岩体多场耦合存在于岩体形成及整个演化过程,具有复杂的耦合机制,并受到岩体地质特征及赋存环境的影响。20世纪70年代开始对岩土体介质应力(变形)-渗流及温度等多场耦合问题研究,特别是80年代中期开始的裂隙岩体热-水-力-化学(THMC)耦合问题的研究,凝练了岩体变形和破坏的关键科学问题,使得岩体力学建立在更加坚实的物理和力学基础上,极大地丰富了岩体力学的理论、方法及技术。裂隙与岩体渗透性与变形的关系如图1所示。随着工程建设的发展,工程难度越来越大,岩体力学与工程面临严峻挑战。无论是深部石油、天然气及固体矿产资源的开采,还是水电工程300米级高坝、深埋引水隧洞的建设,或是高放核废料的深地质处置,都迫切需要岩体多场耦合理论及分析技术支持,以达到改善岩体工程性质、提高资源开采效率、节省工程建设投资以及增强防灾减灾能力的目的。
岩体多场耦合研究以岩体为研究对象;以岩体地质特征及赋存环境为基础,以室内外试验、数值模拟为主要研究手段;以岩体的应力和变形、地下水和其他流体在岩体介质中的运动、地温及化学场之间的相互作用、相互影响为主要科学问题;以揭示多场耦合条件下岩体变形破坏、流体运动、岩体稳定性的状态和演化规律为主要研究目标。岩体多场耦合研究涉及工程地质、固体力学、流体力学、化学与环境、工程技术等多个学科,具有明显的多学科交叉研究的性质。
多场广义耦合系统由渗流场、应力场、温度场等物理场及工程作用之间的子耦合系统共同组成。每一个子系统的耦合作用又不是简单静态的,而是一个动态过程,构成一个循环往复的作用链。即某一场的变化必然引起另一场的变化,而另一场的变化又反过来影响前一场的变化,直到达到动态平衡为止。工程作用在多场广义耦合体系中处于十分重要的位置,通过提供工程作用力,改变边界条件,改变岩体物理力学特性全面参与岩体应力场、渗流场及温度场的耦合。工程作用参与岩体多场耦合,具有复杂的耦合过程和耦合机制。多场广义耦合关系如图2所示。