多場耦合完整版資料課件

多場耦合12主要內(nèi)容：緒論1、

研究對象

：復雜巖體

2、

研究意義：熱點-需求-產(chǎn)物

3、

研究現(xiàn)狀：單裂隙-裂隙巖體-核廢料處置庫

4、

研究內(nèi)容與研究方法

3水對工程的重大影響：國際重大事故1、法國Malpasset

拱壩

1954年末建成并蓄水，1959年12月2日21點20分，大壩突然潰決，當時庫水位為100.12m。洪水出峽谷后流速仍達20km/h，下游12km處Frejus

城鎮(zhèn)部分被毀，死亡421人，財產(chǎn)損失達300億法郎。導致如此重要的災害主要由忽略裂隙巖體滲流及水力耦合問題。緒論：存在的問題4法國Malpasset拱壩主要地質(zhì)結(jié)構圖1、壩基為片麻巖，片理傾角在30°-50°之間，傾向下游偏右岸。較大的片理中部充填糜棱巖。2、壩址范圍內(nèi)有兩條主要斷層。一條為近東西向的F1斷層，傾角45°，傾向上游。斷層帶內(nèi)充填含粘土的角礫巖，寬度80cm。另一條為近南北向的F2,傾向左岸，傾角70°-80°5Malpasset拱壩蓄水過程線

Malpasset拱壩于1954年末建成并蓄水。庫水位上升緩慢，歷經(jīng)5年至1959年11月中旬，庫水位才達到95.12m。這時的壩址下游20m，高程80m處有水自巖石中流出。因下了一場大雨,到12月2日晨，庫水位猛增到100m6荷載垂直片理與平行處理應力分布

Londe(1987)的分析：片麻巖有片理構造。試驗研究表明：當窄條形荷載與片理垂直時，應力向巖體深部傳布呈擴散狀，而當荷載與片理平行時，受片理影響，應力分布呈條帶狀傳至巖體深部而不能擴散。

Malpasset拱壩由于其與片麻巖片理空間相對關系,左壩肩拱推力與片理平行，右壩肩拱推力則與片理垂直。左右兩壩肩巖體承載后的應力分布有很大差異。由于壩左有F1斷層，在左壩肩從拱座到F1斷層形成高應力巖體條帶。

Bernaix在Malpasset拱壩潰壩后對地基片麻巖體進行過室內(nèi)滲透性與應力關系的試驗，發(fā)現(xiàn)片麻巖的滲透性與應力關系十分明顯。7

按巖石滲透性與應力關系的試驗結(jié)果，在拱壩推力作用下左壩肩拱座到F1斷層實際上形成了條狀防滲帷幕，相當于一個地下大壩。該區(qū)域的滲透系數(shù)僅為周圍巖石的滲透系數(shù)的1/100或更小。由于條帶內(nèi)與條帶外滲透系數(shù)相差100倍，繞壩滲流水頭全消耗在防滲條帶內(nèi)。因而,在防滲條帶上游就作用有相應于全水頭的壓力。左壩基巖體在全水頭壓力作用下沿F1斷層滑動致使拱壩潰決。Londe對Malpasset拱壩潰壩原因的解釋8

Wittke和Leonards的分析：西德Aachen大學Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱壩遺址后，隨即開展了對該壩失事原因的研究。Wittke從巖體滲流的增量荷載理論，用有限元方法分析壩與壩基在水壓力、自重及滲流荷載作用下的變形和應力。結(jié)果表明：拱壩壩踵處巖體在垂直片理方向產(chǎn)生拉應力，該處片理產(chǎn)生張裂縫。庫水進入裂縫并將裂縫劈開至下部斷層處，在裂縫內(nèi)形成全水頭壓力，使左壩肩至F1斷層的巖塊失穩(wěn)，大壩潰決。

Wittke對Malpasset拱壩潰壩原因的解釋

兩種對Malpasset拱壩破壞分析形式上一致，但出發(fā)點不相同。巖體中有節(jié)理、裂隙、片理、層面及斷層等各種構造面，水流主要順這些構造而運動。對多數(shù)巖石，巖塊的滲透性?？珊雎圆挥?。從這個觀點，Wittke提出的Malpasset拱壩潰壩原因的分析是比較最實際的。92、意大利Vajont水庫滑坡該水庫大壩高267m，是當時世界上最高的雙曲拱壩，于1960年建成。蓄水運行三年后，于1963年11月約(2.5-3.0)×108m3的巖體以高達25-30m/s的速度沿層面下滑，滑體淤滿水庫,并一直沖到對岸140m高處，造成高出壩頂100余米的涌浪,使庫水渲泄而下，摧毀了下游一個村鎮(zhèn)，死亡3000多人，并使全部工程失效。

Vajont滑坡地質(zhì)剖面10

Vajont滑坡降雨(E)、庫水位(F)、位移速率(G)及測壓管水位(H)過程線11滑坡位移速率與庫水位的關系：Müller(1964)在其論文“Vajont河谷的巖石滑坡”給出坡面位移與庫水位的關系。由圖明顯看出：在庫水位上升時滑坡加速，庫水下降時滑坡停止。這一現(xiàn)象與許多擋水土壩滑坡所得到的經(jīng)驗相矛盾，土體總是在庫水位降落時出現(xiàn)滑坡(Jaeger，1979)。對這一現(xiàn)象，當時未有滿意的解釋。庫水位(實線)與巖石位移(虛線)關系12

時至今日，按巖石水力學觀點這一現(xiàn)象在特定條件下是正常的。由于水在巖體中主要沿其中的裂隙運動,實際流速通常比達西流速大4～6個量級，但土體中實際流速與達西流速大體相當。這就是巖石水力學與孔隙介質(zhì)滲流學根本區(qū)別之一。巖石邊坡裂隙中的水位可與庫水位同步升降。Vajont近壩庫左岸滑坡滑面為靠背椅形。庫水位上升時，滑坡平段被水淹沒，巖石由濕重變?yōu)楦≈?，阻滑力減小，位移因而加大。反之，當庫水位下降時，阻滑力加大，位移就減小或停止。13緒論：理論的發(fā)展

法國Malpasset拱壩和意大利的Vajont水庫滑坡都說明了水對巖體工程的重要影響，如何解決這一問題成為眾多學者研究的熱點。巖體水力學及多場耦合理論發(fā)展的研究基礎自20世紀50年代以來，現(xiàn)代巖石力學的理論、方法和技術都取得了長足發(fā)展。巖石力學發(fā)展受到了若干重要的理論和技術的推動。巖體力學的發(fā)展

1、首先，20世紀50年代以Muller為代表的奧地利學派提出了結(jié)構面對巖石力學特性和巖體穩(wěn)定性起控制作用的思想，其后以谷德振為代表的中國學者提出了巖體結(jié)構新概念及巖體結(jié)構控制巖體穩(wěn)定性的觀點，并逐步形成了以“結(jié)構面和巖體結(jié)構”為核心的巖體工程地質(zhì)力學理論；

142、其次，20世紀60年代末現(xiàn)代計算機及數(shù)值模擬技術的快速發(fā)展為巖石力學提供了有效的分析手段和預測工具；

3、再者，各類室內(nèi)外實驗技術以及爆破開挖、錨固支護、固結(jié)灌漿等施工技術的發(fā)展為正確認識巖體、合理利用和改造巖體提供了技術支撐。

4、同時，巖石力學廣泛吸收和融合了力學學科、工程技術學科的最新研究成果。15多場耦合問題的初現(xiàn)

1、在巖石力學的發(fā)展過程中，20世紀70年代起步的巖土體介質(zhì)應力(變形)、滲流、溫度等多場耦合研究，特別是20世紀90年代開始的裂隙巖體熱-水-力-化學(THMC)耦合問題的研究。凝練了巖土體變形和破壞的關鍵科學問題，使得巖石力學研究建立在更加堅實的物理和力學基礎上，極大地豐富了巖石力學的理論、方法和技術。162、現(xiàn)代巖石力學已發(fā)展成為從連續(xù)介質(zhì)力學出發(fā)，運用連續(xù)和非連續(xù)介質(zhì)力學的基本概念、模型和方法，研究巖體的應力、強度、變形、破壞及流體-熱-化學傳輸?shù)任锢砹W特性，并解決工程巖體變形和穩(wěn)定性問題的應用力學學科。173、隨著工程建設的發(fā)展，工程技術難度越來越大，巖石力學與工程面臨嚴峻挑戰(zhàn)。無論是深部石油、天然氣及固體礦產(chǎn)資源的開采，還是水電工程300m級高壩、深埋引水隧洞的建設，或是高放核廢料的深地質(zhì)處置，都迫切需要巖體多場耦合理論與分析技術的支持，以達到改善巖體工程性質(zhì)，提高資源開采效率，節(jié)省工程建設投資，增強防災減災能力的目的。18多場廣義耦合理論的提出多場耦合理論的科學含義

1、研究對象：巖體多場耦合研究以巖體及其賦存環(huán)境為主要研究對象；

2、研究手段：以巖體地質(zhì)特征及賦存環(huán)境研究為基礎，以室內(nèi)外實驗和試驗、數(shù)值模擬為主要研究手段；

3、科學問題：以巖體的應力和變形、地下水和其他流體在巖體介質(zhì)中的運動、地溫及化學效應之間的相互作用、相互影響為主要科學問題；

4、研究目標：以揭示多場耦合條件下巖體變形破壞、流體運動、巖體穩(wěn)定性的狀態(tài)和演化規(guī)律為主要研究目標。19多場廣義耦合理論的形成

1、多學科的交叉：巖體多場耦合研究涉及工程地質(zhì)、固體力學、復雜巖體多場廣義耦合分析導論流體力學、化學與環(huán)境、工程技術等多個學科，明顯地具有多學科交叉研究的性質(zhì)。

2、經(jīng)過近30年的發(fā)展，積累了豐碩的研究成果，已逐步發(fā)展成為具有巖石力學學科特色的研究領域。

3、近幾年來，結(jié)合我國水電工程巖體變形與穩(wěn)定性分析，將巖體應力場、滲流場、溫度場以及工程作用綜合起來考慮，研究多場耦合機理、耦合模型與數(shù)值模擬，初步形成了復雜巖體多場廣義耦合的理論和分析方法。201、研究對象

巖體多場廣義耦合分析以巖體及其賦存環(huán)境作為研究對象，以工程巖體穩(wěn)定性研究為目標，著重研究巖體利用和改造等工程作用對巖體應力、強度、滲流、變形和破壞的影響。主要討論以下幾個基本概念：“復雜巖體”、“多場耦合”、“工程作用”“多場廣義耦合”211.1復雜巖體的定義巖體作為多場耦合分析的主要研究對象，其地質(zhì)特征的描述、力學特性的分析以及工程性質(zhì)的評價既是多場耦合研究的基礎，又是需要研究的關鍵科學問題。在多場廣義耦合研究中，采用“復雜巖體”一詞，以強調(diào)巖體的地質(zhì)特征、力學特性及工程性質(zhì)的復雜性。22在地質(zhì)特征上：巖體是經(jīng)過地質(zhì)作用改造過的，由結(jié)構面和結(jié)構體所組成并具有一定結(jié)構特征的，賦存于物理地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體的這一定義，至少有以下三層含義：三層含義：

1、一是巖體在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)受過復雜的內(nèi)外動力地質(zhì)作用，巖體中發(fā)育了各種地質(zhì)構造形跡。巖體作為地質(zhì)體，無一例外地打上了地質(zhì)建造和地質(zhì)改造的烙印，這是巖體區(qū)別于其他材料最顯著的特征。23三層含義：

2、二是巖體的基本組分可以用結(jié)構面和結(jié)構體進行表征，其中結(jié)構面用于對節(jié)理、裂隙、斷層、夾層及層間剪切錯動帶等構造形跡的抽象，結(jié)構體則是由結(jié)構面切割所形成的巖塊。結(jié)構面的發(fā)育程度和組合關系決定了巖體結(jié)構類型。通常將巖體結(jié)構劃分為：整體結(jié)構、塊狀結(jié)構、層狀結(jié)構、碎裂結(jié)構和散體結(jié)構。24三層含義：

3、三是巖體總是與一定的物理地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系。巖體是地質(zhì)建造和地質(zhì)改造的產(chǎn)物，因而地應力場、地下水滲流場及地溫場是巖體主要的賦存環(huán)境。巖體的物理力學性質(zhì)除受巖體結(jié)構控制外，還受其賦存環(huán)境的影響。25在力學特性上:

巖體是不連續(xù)(discontinuous)、非均勻(inhomogeneous)、各向異性(anisotropic)與非彈性(not—elastic)介質(zhì)，Harrison與Hudson(2000)曾將其歸納為DIANE特性。

巖體的不連續(xù)性源于巖體中發(fā)育的各級各類結(jié)構面，總體上巖體屬于不連續(xù)介質(zhì)，只是在實際問題中常被簡化為等效連續(xù)介質(zhì)。

非均勻、各向異性及非彈性反映了巖體特殊的物理力學性質(zhì)。巖體的組成，包括巖性及工程地質(zhì)巖組等決定了巖體的非均勻程度；結(jié)構面及其組合型式，特別是巖體結(jié)構類型和賦存環(huán)境決定了巖體的各向異性和變形特征。26在工程性質(zhì)上:

巖體是工程利用和改造的對象，并通過工程作用使巖體的變形和強度特性、滲透特性滿足人類工程需求。

1、巖基工程中，一般將不滿足要求的風化巖體挖除，保留微新巖體，對局部破碎巖體進行置換或加固；

2、為達到防滲要求，還需進行基礎灌漿形成防滲帷幕；

3、巖基抗滑穩(wěn)定，特別是深層抗滑穩(wěn)定是基礎穩(wěn)定性校核的重點。由此可見，對巖基工程而言，巖體的工程性質(zhì)主要指巖體的承載能力、防滲能力和抗滑能力。當然，巖體工程性質(zhì)隨工程類型、巖體的地質(zhì)特征和力學性質(zhì)而變化。27小結(jié)：

以上從地質(zhì)特征、力學特性和工程性質(zhì)這三個方面，簡要地論述多場廣義耦合研究中“復雜巖體”的含義。事實上，要深刻理解巖體特性還必須從上述三個視角加以剖析。

1、其中，巖體的地質(zhì)特征揭示了巖體的成因、組成、賦存環(huán)境和演化歷史等；

2、巖體的力學特性介于巖體地質(zhì)特征和工程性質(zhì)之間，揭示巖體變形和破壞的機理和規(guī)律；

3、巖體的工程性質(zhì)體現(xiàn)了工程的客觀要求及巖體對工程的適應能力。28

在這個意義上講，巖體地質(zhì)特征是物質(zhì)基礎，巖體力學特性是科學問題，而巖體工程性質(zhì)是研究目標。任何一項研究，目標必須明確，基礎必須扎實，原理必須正確。因此，巖體力學與工程研究，必須在明確工程目標的前提下，深入研究巖體地質(zhì)特征和巖體力學特性，忽略任何一方面的研究都會是不全面的，結(jié)果也可能是不可靠的。29

不同的巖體稱謂：如節(jié)理巖體、大型巖體、加錨巖體、深部巖體等。這些不同的巖體稱謂，并不說明巖體的本質(zhì)有什么不同，只是為了強調(diào)巖體某一方面的特點或特征以區(qū)別于一般巖體而已?！肮?jié)理巖體”：強調(diào)巖體中發(fā)育了成組節(jié)理，區(qū)別于節(jié)理、裂隙不發(fā)育或完整巖體；“大型巖體”：強調(diào)的是巖體的規(guī)模，是相對于小尺度巖體而言的；“加錨巖體”:強調(diào)了工程對巖體的錨固作用，是相對于一般未受工程作用的巖體而言的；“深部巖體”:則相對于一般淺表巖體，強調(diào)的是巖體賦存的深部物理地質(zhì)環(huán)境以及這一環(huán)境中特殊的巖體力學性質(zhì)。30復雜巖體概念的總結(jié)一、是指具有復雜地質(zhì)特征并賦存于復雜地質(zhì)環(huán)境中的巖體；二、是指具有復雜力學特性(變形、強度、滲流)的巖體；三、是指具有復雜工程性質(zhì)的巖體，尤其指在復雜條件下經(jīng)過工程利用和改造的巖體。由此可見，復雜巖體并不是一個新概念，而是強調(diào)巖體地質(zhì)特征與賦存環(huán)境、巖體力學特性和巖體工程性質(zhì)的復雜性，并試圖將這幾個方面作為一個整體系統(tǒng)加以研究，而非孤立地研究或片面地強調(diào)巖體某個方面的特性。311.2多場耦合多場是對巖體應力場、滲流場、溫度場、化學場等的簡稱。耦合(coupling)通常指復雜系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的相互作用和相互影響。多場耦合是指巖體應力場、滲流場、溫度場、化學場等之間的相互作用和相互影響。32多場耦合的研究基礎：多場耦合首先是兩個場之間的耦合，如滲流場和應力場之間的耦合，也稱HM耦合；溫度場與滲流場之間的耦合，也稱TH耦合；溫度場與應力場之間的耦合，也稱TM耦合。33多場耦合的分類耦合問題可分為直接耦合和間接耦合兩類。以HM耦合為例，直接耦合指力學變形與流體滲透之間的相互作用；

間接耦合指由于巖體變形和滲流的影響，巖體水力特性發(fā)生變化從而影響巖體的變形和滲流特性。例如，巖體受到各種荷載的作用，初始應力場受到改造，巖體發(fā)生變形或破壞，從而巖體的滲透特性發(fā)生變化。相應地，巖體滲透特性的變化又進一步改造了巖體應力場。這就顯示出巖體滲流場與應力場的耦合關系。34巖體具有復雜的變形破壞機理，圖1-1給出了裂隙巖體變形機理的總體描述。

圖1-1裂隙巖體變形的總體描述法向應力

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圖1-2為在法向應力、剪應力和三維壓應力作用下，單裂隙、裂隙巖體滲透性的變化規(guī)律。由圖可見，單裂隙在法向應力作用下壓縮，張開度不斷減小，裂隙滲透系數(shù)隨法向應力減小，最終趨于一個常數(shù)；圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關系示意圖36圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關系示意圖

單裂隙在法向應力和剪應力作用下，一開始產(chǎn)生少量剪縮，滲透性降低，然后裂隙很快產(chǎn)生剪脹，滲透性增大，當剪脹發(fā)揮到一定程度后滲透性趨于穩(wěn)定；

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裂隙巖體在復雜應力作用下，滲透性開始時由于巖體體積壓縮而有所降低，而后隨著巖體體積膨脹滲透性迅速增大，當進入應變軟化階段后巖體滲透性變化緩慢，甚至有所降低。單裂隙及裂隙巖體滲透特性變化的上述規(guī)律，包含了復雜的巖體水-力耦合機理。圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關系示意圖38多場耦合在各領域的提法解釋在不同的研究領域，對多場耦合常有不同的提法，如“流固耦合”、“水-巖相互作用”、“熱-水-力耦合”等。

“流固耦合”通常側(cè)重于研究固體介質(zhì)和流體間的耦合效應及基本規(guī)律；

“水-巖相互作用”主要研究在高溫高壓條件下，巖石和水發(fā)生的化學反應規(guī)律及其地球化學特征。39

水利水電工程中所研究的巖體多場耦合強調(diào)巖體水-力耦合作用及其對巖體和水工建筑物變形與破壞規(guī)律的影響。

核廢料地質(zhì)處置中研究的多場耦合則側(cè)重于熱-水-力及化學過程的耦合效應，國際巖石力學界稱之為THMC耦合(Thermo-Hydro-MechanicalandChemicalCoupling)。盡管不同領域所研究的內(nèi)容和重點有所區(qū)別，但仍然存在許多相同或相似的科學問題，可以相互借鑒和相互促進。圖1-3為巖體應力場、滲流場、溫度場耦合關系圖。40圖1-3應力場、滲流場、溫度場之間的耦合關系圖41圖1-3多場耦合關系示意圖（考慮化學場）42

如果將應力場、滲流場、溫度場耦合劃分為力學過程、流體流動過程、熱流過程及其相互作用，則伴隨在這三個過程中的耦合關系和特征如表1-1所列。表1-1多場耦合關系和特征431.3工程作用為滿足工程對巖體變形、穩(wěn)定性及防滲性能的要求，對巖體進行適度的改造是必需的。我們將工程對巖體的這種作用，稱為工程作用。工程作用可分為直接工程作用和間接工程作用。

直接工程作用：有施工開挖、加固支護、防滲排水等；

間接工程作用：如大壩填筑引起巖體應力水平提高、水庫蓄水引起巖體滲透壓力增大、庫水驟降導致異常滲透壓力等，雖然這些作用沒有直接改變巖體的物理力學性質(zhì)，但通過改變巖體的應力和滲流狀態(tài)而改造巖體。44

巖體既是工程作用的“客體”，又是地質(zhì)環(huán)境的“主體”。巖體的物理力學性質(zhì)既受地質(zhì)環(huán)境的影響，又受工程作用的改造，而且是相互作用和相互影響的。

1、大規(guī)模爆破開挖、大幅度庫水變化等工程作用改變巖體的邊界條件、受力狀態(tài)以及賦存環(huán)境，導致巖體發(fā)生變形或破壞；

2、錨固支護、防滲排水等工程作用可在一定程度上改善巖體的滲流及力學特性。在工程作用過程中，巖體的滲透特性、力學特性都將發(fā)生變化，而這種變化反過來又將進一步改變巖體賦存環(huán)境、巖體應力和變形狀態(tài)。453、爆破開挖：對巖體進行大規(guī)模的爆破開挖是最常見也是最劇烈的工程作用。爆破開挖對巖體的改造作用主要體現(xiàn)在以下三個方面：一、卸荷作用，形成二次應力場，在卸荷的過程中巖體結(jié)構面發(fā)生變形、擴展或破壞，也可能萌生新的卸荷裂隙；二、爆炸應力波對巖體的損傷，改變巖體的物理、力學、滲透及熱傳導特性；三、開挖改變了巖體的邊界條件，局部巖體應力場和滲流場都將發(fā)生變化。46爆破開挖的工程作用與多場耦合的關系爆破開挖的卸荷作用和損傷作用可在巖體中形成開挖擾動區(qū)(EDZ)。開挖擾動區(qū)內(nèi)存在強烈的多場耦合作用，并對工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。爆破開挖形成的EDZ及多場耦合效應與爆破開挖方式、巖體結(jié)構特征、地應力水平等因素密切相關。這主要是因為在不同的爆破開挖方式、不同的巖體結(jié)構特征、不同的地應力水平條件下巖體往往具有不同的能量轉(zhuǎn)移機制、裂紋擴展及變形破壞機理。474、加固作用對巖體進行大范圍的加固支護是提高巖體強度和改善巖體變形性能最常用也是最有效的工程措施。這種工程作用對巖體的改造作用通過以下幾方面體現(xiàn)：首先，加固支護對巖體施加有利于穩(wěn)定的作用力，如預應力錨索、錨桿等通過施加預應力提高巖體抗裂、抗滑能力；或者像抗滑樁、抗剪洞這類加固措施，雖然不主動提供作用力，但巖體一旦產(chǎn)生變形，就能提供限制變形的抗力。48

其次，加固支護改善巖體結(jié)構，提高巖體強度和抗變形能力，如系統(tǒng)錨桿或其他錨固措施，大量錨固件的植入以及錨固施工過程中的灌漿有利于提高巖體的完整性，還可能產(chǎn)生結(jié)構性強度，甚至改變巖體應力傳遞機制及變形破壞模式。再者，對局部及關鍵部位的軟弱及破碎巖體常采用置換處理，以提高關鍵部位巖體的強度和穩(wěn)定性。此外，錨固支護對巖體滲流也產(chǎn)生制約作用，伴隨在錨固支護中的灌漿或噴層可有效地減弱巖體滲透性，因而提高巖體滲透穩(wěn)定性。495、防滲排水工程措施防滲排水工程措施主要通過排水孔幕、防滲帷幕等滲控結(jié)構，改變巖體的滲透性并降低滲透壓力，提高巖體的防滲能力。此外，一些間接工程作用可引起巖體應力狀態(tài)的變化、巖體物理力學參數(shù)的調(diào)整。（1）水庫蓄水可能會引起水庫誘發(fā)地震；（2）天然強降雨或泄洪霧化強降雨入滲引起飽和區(qū)與非飽和區(qū)動態(tài)變化，滲透力增大，可導致巖體變形或破壞。（3）庫水位大幅度驟變引起超滲透壓力，庫水位循環(huán)漲落變化則可能導致巖體潛在滑裂面力學參數(shù)弱化。50小結(jié)：工程作用對巖體的地質(zhì)特征、力學特性及工程性質(zhì)都將產(chǎn)生深刻的影響，而且其作用效應是綜合性的。從多場耦合的角度分析，工程作用相對于地質(zhì)作用而言，這種作用在相對短暫的時間內(nèi)完成，并以強制性方式改變巖體物理力學性質(zhì)，改變巖體邊界條件，改變巖體的應力、滲流及熱流狀態(tài)。因此，工程作用是多場耦合作用過程中最活躍、最強烈的因素。當然，相對于地質(zhì)作用過程，人們更容易對工程作用過程進行控制和調(diào)節(jié)。511.4多場廣義耦合定義多場耦合：正如前述，一般將巖體應力場、滲流場、溫度場及化學場等之問的耦合稱為多場耦合。多場廣義耦合：在多場耦合的基礎上，考慮巖體的施工開挖、錨固支護、防滲排水等工程作用對巖體應力、變形、滲(熱)流運動特征的影響，將這種工程作用也納入耦合體系中，稱之為多場廣義耦合。很顯然，多場廣義耦合實際上就是一般的多場耦合納入了工程作用效應。多場耦合研究主要考慮經(jīng)典物理場(化學場)之間的耦合作用，而多場廣義耦合研究納入了巖體工程作用這類非經(jīng)典物理場的綜合作用效應。當然，不能簡單地將多場廣義耦合理解為“多場耦合加上工程作用”。52多場廣義耦合的提法諸如水利水電、礦山工程中，以巖體穩(wěn)定性為研究目標的多場廣義耦合分析，考慮巖體工程作用效應對于控制巖體變形和破壞，提高巖體穩(wěn)定性至關重要。因此，采用“多場廣義耦合”的提法，試圖拓展傳統(tǒng)多場耦合分析的范圍，明確耦合分析的針對性，提高分析成果工程應用的可靠性。值得指出，這里因為強調(diào)工程作用效應，故將其納入多場耦合分析體系中，隨著研究領域的擴大和研究的不斷深入，同樣可以將現(xiàn)在還沒有考慮的其他因素予以納入，只要這些因素確實與巖體應力場、滲流場、溫度場等存在耦合關系，這是“廣義”一詞所賦予的外延。53

圖1-4為多場廣義耦合關系示意圖。由圖可見，滲流場、應力場、溫度場、工程作用等多場廣義耦合系統(tǒng)由各場之間的子耦合系統(tǒng)共同組成。每一個子系統(tǒng)的耦合作用又不是簡單靜態(tài)的，而是一個動態(tài)過程，構成一個循環(huán)往復的作用鏈。即某一場的變化必然引起另一場的變化，而另一場的變化又反過來影響前一場的變化，直至達到動態(tài)平衡為止。圖1-4多場廣義耦合關系示意圖(考慮工程作用)54圖1-4多場廣義耦合關系示意圖(考慮工程作用)

工程作用在多場廣義耦合體系中處于十分重要的位置，通過提供工程作用力，改變邊界條件，改變巖體物理力學特性全面參與巖體應力場、滲流場及溫度場的耦合。工程作用參與巖體多場耦合，具有復雜的耦合過程和耦合機理。55耦合系統(tǒng)的解釋：復雜的大系統(tǒng)由相對簡單的子系統(tǒng)組合與耦合組成，這是客觀世界的普遍規(guī)律。采用經(jīng)典物理場進行耦合分析時，巖體應力場、滲流場、溫度場之間的相互作用是雙向耦合，但工程作用參與多場耦合大多是單向的。事實上，工程作用引起巖體物理場的變化可以通過現(xiàn)場監(jiān)測得到，對監(jiān)測信息進行及時的反饋分析，當確認工程作用引起的這種變化將危及巖體穩(wěn)定和工程安全時，就必須對相應的工程措施進行調(diào)整和優(yōu)化。在這個意義上，工程作用參與多場耦合也是雙向的。因此，采用巖體多場廣義耦合理論和方法進行諸如邊坡工程、地下工程巖體穩(wěn)定性研究時，可以更好地將巖體工程動態(tài)設計、監(jiān)測反饋分析、信息化施工結(jié)合起來，以達到既安全可靠，又經(jīng)濟合理的目標。562、研究意義

復雜巖體多場廣義耦合研究需要在理論、技術和應用三個層面上揭示巖體多場耦合機理，建立巖體多場耦合模型，模擬巖體變形破壞及演化規(guī)律，進而合理地利用和改造工程巖體。在水電工程建設中，多場廣義耦合分析可更準確地評價高壩復雜巖基、高地應力和高外水壓力下的深埋洞室圍巖、高陡巖質(zhì)邊坡巖體的穩(wěn)定性，并為采取有效合理的滲流控制措施提供理論依據(jù)，而且對研究水庫誘發(fā)地震的發(fā)震機制、空間分布與強度等也有指導意義。因此，復雜巖體多場廣義耦合研究不僅具有重要的理論意義，而且具有廣闊的應用前景。下面將從研究熱點、工程需求和學科特色三方面進一步予以論述。572.1巖石力學研究的熱點自20世紀80年代以來，巖體多場耦合問題已逐步成為國際巖石力學研究的熱點。西方一些發(fā)達國家建立了大型地下實驗室開展不同地質(zhì)介質(zhì)的多場耦合特性研究：如美國能源部的YuccaMountain國家地下實驗室(凝灰?guī)r)、加拿大的Whiteshell地下實驗室(花崗巖)、法國的Bure地下實驗室(頁巖)、瑞典的Aspo地下硬巖實驗室(花崗巖)、瑞士的Grimsel地下實驗室(花崗巖)、德國的Corleben地下實驗室(巖鹽)、比利時的Mol地下黏土實驗室等，開展了豐富的大型地下現(xiàn)場試驗。58

這些研究為建立考慮巖體賦存環(huán)境的巖體物理力學及化學模型提供了支持，并為開發(fā)考慮節(jié)理巖體和巖土體介質(zhì)耦合作用的大型計算機模擬軟件提供了實證數(shù)據(jù)，從而為巖石工程的設計施工和環(huán)境安全評估提供了重要的手段和途徑。有關巖體多場耦合問題的研究，目前主要涉及應力、溫度、水流、化學傳輸?shù)膬蓤龌蛉龍鲴詈线^程，關于化學場的研究才剛剛開始。59國外的具體研究項目：例如，美國在YuccaMountain進行了應力-水流-溫度和水流-溫度-化學傳輸耦合過程的研究，并著手進行應力水流-溫度-化學傳輸四場耦合過程方面的研究。美、日、英、法、德、西、瑞、芬、加等國家聯(lián)合資助的以THMC耦合為主要科學問題的DECOVALEX計劃是該領域最具影響力的大型國際合作科研計劃之一。該國際合作計劃在2004年開始實施了第4期研究計劃，并于2021年啟動第5期研究計劃。60國內(nèi)的研究：國內(nèi)對巖體多場耦合研究雖然起步較晚，試驗條件也相對落后，但在巖體多場耦合相關的許多研究方向上開展了研究，對多場耦合問題之重視以及研究隊伍之龐大是前所未有的。在國家自然科學基金過去資助的項目中，有關“裂隙巖體的滲透特性與規(guī)律、裂隙巖體的滲流概化模型、滲流與巖體應力的耦合分析”，以及“巖石介質(zhì)與流體和含水體系相互作用研究”等已被列為優(yōu)先資助的前沿性課題。近年來，將應力場、滲流場、溫度場以及工程擾動作用綜合起來考慮，研究多場耦合機理、耦合模型，初步形成了復雜巖體多場廣義耦合的理論和分析方法，并在巖石力學與工程部分列出了7個今后重點研究領域。61

由此可見，巖體多場廣義耦合已經(jīng)成為、而且在今后一段時間內(nèi)還將是國內(nèi)外巖石力學研究的熱點。這些研究將有助于加深對諸如巖體的滲透模式、滲流機制及基本規(guī)律等巖體多場耦合基本科學問題的理解，從而豐富巖體力學基本理論和分析方法；其次，這些研究將幫助人們從多場廣義耦合的角度加深對巖體變形破壞機理、穩(wěn)定性狀態(tài)和演化規(guī)律的認識，從而增強對地質(zhì)災害的預測預報和防災減災的能力。因此，巖體多場廣義耦合研究具有重要的理論意義。622.2重大工程建設的需求1．水利工程我國水資源分布不均，北方地區(qū)嚴重缺水，長距離、跨流域調(diào)水工程是21世紀我國促進社會經(jīng)濟全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的一項重要的戰(zhàn)略舉措。以西線、中線和東線南水北調(diào)工程為主的跨區(qū)域長距離調(diào)水工程將是今后20～30年內(nèi)水利建設的重點。東線、中線和西線工程都涉及復雜的巖土工程問題。其中東線、中線工程正在實施中，西線工程正在規(guī)劃論證中。63西線調(diào)水工程：涉及的巖土工程問題更為復雜，如低氣壓、缺氧、寒冷、高海拔、深覆蓋及復雜地質(zhì)條件下深埋大直徑的長引水隧洞等。西線工程所在地區(qū)是青藏高原地貌的陡變帶，具有復雜的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)構造背景。地層以三疊系分布最廣，巖性主要是淺變質(zhì)薄一中厚層砂、板巖，呈韻律互層，為陡傾角地層；水文地質(zhì)條件復雜，裂隙水發(fā)育，板巖遇水強度明顯降低。褶皺構造及層間擠壓帶非常發(fā)育，斷裂構造大多形成于中生代，以北西向斷裂為主，第四紀的構造運動較為強烈。64其他調(diào)水工程：除了南水北調(diào)工程外，還有許多地方調(diào)水工程。

云南滇中調(diào)水工程，從虎跳峽水庫引水，利用洱海做反調(diào)節(jié)水庫，向大理楚雄到昆明滇池調(diào)水，引水線路長408km，其中隧洞249km；

新疆伊犁河調(diào)水工程，包括長達40km引水隧洞，最大埋深可達2000m；還有為解決關中水資源短缺的陜西調(diào)水工程，甘肅省引洮工程等。這些長距離調(diào)水工程的設計和施工都將遇到許多巖體及賦存環(huán)境、工程作用等多場耦合及其所引起的地質(zhì)災害問題的挑戰(zhàn)。652．水電工程我國是世界上水能資源最豐富的國家之一，技術可開發(fā)量約4億kw。大力開發(fā)水電，減緩煤電對生態(tài)環(huán)境污染，已成為我國能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略方針和措施。在國家實施的“西電東輸”的水電能源開發(fā)戰(zhàn)略中，龍灘、小灣、溪洛渡、向家壩、錦屏一級和二級、瀑布溝、糯扎渡、拉西瓦等一批大型、特大型水電站已開始興建或?qū)⒁_工。這些電站均位于西部地區(qū)，西部地區(qū)將是今后我國水能資源開發(fā)的重點區(qū)域。66

縱觀我國西部在建和即將興建的一系列水電工程，移民安置、環(huán)境保護、庫壩安全及高效運行等是工程需要研究和解決的重大問題。就工程本身而言，“工程規(guī)模巨大、地質(zhì)環(huán)境惡劣、工程作用強烈”是其重要特征。其中，地質(zhì)環(huán)境惡劣主要表現(xiàn)為“三高”，即：高地應力、高滲透壓、高地震烈度，主要表現(xiàn)為：67(1)高地應力問題嚴重。西部地區(qū)的水電站，由于受地形條件限制，大型或超大型地下洞室群、長大隧洞等引水發(fā)電建筑物大都布置在深部巖體中。如錦屏二級水電站，穿越錦屏山的4條引水隧洞平均長度16.66km，開挖洞徑13m，襯砌后洞徑11.8m，埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m；埋深為1843m的長探洞內(nèi)實測最大地應力值已達42.11MPa，預測引水洞線附近最大地應力將達54MPa。68(2)高滲透壓問題突出。西部地區(qū)斷裂構造發(fā)育，特別是巖溶地區(qū)易于形成集中滲流通道。隧洞開挖可能出現(xiàn)高壓涌水甚至爆發(fā)突水及碎屑流災害。例如，錦屏二級水電站的5km長探洞勘探和試驗研究表明，探洞中單點最大集中涌水量達4.9lm3／s，封堵后的最大水壓力達10.22MPa。69(3)高地震烈度問題罕見。西部地區(qū)活動斷裂發(fā)育，活動斷層有371條，總長度2.8萬km。三江地區(qū)：位于青藏高原向四川盆地過渡地帶，地勢北高南低，地質(zhì)構造十分復雜，活動斷裂發(fā)育，地震活動頻繁，山崩、滑坡、泥石流等地質(zhì)現(xiàn)象時有發(fā)生。大渡河上的大崗山水電站設防烈度達到X度，壩基巖體變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定問題十分突出。70

在高地應力、高滲透壓聯(lián)合作用下的巖體變形破壞機理，與低地應力、低滲透壓作用情況相比有其顯著特點。

1、高地應力：在開挖過程中，由于高地應力釋放，使堅硬脆性巖體發(fā)生巖爆。高圍壓的長期作用有可能導致巖體脆性轉(zhuǎn)為延性，發(fā)生大變形，造成圍巖成洞困難，而深部巖體的流變、滲透壓產(chǎn)生的外水壓力可能對襯砌結(jié)構的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。712、高地應力、高滲透壓條件下巖體的滲流特性，尤其是深部巖溶發(fā)育地區(qū)的地下水補徑排條件給施工期的滲流控制造成極大困難。高滲透壓力作用下：裂隙巖體內(nèi)節(jié)理裂隙擴展，從而加劇了工程巖體強度的弱化，產(chǎn)生圍巖高壓滲透失穩(wěn)。總之，高地應力與強滲透壓的聯(lián)合作用將使巖體的應力-滲流耦合效應更加突出。723．核廢料處置工程研究的重要性隨著核工業(yè)的發(fā)展，我國也已面臨如何處置核廢料的問題。按照核能規(guī)劃估計，到2021年我國核廢料積存量將達1000t，到2021年達2000t。因此，尋求安全、有效、永久性處置高放核廢料已經(jīng)成為我國較為緊迫的研究課題。核廢料的特性由于核廢料含有毒性大、半衰期長、發(fā)熱量高的強放射性核素，發(fā)生在1998年3月美國華盛頓州中部的放射性核廢料自行泄漏事故，使核廢料深埋地質(zhì)貯存的安全性問題尤顯突出，也引起國際社會的高度關注。因此，高放核廢料安全處置是保證核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境和人類健康的一項長期的戰(zhàn)略任務。73核廢料貯庫與多場耦合的關系

貯庫的特點：核廢料貯庫圍巖介質(zhì)賦存環(huán)境是一個涉及熱、水、力、化學物質(zhì)(THMC)耦合作用的復雜動態(tài)體系，具有埋深大、周期長、溫度高、滲透壓力大等顯著特點。

變形與滲流特性：對于一般的核廢料貯存庫，埋深均達到500m以上，如美國目前在建的位于新墨西哥州的核廢料隔離試驗場，選址于658m深的鹽巖礦床內(nèi)。受開挖擾動的影響，深埋貯庫圍巖將處于較高的擾動應力場中，從而引起圍巖發(fā)生變形、松動，導致巖體滲透特性發(fā)生變化。

熱特性：同時，放射性同位素衰變產(chǎn)生大量的熱量，不僅影響巖體的應力場和滲流場，而且也將對巖體及地下水的物理化學性質(zhì)、核素遷移速率以及水-巖相互作用產(chǎn)生影響。74

這種熱力學效應是高放核廢料地質(zhì)處置安全評價中的關鍵問題之一。此外，在初始地應力場、擾動圍巖應力場和熱應力的共同作用下，深埋貯庫圍巖介質(zhì)高壓滲流場的滲透模式將發(fā)生變化，進而引起污染物的遷移運動。因此，開展高放核廢料地質(zhì)處置安全性評價，需要圍繞貯庫圍巖介質(zhì)復雜的賦存環(huán)境，結(jié)合圍巖介質(zhì)自身的結(jié)構特征，綜合考慮各物理場之間的耦合作用效應。75

上述問題不僅對工程設計施工提出了嚴峻挑戰(zhàn)，即如何在惡劣的地質(zhì)環(huán)境條件下合理地利用和改造巖體，并避免因不當?shù)墓こ檀胧┮馂暮?，達到“安全可靠、經(jīng)濟合理、技術可行、環(huán)境友好”的工程目標；而且，在理論上需要進一步闡明巖體及其賦存的地質(zhì)環(huán)境與工程作用之間的耦合機理，從而為采取合理的工程控制措施提供科學依據(jù)。76多場廣義耦合的應用前景

1、在水利水電工程方面，多場廣義耦合分析可更準確地評價高壩復雜巖基、高地應力和高外水壓力下的深埋洞室圍巖、高陡邊坡巖體的穩(wěn)定性，并為采取有效合理的滲流控制措施提供理論依據(jù)。

2、在核廢料處理方面，有助于工業(yè)核廢料的安全儲存設計，防止核廢料對地下水資源污染。

3、在石油和天然氣開采中，為優(yōu)化開采方案并預測由于開采、回灌等所引起的地質(zhì)災害提供理論支持?？梢?，復雜巖體多場廣義耦合研究具有廣闊的應用前景。772.3巖石力學發(fā)展的產(chǎn)物

巖石力學研究主要是從20世紀50年代開始的，國際巖石力學學會成立于1962年。

50多年來，經(jīng)過各國巖石力學工作者的努力，巖石力學的試驗、理論、方法和技術等方面都取得了快速發(fā)展，并在許多重大工程中進行了成功的實踐，為經(jīng)濟建設和社會發(fā)展作出了重要貢獻。在大量的工程實踐中逐步形成了具有巖石力學特色的材料本構關系、試驗方法、數(shù)值模擬方法、工程巖體加固方法等理論和技術體系。78

但必須看到，盡管巖石力學的研究內(nèi)容十分豐富，其理論和應用成果也相當豐碩，但作為一門學科，對其獨特的理論、方法和技術尚缺乏進一步的凝練和挖掘，以至于普遍認為：巖石力學的理論基礎仍主要源于固體力學、流體力學及土力學；與土力學相比，屬于巖石力學特有的理論和方法就太少了。79土力學的特點土是巖石風化的產(chǎn)物，是由固相、液相和氣相組成的三相分散體。1925年Terzaghi出版了第一本《土力學》著作，奠定了學科基礎。眾所周知，土力學中的“有效應力原理”、“固結(jié)理論”、“土坡穩(wěn)定分析”是其特有的理論和方法；可以設想，如果土力學中少了這三個獨特的理論和方法，那它作為一門學科就蒼白多了。土力學中的“有效應力原理”、“固結(jié)理論”主要源于土體是多孔力學介質(zhì)。當土骨架的空隙為液相和氣相所填滿時，作用于骨架的有效應力為總應力與流體壓力之差，從而有了“有效應力原理”；同樣地，當液體和氣體從空隙中排出，有效應力增大，土顆粒重新排列、骨架發(fā)生錯動，因而空隙受到壓縮，并伴隨土體壓縮變形和強度的提高。80巖石力學的特點

巖體是具有結(jié)構特征的裂隙介質(zhì)，巖體地質(zhì)特征、巖體力學特性和巖體工程性質(zhì)是巖石力學研究的重要內(nèi)容。那么，巖石力學作為一門正式的學科在50多年的發(fā)展中已經(jīng)形成了哪些獨特的理論、方法和技術呢？要回答這樣的問題，簡單地與其他學科相比是不可能找出答案的。從巖體地質(zhì)特性與賦存環(huán)境、巖體力學特性和巖體工程性質(zhì)三方面挖掘巖石力學的學科特色，并初步認為“巖體結(jié)構控制論、巖體多場耦合論、巖體工程作用論”是具有巖石力學學科特色的三個基本理論。811、巖體結(jié)構控制論巖體結(jié)構控制論是工程地質(zhì)學最基本的理論。谷德振倡導的巖體工程地質(zhì)力學，其基本指導思想就是“地質(zhì)體結(jié)構對穩(wěn)定性起控制作用”的論點。王思敬將其具體表述為以下三點：

①巖體內(nèi)部結(jié)構決定著它的工程地質(zhì)力學特性，這些特性是地質(zhì)體受工程荷載或自然應力作用下結(jié)構特性的反應；

②巖體結(jié)構對其變形、破壞機制起控制作用，并影響其穩(wěn)定性，工程地質(zhì)體的穩(wěn)定性本質(zhì)上是其結(jié)構穩(wěn)定性；

③巖體結(jié)構和工程結(jié)構之間有相互作用，地質(zhì)環(huán)境對工程的影響和工程改造環(huán)境之間有密切的聯(lián)系。82

孫廣忠提出了“巖體結(jié)構力學效應”這一命題，對巖體變形與破壞及其力學性質(zhì)的結(jié)構效應進行系統(tǒng)研究：

1、將巖體劃分為連續(xù)介質(zhì)、碎裂介質(zhì)、塊裂介質(zhì)及板裂介質(zhì)等4種力學介質(zhì)，提出了巖體力學是由這4種介質(zhì)構成的力學體系，并對碎裂介質(zhì)巖體力學及板裂介質(zhì)巖體力學進行了深入研究；

2、提出了巖體變形系由巖石材料變形和巖體結(jié)構變形共同構成的概念，研究了巖石材料變形和巖體結(jié)構變形的基本規(guī)律；

3、提出了巖體變形破壞系受巖體結(jié)構控制的基本觀點，建立了多種破壞機制及其判據(jù)等。83小結(jié)：1、巖體結(jié)構控制論的物質(zhì)基礎

不同類型、級別和自然特征的結(jié)構面及其切割而成的不同大小和形狀的結(jié)構體，賦予了巖體各不相同的結(jié)構特征，這是巖體結(jié)構控制論的物質(zhì)基礎。因為不同的巖體結(jié)構類型具有不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征，對巖體變形和破壞機理、應力傳遞規(guī)律、滲透特性及其他物理力學性質(zhì)具有控制作用。84巖體結(jié)構控制論的內(nèi)涵巖體結(jié)構控制論與米勒(Muller)關于節(jié)理巖體地質(zhì)力學的觀點既一脈相承，又與時俱進。應該說，巖體結(jié)構控制論是對節(jié)理巖體地質(zhì)力學思想的繼承和發(fā)展，包含著深刻的巖體成因、演化及與工程相互作用的哲學思想，形成了較為完整的概念、方法、準則等理論體系。85巖石力學與巖體結(jié)構控制論的關系：巖石力學中有關巖體結(jié)構面力學特性的研究、節(jié)理巖體本構關系的研究、巖體力學性質(zhì)及尺寸效應研究、基于巖體結(jié)構特征的各種數(shù)值模擬方法研究、針對巖體結(jié)構面的相關試驗方法和技術研究等都是建立在巖體結(jié)構控制論這一論點基礎上的。例如，國際巖石力學學會推薦的描述節(jié)理面粗糙度的10個標準剖面以及Barton的節(jié)理面抗剪強度公式，就是源于結(jié)構面性狀起控制作用的認識。還比如，石根華的塊體理論及DDA方法也是源于巖體結(jié)構控制論以及變形主要由結(jié)構面控制的觀點。86

很難設想，如果沒有節(jié)理巖體地質(zhì)力學及巖體結(jié)構控制論的指導，現(xiàn)今的巖石力學研究會是怎樣的狀況？也許還停留在巖塊力學研究階段。有學者會指出，巖體結(jié)構面及巖體結(jié)構屬于工程地質(zhì)學科的內(nèi)容，不應該歸入巖石力學學科。誠然，有關巖體結(jié)構面和巖體結(jié)構的概念是工程地質(zhì)學科最早提出的，有關巖體地質(zhì)特征也是工程地質(zhì)研究的重要內(nèi)容。但是，巖體結(jié)構控制論不僅僅是關于巖體地質(zhì)特征的理論，更重要的是關于巖體變形、破壞和穩(wěn)定性的理論。更何況，人為地將工程地質(zhì)與巖石力學割裂開來是不科學的，工程地質(zhì)的研究成果是巖石力學的物質(zhì)基礎，巖石力學正是在這一物質(zhì)基礎上研究相關的科學問題。872．巖體多場耦合論巖體的應力、強度、變形、破壞及穩(wěn)定性是巖石力學研究的核心內(nèi)容。巖體賦存的物理地質(zhì)環(huán)境是巖體地質(zhì)屬性的重要特征。如果將巖體的賦存環(huán)境作為一個系統(tǒng)，那么，應力場、滲流場和溫度場等就是這個系統(tǒng)的子系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間必然存在相互作用與相互影響，其相互作用的機理及相互作用的強弱程度決定了系統(tǒng)特征與功能。一方面，巖體賦存于應力場、滲流場和溫度場等物理地質(zhì)環(huán)境中；另一方面，巖體作為一種介質(zhì)，它又是應力場、滲流場和溫度場等的載體。因此，巖體物理力學特性不僅受賦存環(huán)境中單一因素的影響，而且受多場耦合綜合因素的影響。88

巖體應力場：是巖體初始應力場和工程擾動后的二次應力場的統(tǒng)稱。巖體初始應力或原巖應力是存在于巖體中未受工程擾動的天然應力，它是引起巖體變形和破壞的根本作用力，是確定巖體力學屬性，進行巖體穩(wěn)定性分析的基本前提條件。89

滲流場：泛指由區(qū)域水文地質(zhì)條件所決定的地下水流動場，以及地表降雨入滲形成的滲流場。滲流場研究的核心問題可歸結(jié)為三方面：一是介質(zhì)特性，主要是巖體的滲透性；二是流體，包括液體和氣體；三是流體與介質(zhì)的相互作用。滲流場并不獨立存在于巖體，它必然受巖體應力狀態(tài)的影響；滲流場的變化導致滲透力的變化，同樣也影響巖體應力場。巖體多場耦合研究，在更高的層次上揭示巖體應力、強度、變形、破壞的機理以及巖體穩(wěn)定性的演化規(guī)律，并使巖石力學建立在更加堅實的物理力學理論基礎上。90巖體多場耦合論的基本要點

①巖體的賦存環(huán)境及工程作用組成了一個有機系統(tǒng)，系統(tǒng)各部分之間總是相互作用和相互影響的，其耦合作用是一種客觀存在；

②巖體所表現(xiàn)出的各種物理力學特性既受巖體地質(zhì)特征的控制，也受賦存環(huán)境及工程作用的影響，更是系統(tǒng)耦合特性的反映；

③巖體多場耦合是一個非線性的動態(tài)過程，貫穿于地質(zhì)體的形成、演化以及包括工程作用在內(nèi)的整個過程；91④巖體多場耦合作用有強弱之分，對巖體變形和穩(wěn)定性分析最重要的是強耦合過程，應當抓住主要矛盾和矛盾的主要方面；

⑤巖體多場耦合機理、耦合模型、模型參數(shù)、耦合動力過程、耦合數(shù)值模擬、耦合效應的控制原理等是研究的主要科學問題。923．巖體工程作用論定義

當巖體的工程性質(zhì)不能滿足工程要求時，就需要通過工程措施對巖體系統(tǒng)進行控制和調(diào)節(jié)。

巖體工程作用論：是關于工程如何利用和改造巖體的理論。它是工程建設需要、巖石工程經(jīng)驗、工程技術以及系統(tǒng)科學相結(jié)合的產(chǎn)物，也是巖體及其賦存環(huán)境與人類工程環(huán)境相協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。為了更合理地利用和改造巖體，需要把工程地質(zhì)、力學分析、環(huán)境評價以及工程技術緊密結(jié)合起來。93觀點

巖體工程作用論的觀點認為，盡管巖體的地質(zhì)特征和力學特性是如此的復雜，但其工程性質(zhì)可以通過一定的工程作用加以改造。例如，采用有效的工程技術經(jīng)過反饋調(diào)節(jié)，適時地控制巖體變形，調(diào)整巖體強度和滲透性，改善巖體應力狀態(tài)，維護與提高巖體穩(wěn)定性，以期使巖體的工程性能得到充分發(fā)揮，從而獲得系統(tǒng)的最佳效益，又快又好地實現(xiàn)工程目標。94巖體工程作用論的基本要點

①巖體工程目標分析，它是巖體工程作用開始前的初步設計與分析，反映了工程建設需求和工程控制標準；

②工程作用原理分析，不同的工程控制技術具有不同的作用機理和作用效應，通過多方案的技術經(jīng)濟分析比較，研究工程技術控制方案的適用性，并選用最優(yōu)方案；95③工程作用效應監(jiān)測，采用現(xiàn)代信息技術和監(jiān)控手段監(jiān)測工程作用效應的信息，捕捉在實現(xiàn)工程目標過程中出現(xiàn)的偏差，甚至錯誤，并分析產(chǎn)生的原因，以指導選擇控制時機與技術參數(shù)，并據(jù)此判斷巖體穩(wěn)定性與控制效果；

④工程作用反饋設計，將監(jiān)測與分析結(jié)果進行及時反饋，以糾正原先不合理的設計或施工過程中產(chǎn)生的偏差，從總體上把握巖體變形、穩(wěn)定性及滲流控制的要求，只有這樣，才能保證工程既經(jīng)濟合理又安全可靠。96小結(jié)通過對上述問題進行歸納和凝練，將“巖體結(jié)構控制論”、“巖體多場耦合論”、“巖體工程作用論”概括為具有巖石力學特色的三個基本理論。如此看來，巖石力學經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成了獨有的理論、方法和技術體系。當然，僅將這“三論”作為巖石力學學科的特色理論，難免掛一漏萬，好在作這樣的歸納不完全是為了總結(jié)巖石力學本身，而是出于以下兩點考慮：971、一是在理論層面上，這三個理論確實有別于其他力學學科，或者說是其他學科所不具有的。毫無疑問，巖體結(jié)構控制論是巖石力學或巖體工程地質(zhì)力學所獨有的；多場耦合和工程作用問題雖然在土力學中也同樣存在，但土體畢竟在淺表，其多場耦合和工程作用的機理、程度和范圍都不可能與巖體相提并論。982、二是為了論述巖體多場廣義耦合是巖石力學的基本理論問題，是巖石力學發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。開展巖體多場廣義耦合研究是在更高的層次上揭示巖體力學作用本質(zhì)的客觀要求，而非故弄玄虛的研究。換言之，巖體多場廣義耦合研究是對傳統(tǒng)巖石力學的開拓和發(fā)展，有其深遠的學科意義。993研究現(xiàn)狀

在過去的幾十年里，有關結(jié)構面及裂隙巖體滲流模型、裂隙及其網(wǎng)絡的滲透特征、多場耦合機理與耦合模型、多場耦合的數(shù)值模擬方法、耦合試驗方法和測試技術等都取得了顯著進展。這些研究深化了對巖體地質(zhì)特征、力學特性和工程性質(zhì)的認識，從而增強了利用巖體和改造巖體的工程能力。1003.1單裂隙滲流模型與耦合機理研究1、單裂隙滲流模型是巖體滲流的基本問題和理論基礎。研究者們以各種材料制成的平行光滑裂縫或以天然節(jié)理裂隙進行水力學試驗研究，其中有代表性的有Lomize(1951)，Louis(1967)，Nonveillier(1968)，Sharp(1970)，Witherspoon(1982)，Raven&Gale(1985)，田開銘(1986)等。101Lomize的試驗研究得出了單裂隙水流運動的立方定理。

Tsang(1987)認為由于張開度的變化及巖橋的存在，裂隙滲流出現(xiàn)溝槽流(Channeling)現(xiàn)象，立方定理不成立。

Gentir(1993)在試驗的基礎上發(fā)現(xiàn)裂隙面僅有一小部分是導水的，特別是在荷載作用下，出現(xiàn)溝槽流現(xiàn)象更趨明顯。

Engelder和Scholz，Raven和Gale等的試驗也表明，立方定理僅近似地描述兩側(cè)壁光滑平直、張開度較大且無充填物的滲流規(guī)律。102

為了考慮裂隙粗糙度、張開度變化等因素對滲流的影響，一些學者引用等效水力傳導開度的概念，對立方定理進行修正。

Louis(1969)在修正時采用平均開度、某點處凸起體的高度及連通率等參數(shù)。

Witherspoon(1981)建議用典型裂隙面測得的最大開度、裂隙面開度的概率密度函數(shù)進行修正。

Barton和Bandis(1985)則基于節(jié)理面粗糙度系數(shù)和節(jié)理平均開度的概念提出了修正式。

Brown、Patir等(1987、1989)采用統(tǒng)計方法引入開度的變異系數(shù)進行修正。1032、在單裂隙的滲流與應力耦合機理研究方面，主要致力于建立裂隙滲透系數(shù)與法向應力的關系。

Louis(1974)根據(jù)鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)建立了滲透系數(shù)與正應力的負指數(shù)經(jīng)驗關系，該關系式與孫廣忠(1988)、周創(chuàng)兵(1996)、Min等(2003)等學者的理論模型一致。

Kranz等(1979)通過對完整及裂隙花崗巖的室內(nèi)試驗提出了滲透系數(shù)隨壓力變化的估計式。

Jones(1975)提出碳酸鹽類巖石的滲透系數(shù)與正應力的關系式。

Nelson(1975)提出了砂巖裂隙滲透系數(shù)經(jīng)驗公式。104

劉繼山(1999)根據(jù)巖體分類指標和初始孔隙度導出了單裂隙和兩組正交裂隙受正應力作用時的滲透系數(shù)公式。吉小明等(2003)和李玉林等(1999)分別從雙重介質(zhì)模型和有限變形的角度導出了類似的結(jié)果。張玉卓等(1997)對裂隙滲流與應力耦合進行了雙向等壓及不等壓試驗研究，得出滲流量與應力成四次方關系或非整數(shù)冪關系，并利用斷裂力學理論和Hertz接觸理論推導出了應力變化引起的粗糙裂隙巖體滲透系數(shù)的變化。105

鄭少河等(1999)通過大量天然裂隙滲流試驗，揭示了三維應力作用下裂隙滲流規(guī)律，提出了裂隙閉合量與巖體三維應力、巖體滲透系數(shù)與裂隙閉合量的關系式。劉亞晨等(2001)通過單裂隙、正交裂隙花崗巖的試驗，研究了高溫、高壓下裂隙巖體的滲透特性，表明在軸壓、水壓差一定時，裂隙滲透率K，與法向應力和溫度的關系可用冪函數(shù)表示。106

此外，不少學者研究了剪應力對裂隙滲流的影響，并探討了滲透系數(shù)與正應力和剪應力的依賴關系。

Barton(1985)認為粗糙裂隙在剪應力作用下被剪脹，滲透性增強；

Matsuki(1987)通過實驗認為在低法向應力作用下，水力張開度與力學張開度比值不受剪切位移影響；

Esaki等(1999)通過對人工花崗巖裂隙試樣進行的剪切～滲流耦合試驗，認為裂隙的滲透性與剪脹規(guī)律一致，剪切位移增加，裂隙的滲透性增強；

107

周創(chuàng)兵等(1996)將裂隙概化為厚度為bm的界面層，推導出了受正應力、剪應力作用的裂隙滲流的廣義立方定理。劉才華和陳從新(2002、2003)通過粗糙裂隙和充填裂隙實驗，給出了低應力、低水頭條件下裂隙巖體受剪應力作用的滲流模型，并通過對規(guī)則、均勻、粗糙裂隙的滲流剪切實驗，研究了巖體裂隙在剪切荷載作用下的滲流特性，認為滲透系數(shù)與剪應力有明顯的線性關系。1083.2巖體滲流模型與耦合建立研究近年來，隨著人們對高應力區(qū)巖體開挖導致的漸進破壞特征及水利耦合行為的關注和重視，研究巖石試件在算上破壞階段滲透特性變化規(guī)律的成果日益增多。李世平（1995）、Zhu&Wong（1997）、韓寶平（2000）、張守良（2000）、彭蘇萍（2000,2003）、李樹剛（2001）、姜振泉（2001）、盧平（2002）、朱珍德（2002,2003）、楊天鴻（2003）、李小琴（2005）、李玉壽（2006）、夏筱紅（2006）分別針對砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r、花崗巖、煤巖等巖石開展了應力-應變-滲透率全過程試驗研究，并探討了破壞過程中巖石的膨脹性、滲透率演化過程以及圍巖的影響；109

在巖石水-力耦合機理研究方面，損傷力學、細觀力學和微觀力學的基本原理和自洽、均勻化等數(shù)學方法被廣泛用于建立巖石水-力耦合的本構模型，并確定相應的宏觀等效計算參數(shù)（Cai，1992；Lee，1996；Vychytil，1998；Jachson，2000；Boutin，2000；Pozdnizkov，2004；Shao，2004）。楊天鴻、唐春安（2001,2004）則通過物理和數(shù)值模擬試驗，研究了巖石在變形破裂過程中的應力應變和滲透性演化過程，建立了一種描述巖石介質(zhì)滲流-應力-損傷耦合作用的細觀力學模型。這類研究側(cè)重于從微觀和細觀的角度探討巖石試件在破壞過程中的滲透特性演化規(guī)律，但如何將這類研究成果推廣應用于解決包含大量尺度各異的節(jié)理、裂隙的巖體水-力耦合問題還需要進一步的研究。110裂隙巖體滲流模型及耦合機理研究一是探討裂隙巖體水力耦合過程中水壓力的作用機制。根據(jù)飽和圖有效應力原理以及Hoffman（1928），F(xiàn)illunger（1930），Biot(1942)，門福錄（1992）等描述不同多孔介質(zhì)對有效應力方程的修正，

Kranz（1979）、Walsh（1981）、Katsub（1987）等通過大量的試驗研究，認為可用西征的有效應力描述節(jié)理巖體的孔隙水壓效應，且修正系數(shù)介于0.45-0.78之間；

Bruno（1991）等通過對含有雙缺口的巖樣進行的孔隙水壓力試驗，給出了等效的孔隙水壓力系數(shù)；111Bernade（1986），孫培德（2002）通過試驗認為巖石的孔隙水壓力并非常數(shù)，而與圍壓及孔隙結(jié)構密切相關；趙陽升（1994）通過試驗研究給出了不同應力分布區(qū)的等效孔隙水壓系數(shù)；黃潤秋（2000）和朱珍德（2000）結(jié)合有效應力原理探討了水壓力對裂紋擴展的力學作用機制。112

二是將單裂隙滲流及耦合模型推廣到三維裂隙巖體，建立裂隙巖體的等效滲透張量。裂隙巖體滲透張量的確定即使進行滲流及耦合分析的關鍵環(huán)節(jié)，又是滲流及耦合作用研究的難點所在。

Snow（1965,1969）、Pomm（1966）假定裂隙巖體無限延伸，根據(jù)裂隙組數(shù)、間距、隙寬及產(chǎn)狀要素，推導了三維裂隙巖體的滲透張量。

Oda（1986）根據(jù)裂隙的發(fā)育特征，采用同濟理論確定巖體的滲透張量。周創(chuàng)兵（1996）則基于滲流擴散能量疊加原理給出了確定利息額巖體滲透張量的解析模型。113周創(chuàng)兵（2021）已經(jīng)證明，當考慮滲流-應力耦合分析時，上述三個模型在功能及形式上是完全等效的。此外，Liu（1999）提出了一種解析模型，將擾動巖體中的有效孔隙率和滲透系數(shù)與應力或應變重分布聯(lián)系起來。這些滲透張量模型的共同特征就是研究滲透張量與應力或彈性應變的依賴關系。114

如前所述，當裂隙巖體進入峰后加載階段，其水-力耦合作用將由弱變強，巖體變形及滲透特性將急劇增大。強耦合機理受眾多因素影響，其中裂隙巖體的峰后剪脹特性及開挖卸荷損傷效應是最為突出的兩個影響因素。如何建立考慮峰后剪脹特性演化過程及卸荷損傷效應的強耦合數(shù)學模型，是裂隙巖體滲流-變形強耦合研究的難點。115強耦合數(shù)學模型-剪脹孫廣忠（1998）、Barton&Bandis(1982)、Olsson（2001）、Archambault（1993）、Willis-Richards（1998），Chen（2000）、王光綸（2005），Hock&Brown（1997）、Vermer&Borest(1984)、Detournay（1986）、靖洪文（2003）、Yuan（2004）、Alejano&Alonso(2005)等對單裂隙、巖石及裂隙巖體的剪脹特性做了較為深入的研究，但與土體、特別是緊密砂土和超固結(jié)粘土的剪脹特性的研究相比，裂隙巖體的剪脹特性及其對水力耦合機理、巖體穩(wěn)定性和峰后力學特性的影響還沒有得到的重視，目前既沒有在巖體變形與強度特性、破壞準則研究中深入考慮巖體的剪脹特性，也沒有在巖體工程設計和災害評價中考慮巖體的剪脹特性及其影響。116

盡管裂隙巖體剪脹特性的影響因素、發(fā)揮過程及演化規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)，但其理論意義及其工程價值已逐步引起了國內(nèi)外學者的重視。如，竇鐵生（1995）、周創(chuàng)兵（1996）、喬春生（1998）、鄭穎人（2000）、盛金昌（2000）、楊松林（2001）、晏石林（2000）、Lai（2002）、王學濱結(jié)合簡化的剪脹行為對巖體的變形與強度特性、破壞準則以及水-力耦合機理進行了研究。陳益峰（2006）對不同應力條件下裂隙剪脹的發(fā)揮過程及演化規(guī)律進行了初步研究，并采用非關聯(lián)彈塑性理論和負指數(shù)形式的滑動剪脹角，研究了高應力條件下單裂隙及裂隙巖體的峰后滲透特性，分別對單裂隙及裂隙巖體建立了峰后滲透特性的強耦合解析模型和數(shù)值計算模型，研究結(jié)果表明：裂隙剪脹可導致巖體主滲透系數(shù)增大3-5個數(shù)量級。117強耦合數(shù)學模型-巖體損傷與演化裂隙巖體在開挖過程中，爆破損傷及卸荷作用使得原生裂隙張開、閉合、擴展、開裂或貫通，從而進一步為滲流-變形耦合創(chuàng)造條件。巖體的損傷及演化是裂隙巖體滲流與變形強耦合作用的一個重要機制。它一方面使得巖體的力學性質(zhì)顯著弱化并產(chǎn)生強烈各向異性，從而影響巖體的力學過程；另一方面又通過改變滲流裂隙網(wǎng)絡使得巖體滲透特性增強，并使得滲透路徑復雜化。118強耦合數(shù)學模型-巖體損傷與演化研究概況

巖體損傷力學的研究包括四個核心內(nèi)容，即損傷變量的定義、損傷演化方程、損傷巖體的本構模型以及損傷巖體的數(shù)值分析方法（馬景槐，2000；謝興華，2003）。朱珍德（1999,2003）和鄭少河（2001,2004）基于能力互易定理和自洽理論，在裂隙巖體滲流場、應力場和損傷場耦合分析模型方面開展了一定的研究工作。119

巖體開挖卸荷問題在實際工程中一般按準靜止過程處理，然后，開挖過程中的爆破損傷和作用荷載的瞬時釋放將導致巖體超松弛，在巖體中產(chǎn)生拉應力，使得巖體中的原生裂隙結(jié)構面張開，形成開挖擾動去EDZ（Sheng，2002；Suzuki，2004；）。盧文波等（2003,2005,2007）的研究表明，將巖體開挖視為動態(tài)卸荷過程，能更合理地解釋EDZ的形成機制，EDZ巖體的動態(tài)松動機理及EDZ巖體滲流-變形的強耦合行為。120強耦合存在的問題

從剪脹特性和損傷效應的角度研究高地應力區(qū)裂隙巖體在大開挖條件下滲流與變形強耦合機理研究尚不成熟，基于應變張量或全應力-應變關系的裂隙巖體滲流與變形強耦合模型尚未系統(tǒng)建立。但隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，巖體工程涉及的地質(zhì)條件日益復雜、埋深日趨增大，地應力水平日漸提高；與此相對應，巖體的變形破壞機理也越來越復雜，巖體滲流與變形的耦合作用也越來越強烈。巖體滲流與變形的強耦合機理研究成為高應力區(qū)巖體工程迫切需要解決的熱點及關鍵科學問題。1213.3巖體滲流介質(zhì)類型與參數(shù)研究1、巖體滲流介質(zhì)類型等效連續(xù)介質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)、雙重介質(zhì)三種。他們的適用性是滲流及耦合分析的熱點問題。

Wilson和itherspoon(1970)年把巖體分別當做連續(xù)介質(zhì)和不連續(xù)介質(zhì)進行計算比較厚發(fā)現(xiàn)，最大裂隙間距與建筑物最小邊界尺寸之比大于1/50時，按不連續(xù)介質(zhì)考慮。

Maini（1972）年指出，應把上述的最大裂隙間距改為平均裂隙間距，其相應的比值大于1/20，應按不連續(xù)介質(zhì)考慮。122Dcrshowitz和Einstein（1987）認為，對石油開采，道路、核廢料以及水資源工程，巖體不能采用連續(xù)滲透介質(zhì)模型。

Tsang（1987）認為平行板模型也不用用于裂隙巖體滲流分析。張有天（1990）則認為，對于大型水電工程進行滲流分析，用連續(xù)介質(zhì)模型并輔以主要斷層或裂隙即可滿足工程精度要求。1232、巖體的表征單元體

巖體的滲透介質(zhì)類型選擇時，巖體的表征單元體（REV）的研究很關鍵。Bear（1972）、Long（1982）、Witherspoon（1981）、Oda（1985）等做過研究。

Witherspoon認為，三維裂隙連通性好，其REV值比二維裂隙巖體的小。周志芳（1991