MOTIF、FRACON、FEHM、FRIP和GEORACK等.FRACTURE可以通過模擬流體流動、示蹤劑運(yùn)移和熱傳導(dǎo)等，來模擬溫度?水流?應(yīng)力耦合過程和耦合效應(yīng).GEOTH3D可以建立非均質(zhì)多孔介質(zhì)模型，模擬溫度?水流?應(yīng)力耦合作用下達(dá)西水流過程中的熱質(zhì)運(yùn)移.楊冰等[48]開發(fā)的TOUGHREACT是在TOUGH2的基礎(chǔ)上添加了化學(xué)反應(yīng)模塊，模擬液體三相反應(yīng)和運(yùn)移，計(jì)算多孔介質(zhì)和裂隙表面的化學(xué)反應(yīng)過程以及化學(xué)溶解對孔隙度和滲透率等的影響.FRACSIM-3D可以模擬裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的地下水水流、熱傳導(dǎo)和化學(xué)溶解反應(yīng)過程，得出巖石在水力作用下裂隙的剪切和擴(kuò)展，流體水流循環(huán)中的熱彈性效應(yīng)和化學(xué)溶解過程[49].TOUGH2和FLAC3D的外部耦合模塊連接形成多場耦合軟件，建立應(yīng)力和多相流孔隙壓力、溫度的關(guān)系，以及應(yīng)力和孔隙度、滲透率之間的關(guān)系.在TOUGH2-FLAC3D的基礎(chǔ)上，利用FISH語言開發(fā)水力壓裂模塊，實(shí)現(xiàn)了THM三場耦合模擬.FEHM軟件基于有限體積法，建立了多孔裂隙水流模型，模擬巖石在應(yīng)力、溫度等影響下的滲透率和孔隙度等的變化.國內(nèi)開發(fā)的RFPA系列軟件是基于有限元理論和損傷理論對非均質(zhì)各向異性材料進(jìn)行破壞過程的數(shù)值模擬.RFPA3D-FLOW通過建立的非均質(zhì)裂隙巖體在多場耦合作用下的物理模塊，研究分析巖石在多場耦合作用下的損傷演化和應(yīng)力分布.ABAQUS在巖土介質(zhì)多場耦合中使用較為廣泛，基于溫度?水流?應(yīng)力三場耦合數(shù)學(xué)模型，使用Matlab語言，以ABAQUS為求解器開發(fā)THM多場耦合程序，分析巖石多場耦合效應(yīng)[50].運(yùn)用ANSYS有限元軟件對巖石多場耦合條件下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，建立多場耦合作用的數(shù)學(xué)模型，對深部軟巖巷道圍巖進(jìn)行溫度?應(yīng)力?化學(xué)耦合作用的蠕變規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬.

表1 深部巖體工程多場耦合程序[31?32]Table 1 Codes for modeling the multi-field coupling programs for deep rock engineering[31?32]

根據(jù)現(xiàn)場工程實(shí)際，綜合考慮裂隙巖體的溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）多場耦合機(jī)理與數(shù)值模擬更符合實(shí)際.THMC多場耦合效應(yīng)數(shù)值模擬的重難點(diǎn)主要在于確定化學(xué)場作用下水化學(xué)對巖石參數(shù)的影響和化學(xué)場作用下礦物的運(yùn)移機(jī)制，進(jìn)一步得出考慮化學(xué)場的裂隙巖體多場耦合作用機(jī)理.2003年開始的國際合作項(xiàng)目DECOVALEXTHMC極大促進(jìn)了化學(xué)場的研究工作.THMC四場耦合作用的數(shù)值模擬軟件主要有TOUGHREACT、FLAC3D和COMSOL.

Hou等[51]將TOUGHREACT與FLAC3D相結(jié)合開發(fā)了巖石THMC四場耦合軟件，可以綜合反映巖石熱傳導(dǎo)性能、水壓、化學(xué)反應(yīng)及裂隙滲透性能.多場耦合作用主要表現(xiàn)在應(yīng)力導(dǎo)致的裂隙面的磨平和固熱流化多場耦合作用下裂隙的擴(kuò)展和巖石礦物的溶解[52].多場耦合軟件模擬得出注入低溫流體時的水壓效應(yīng)在幾天內(nèi)顯現(xiàn)，熱效應(yīng)在一個月左右顯現(xiàn)，而化學(xué)效應(yīng)在一年左右顯現(xiàn).于子望等[53]介紹了TOUGHREACT和FLAC3D的搭接方法，對實(shí)測值與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬軟件的實(shí)用性.

Comsol是一款通用的數(shù)值仿真軟件，通過添加模塊實(shí)現(xiàn)對巖石多場耦合作用的模擬，其中數(shù)學(xué)模型模塊可以通過自訂立偏微分方程組的形式進(jìn)行模型構(gòu)建和模擬.Comsol與Matlab可以實(shí)現(xiàn)完美對接，利用Matlab進(jìn)行模型設(shè)定和預(yù)處理，生成需要的隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型.國內(nèi)對Comsol涉及化學(xué)場的耦合模擬研究相對較少.國外的研究中，Nardi等[54]通過COMSOL和PHREEQC搭接的方法對THMC耦合進(jìn)行模擬，Nasir等[55]利用MATLAB對COMSOL與PHREEQC程序進(jìn)行搭接，使用COMSOL計(jì)算流固熱耦合部分，使用PHREEQC程序計(jì)算化學(xué)反應(yīng)部分，得出的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有良好的匹配性.

3 結(jié)論與展望

本文總結(jié)分析了國內(nèi)外關(guān)于裂隙巖體在溫度?水力?應(yīng)力?化學(xué)（THMC）多場耦合作用下的巖石微觀?細(xì)觀?宏觀多尺度力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)和研發(fā)，以及數(shù)值模擬軟件和耦合計(jì)算程序的開發(fā)等方面的研究，分析探討了巖石在多場耦合作用下研究的重難點(diǎn).

巖石多場耦合研究中，目前的研究重點(diǎn)還是集中在兩場、三場耦合狀態(tài)下的巖石力學(xué)性能，而化學(xué)場的引入是今后研究THMC四場耦合作用的關(guān)鍵和重點(diǎn).因此，需要強(qiáng)化相關(guān)理論知識，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于多場耦合模型相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支撐，開展相關(guān)的原位實(shí)驗(yàn)研究，建立可靠的數(shù)據(jù)庫，為模型的研究與數(shù)值計(jì)算提供指導(dǎo)和保障.

基于不同科研單位的創(chuàng)新研發(fā)成果，優(yōu)化巖石多場多相耦合作用下的力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)備，對應(yīng)力場、溫度場、水流場、化學(xué)場等多場耦合作用下巖石的三軸加載、水壓致裂、裂隙水流、化學(xué)劣化等不同試驗(yàn)研究，輔助以微觀機(jī)理研究設(shè)備，分析其多場耦合作用機(jī)理，有效模擬現(xiàn)場工程問題，以期得到有利于改進(jìn)現(xiàn)場施工、對工程有一定指導(dǎo)和參考價值的結(jié)果.

研究多場耦合作用過程中，要充分考慮巖石所處的多場耦合作用場在不同時間、空間尺度下的耦合作用機(jī)理及巖石各向異性對數(shù)值模擬準(zhǔn)確性產(chǎn)生的影響，通過對多場耦合作用機(jī)理的分析，構(gòu)建更合理的模型并將其應(yīng)用到數(shù)值方法和程序?qū)崿F(xiàn)等方面.