关于《物理和力学性能及本构模型：THMC耦合下岩体的综合评述》一文的学术报告

本文题为《Physical and mechanical properties and constitutive model of rock mass under THMC coupling: a comprehensive review》，由同济大学土木工程学院的Jianxiu Wang、Bilal Ahmed、Huboqiang Li等多位学者，联合上海地质矿产工程勘察（集团）有限公司、广州地铁设计研究院股份有限公司的研究人员共同撰写。该文作为一篇综述性论文，于2025年2月19日发表在MDPI旗下的开放获取期刊《Applied Sciences》第15卷第4期。

论文主题与核心论点

该论文的核心主题是，在深部资源开采与地下空间开发中，岩体处于极端复杂的环境中，承受着高温（Thermal）、高渗压（Hydrological）、高地应力（Mechanical）和复杂化学（Chemical）环境的共同作用。这些物理化学场之间并非简单的叠加，而是存在着动态的、相互影响的耦合（coupling）关系，即THMC耦合。这种耦合效应会显著改变岩体自身的物理和力学性质，深入研究其机理对于预防工程事故、保障工程安全至关重要。本文旨在对THMC多场耦合作用下岩体的破裂演化、变形机制、力学本构模型以及耦合模型构建等方面的研究进展进行一次全面、系统的梳理与评述。

主要论点一：THMC耦合研究的背景、重要性及历史脉络

作者首先阐明了多场耦合研究兴起的现实驱动力与学术背景。随着人类工程活动向地球深部进军（如深部采矿、核废料地质处置、地热开发、深部能源储存等），岩体所处的环境变得极为严酷。传统的单一物理场（如仅考虑应力）或双场耦合（如热-力TM、水-力HM）模型已不足以准确预测和评估岩体在真实复杂环境下的长期行为与稳定性。因此，发展能够描述温度（T）、渗流（H）、应力（M）和化学反应（C）四个场之间复杂相互作用的THMC耦合理论，成为岩石力学领域的前沿与挑战。

本文系统回顾了该领域的研究历程：从20世纪50年代因水库诱发地震研究而起步，到关注两场耦合（TH， TM, HM），再到三场耦合（THM），最终发展到现今的四场全耦合（THMC）研究。文中特别提到了具有里程碑意义的国际协作项目“DECOVALEX”（始于1992年），该项目通过多尺度实验和模型验证，极大地推动了THM乃至THMC耦合模型的发展，代表了该领域的国际最高研究水平。这一发展脉络表明，对岩体行为的理解正从简单、孤立的分析走向复杂、系统的综合。

主要论点二：THMC耦合作用下岩体的物理力学特性与变形破坏机制

论文深入探讨了在多场耦合环境下，岩体物理力学性质的变化及其内在机理。天然岩体本身含有微裂隙、孔隙等缺陷，在外加温度、水流、应力和化学作用的共同驱动下，这些缺陷会演化发展，导致材料逐渐损伤劣化。例如，温度变化会影响岩石的弹性模量、强度、摩擦角等参数，并可能诱发岩石从脆性向延性转变；渗流作用通过改变孔隙压力影响有效应力，同时流体运移伴随着热对流和溶质迁移；化学作用（如矿物溶解与沉淀）则会直接改变岩石的孔隙结构和渗透性，从而反作用于水力场和力学场。

作者指出，研究这种耦合变形需要跨学科的视角，结合损伤力学、固体力学、流体力学和化学的原理。为了定量描述损伤，研究者常引入损伤变量，并利用统计分布（如威布尔分布）来建立损伤演化的本构关系。文中列举了在油气页岩、水合物沉积物等特定岩类中的相关研究，表明损伤演化模型对于预测这类复杂岩体在THMC环境下的长期稳定性具有关键作用。此外，论文还通过图示（如填埋场边坡失稳示意图）强调了忽略多场耦合效应可能引发的灾难性工程后果，凸显了此类基础研究的重大应用价值。

主要论点三：THMC耦合本构模型与耦合建模方法

这是本文的技术核心部分。作者详细梳理了用于描述THMC耦合行为的本构模型和数值模拟方法。首先，论文给出了THMC四场各自的控制方程及其耦合形式： 1. 力学场：基于应力-应变关系，考虑塑性应变、损伤变量以及温度、孔隙压力、化学作用对力学参数的耦合影响。 2. 水力场：遵循达西定律描述流体渗流，孔隙压力变化通过有效应力原理与力学场耦合，化学作用引起的孔隙度变化则直接改变渗透率。 3. 热场：由傅里叶热传导定律和能量守恒方程控制，温度变化引起热应变，并影响流体性质和化学反应速率。 4. 化学场：通过对流-扩散-反应方程描述溶质运移与化学反应，反应速率会改变岩石基质的矿物组成和孔隙结构。

这些方程相互交织，构成了一个高度非线性的耦合系统，通常无法求得解析解，必须依赖数值模拟技术。论文总结了两种主要的耦合求解策略：直接耦合（所有场方程同时求解，计算高效但适用于较简单模型）和顺序耦合（迭代求解各场方程直至收敛，更灵活且适用于复杂长期过程，是目前主流方法）。

此外，文章系统回顾了针对不同侧重点发展的各类耦合本构模型，如等效连续介质模型、双重介质模型、裂隙网络模型、连续损伤力学模型等。特别指出，在低渗透性岩体（如粘土岩）中，热-水耦合效应可能较弱，但水-力耦合（有效应力变化）和热-力耦合（热致应变）则至关重要。文中以核废料处置库中缓冲材料（膨润土）与围岩的THM相互作用为例，说明了耦合模型如何用于评估系统的长期性能。

主要论点四：深部岩体的流变（蠕变）本构模型研究

针对深部工程中与时间相关的变形问题，论文专门评述了多场耦合条件下的岩体流变（蠕变）行为研究。深部岩体在高应力、高温和化学环境下的蠕变特性是影响地下工程长期稳定性的关键。作者指出，含水量和温度是影响岩石蠕变行为的两个极其重要的因素，酸性或碱性地下水的化学作用进一步增加了其复杂性。

文中归纳了当前主要的流变本构模型类型： 1. 经验本构模型：基于实验数据建立应力、应变与时间的函数关系（如幂函数、对数函数），简单但普适性有限。 2. 元件组合模型：通过弹簧（弹性）、黏壶（黏性）等基本元件的串并联来模拟岩石的弹性、黏性和塑性行为，如伯格斯模型、西原模型等。当前的研究趋势是引入非线性元件以更准确地描述岩石蠕变的全过程。 3. 积分形式流变模型：基于遗传流变理论，考虑应力历史对当前变形的影响。 4. 损伤流变模型：在多场耦合背景下，将损伤力学的概念引入流变模型，以描述微裂纹演化与时间相关变形的相互作用。

这些模型的不断发展和完善，对于预测深部岩体在长期荷载下的变形直至破坏，具有重要的理论和实践意义。

主要论点五：未来研究挑战与展望

在结论部分，作者基于全面的综述，指出了该领域未来研究的几个关键方向： 1. 多尺度耦合数学模型与分析方法：需要发展能够跨越微观（矿物、孔隙）、细观（裂隙）和宏观（工程岩体）尺度的耦合模型与分析工具，以更真实地反映岩体行为的尺度效应。 2. 全THMC耦合过程的深入研究：当前研究多集中于核废料处置等特定领域，未来需向深部采矿、海底资源开采等更广阔领域拓展，尤其需要关注海水侵蚀等复杂化学环境下的耦合机制。 3. 多场耦合智能系统：随着深部开发智能化的发展，应探索基于多场耦合理论的智能控制策略，如应力主导的能量控制、高温调控和水资源优化，并利用先进传感与机器学习技术实现灾害预警。 4. 多学科与跨学科融合：解决THMC耦合这一复杂系统问题，必须深度融合计算机科学、环境科学、地球物理学、流体力学和化学等多学科知识，进行综合性的创新研究。

论文的意义与价值

本文作为一篇全面的综述，其价值和意义主要体现在以下几个方面： 学术价值：系统整合了近年来THMC耦合岩石力学领域的大量研究成果，清晰地勾勒出了该领域的发展脉络、核心理论框架、关键模型方法以及尚未解决的科学问题，为相关领域的研究者提供了一份极具参考价值的“知识地图”和“研究指南”。 指引作用：通过对现有成果的梳理和未来方向的展望，为后续研究者指明了突破口和重点攻关领域，有助于凝聚学术共识，推动该学科方向朝着更深入、更系统、更实用的方向发展。 工程应用价值：文中反复强调的研究最终服务于深部工程安全。综述所总结的规律、模型和方法，可直接为核废料地质处置库的长期安全性评估、深部矿山支护设计、地热储层改造、深海能源开采等重大工程的设计、施工与运维提供理论依据和技术支撑，对于预防重大工程灾害、保障国家能源与资源安全具有重要的现实意义。

这篇综述论文以其内容的全面性、论述的系统性和前瞻性，成功地将THMC多场耦合这一岩石力学前沿领域的复杂图景呈现给读者，对于推动该领域的学术进步和工程应用具有显著的贡献。