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,并受岩体地质特征及赋存环境的影响。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,明显地具有多学科交叉研究的性质。
在岩石力学的发展过程中,岩土体介质应力(变形)、渗流及温度等多场耦合研究从20世纪70年代开始逐步引起了重视。经过近40年的发展,在多场耦合机制、耦合模型与数值模拟等方面已积累了丰硕的研究成果,发展成为具有岩石力学学科特色的研究领域。
岩体多场耦合理论以岩体为研究对象;岩体作为多场耦合分析的研究对象,其地质特征的描述、力学特性的分析以及工程性质的评价是多场耦合理论的基础。岩体的地质特征揭示了岩体的成因、组成、赋存环境和演化历史等;岩体的力学特性介于岩体地质特征和工程性质之间,揭示岩体变形与破坏机制和规律;岩体的工程性质体现了工程的客观要求及岩体对工程的适应能力。
多场是对岩体应力场、渗流场和温度场等的简称。耦合通常指复杂系统中子系统之间的相互作用和相互影响。因此,多场耦合是指岩体应力场、渗流场和温度场等之间的相互作用和相互影响。多场耦合首先是两个场之间的耦合,如渗流场和应力场之间的耦合、温度场与渗流场之间的耦合、温度场与应力场之间的耦合。耦合问题又可分为直接耦合和间接耦合两类。以渗流场和应力场之间的耦合为例,直接耦合指力学变形、流体渗透之间的相互作用;间接耦合指由于岩体变形和渗流的影响,岩体水力特性发生变化从而影响岩体的变形和渗流特性。
在多场耦合基础上,考虑岩体的爆破开挖、锚固支护、防渗排水等工程作用对岩体应力、变形、渗(热)流运动特征的影响,将这种工程作用也纳入耦合体系中,称之为多场广义耦合(见图)。很显然,多场广义耦合实际上就是一般的多场耦合纳入了工程作用效应。多场耦合研究主要考虑经典物理场(化学场)之间的耦合作用,而多场广义耦合研究纳入了岩体工程作用这类非经典物理场的综合作用效应。采用岩体多场广义耦合理论和方法进行诸如边坡工程、地下工程岩体稳定性研究时,可以更好地将岩体工程动态设计、监测反馈分析、信息化施工结合起来,以达到既安全可靠,又经济合理的目标。