摘要：多场耦合是目前研究岩石力学的重点以及难点问题，通过数十年的研究发展，国内外也有许多学者取得了不小的成果。包括岩石在单一物理场、两场耦合或三场耦合、以及更为复杂的多场耦合。通过各种实验数据分析，也总结出一些了研究岩石多场耦合的数值方法。随着计算机技术的进步，岩石在多因素耦合作用下的数值模拟软件应用以及耦合计算程序的研究均有一定的进展，通过改进和创新设计，创造了一系列多场耦合试验系统，同时也也促进了其他技术的发展，例如实时CT扫描、电镜扫描、核磁共振、X射线立体成像、超声波等，不仅能够无伤检测到岩体的内在裂隙微观结构及裂隙演化全过程，还能得出岩石在热-水-力-化学四场耦合作用过程中各个物理场之间的相互影响关系，为探究岩石裂隙发展提供了更多更直观的方法。

关键词：多场耦合；数值模拟方法；多场耦合试验系统

1研究背景

当前，随着浅部资源的逐渐消耗，地下工程以及矿产资源的开发开始向深部发展。随着纵深的增加，深部岩石的赋存条件越来越复杂，高地应力、高地温、地下水及地下化学物质均共同影响着岩石的物理特性。岩石的多场耦合使得岩石的力学性质差异很大。岩石的耦合作用可以大致分成两种，即直接耦合和贯序耦合。直接耦合就是不必将两个或者多个物理场互相迭代，只需要将两个或多个物理场的简单叠加耦合。贯序耦合就是将两个或多个物理场进行迭代耦合之后再分析。两种耦合方式对于不同的现场环境均有一定的实用价值与各自优势，但当岩石处于复杂的多场环境是，贯序耦合是最常用最有效的方式。

早期致力于岩石及地下工程的学者们对于地下岩石的多场耦合规律研究大多集中在水、力以及温度场三方面的互相耦合或者三场耦合。近年来随着研究岩石损伤及破坏过程的微观试验设备逐渐得到创新，以及有限元分析和计算机软件的发展，能够将不同岩块以及岩体的强度变形参数和自然属性参数通过试验及软件分析得出，并且这些物理参数和属性参数均能够直接应用到数值模拟软件中去分析，建立趋近于实况的岩石模型。有限元分析软件和数值模拟软件的发展为研究岩石多场耦合作用下的相关研究提供了技术支持。

2文献梳理

岩石多场耦合指在岩石所处的地理环境中，有包括应力场、渗流场、温度场、化学场以及其他因素场在内的两场及以上共同对岩石性质产生影响。当前，已有大批学者对岩石多场耦合进行了理论及试验研究。Dreybrodt与Buhmann共同提出了薄膜理论模型，并且以此探究了方解石在水流场-化学场耦合影响下，其表面受水化学影响的溶解及沉淀机理。Bekele提出了核废料储存库三场耦合作用示意图。梁卫国[1]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。周辉[2]等假设岩石是由岩石基质、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。刘泽佳等[3]研究了多孔介质岩体在水-力-温度-化学四场耦合过程中的物理力学变化规律，并且建立了多场耦合本构模型，还给出了一种新的岩石耦合数值模拟方法。曾春雷以质量、动量和能量守恒为出发点，研究并推导出了温度-水-力三场耦合控制方程。王炳印等[4]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。盛金昌等[5]为了探究温度和化学因素对岩石试样的影响，在已有的超高压大流量渗透仪设备支持下，在渗流-应力耦合试验系统的基础上加入温度和化学因素，研制了岩石在温度-水流-应力-化学四场耦合效应试验系统，用来进行处于复杂赋存环境下的岩石在温度、渗流、应力和化学作用下的岩石渗透演化机制和力学特性变化规律。

3研究方法

目前为止，关于岩石多场耦合方面的研究也趋于成熟，实验室模拟现场实况虽然可行，但过程复杂，耗资较多，相对之下，数值模拟分析的优势就很明显，不需要复杂的实验过程，也不需要花费大量的人力财力，是目前岩石领域分析问题最为经济有效的手段。对于现有的岩石多场耦合问题研究，有的是根据岩体内部原生裂隙构建模型，有的则是直接采用现有等效连续介质模型进行耦合分析。当前对于等效连续介质模型来说，最常用的数值模拟分析方法是有限元及有限差分法，而对于裂隙构建模型常用的是离散单元法，这两种方法也是目前数值模拟最常用的方法。

4结论与展望

本文从微观、细观、宏观的多角度，探究并分析了当前岩石领域对岩石在两场及以上的多场耦合作用的研究现状。包括岩石多场耦合演化机制，岩石多场耦合力学试验系统及设备的改进研发，岩石多场耦合数值模拟软件、有限元分析软件及耦合计算程序的发展进程等方面的研究，总结出当前岩石多场耦合的趋势是朝深部发展。

目前都将岩石耦合研究的重点聚焦于两场、三场耦合，致力于探究耦合状态下岩石强度及变形能力的好坏，然而现有研究趋势表明化学场的引人是今后研究THMC四场耦合作用的关键之处。简言之，现在需要充足相关理论概念，改进实验设备，对多场耦合模型得出的实验结果作出支撑，相应的原位实验研究也要继续深入研究，建立数据可信的大数据库，目的是为研究模型、数值的计算提供理论依据和支撑。

针对于不同科研单位得出的创新研发成果的研究，对研究项目中改进和创新岩石在多场多相耦合作用下的力学性能试验设备进行研究，在多场耦合作用（对应力场、温度场、水流场、化学场等）下，对岩石进行三轴加载、水压致裂、裂隙水流、化学劣化等不同试验研究，以微观机理研究设备以及无损伤探测技术对实验加以辅助，分析在不同环境中的岩石多场耦合作用机理，以达到对现场工程出现的具体问题进行真实有效的模拟，对于改进现场施工和对工程建设全过程安全可靠性设计提供一定指导和参考价值。

对岩石在多场耦合下的作用过程进行研究，需要着眼于在不同时间、空间尺度下，岩石当下所处的复杂环境耦合作用影响机制，并且考虑到岩石各向异性对数值模拟结果准确性产生的影响。通过对岩石多场耦合作用机制的分析，构建出更为合理更真实有效的模型而且把研究结果应用到数值方法和程序实现等方面。

参考文献：

[1]梁卫国，盐类矿床水压致裂水溶开采的多场耦合理论及应用研究。岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1090

[2]周辉，绍建富，冯夏庭等，岩石细观统计渗流模型研究：实例分析，岩土力学，2006，27（1）：123

[3]刘泽佳，李锡变，武文华，多孔介质中化学-热-水力-力学耦合过程本构模型和数值模拟。岩土工程学报，2004，26（6）：797

[4]王炳印，蔚宝华，张跃群，泥页岩地层井壁失稳的一种新机理。内蒙古石油化工，2008，（8）129

[5]盛金昌，杜昀宸，周庆等，岩石THMC多因素耦合试验系统研制与应用。长江科学院院报，2019，36（3）：145