多级温度及荷载条件下高放废物地质处置库花岗岩围岩蠕变特性研究.pdf

多级温度及荷载条件下高放废物地质处置库花岗岩围岩蠕变特

性研究

王春萍;陈亮;刘建锋;刘健

【摘要】针对我国高放废物地质处置北山预选区花岗岩,开展了应力、温度分级加

载条件下的蠕变特性试验,研究了花岗岩蠕变破坏过程中的裂纹扩展规律.试验过程

中采用三维声发射定位系统,对岩石蠕变破坏过程中的裂纹扩展状态进行实时监测.

试验结果表明,即使施加的应力水平低于损伤应力,岩石力学性质也会发生劣化.岩石

内部微裂纹在应力的作用下不断积聚、扩展和连通,对应的声发射信号活跃,声发射

事件不断增加.花岗岩稳态蠕变阶段的蠕变率受应力水平和温度的影响显著,温度和

应力水平的升高加快了花岗岩裂纹扩展速度,导致花岗岩蠕变率增大.蠕变破坏过程

中的声发射信号进一步印证了温度的影响,当温度由50℃升高到120℃时,稳态蠕变

阶段的声发射计数率增加了近一个数量级.研究还发现,花岗岩蠕变破坏过程中试件

内部分布最为广泛的声发射类型为低振幅声发射事件,与试件内部的微裂纹的产生

及发展相对应,高振幅的声发射事件主要产生于试件的宏观破坏面周围.

【期刊名称】《世界核地质科学》

【年(卷),期】2019(036)002

【总页数】9页(P101-108,115)

【关键词】岩石力学;高放废物处置;蠕变;多级加载;温度;声发射

【作者】王春萍;陈亮;刘建锋;刘健

【作者单位】核工业北京地质研究院,中核集团高放废物地质处置评价技术重点实

验室,北京100029;四川大学水利水电学院,成都610065;核工业北京地质研究院,

中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京100029;四川大学水利水电

学院,成都610065;核工业北京地质研究院,中核集团高放废物地质处置评价技术重

点实验室,北京100029

【正文语种】中文

【中图分类】O319.56

工程实践表明，岩体开挖卸荷后其变形具有时间效应。岩体失稳破坏与时间有着密

切的关系，尤其是深埋于地下的硐室或巷道，其失稳和破坏通常不是在开挖完成后

立即发生，而是经过一段时间后才发生。因此，作为阻止放射性核素迁移的最后一

道屏障，处置库围岩的时效特性研究是高放废物地质处置工程长期稳定性和安全性

评价的重要研究内容。

高放废物地质处置库具有工程埋深大、安全等级高、工程周期长等特点。由于地应

力、辐射热和地下水渗流的影响，处置库围岩将在数万年的时间里一直处于温度-

应力-渗流多场耦合的环境。该多场耦合环境会对处置工程围岩的长期物理力学性

能产生显著影响，为处置工程的长期稳定性和安全性带来巨大挑战。目前，花岗岩

在国际上普遍认为是一种理想的高放废物地质处置工程围岩，也是我国高放废物处

置工程的主要候选围岩［1-2］。因此，深入认识温度和应力条件对花岗岩围岩的

时效特性影响规律，对处置库建造的安全性和长期稳定性评价至关重要。

关于岩石的时效特性，国内、外学者开展了大量的试验和理论研究，对其变形规律、

蠕变率以及蠕变破坏时间等特性进行了分析。在不同应力状态和加载方式下，盐岩、

板岩、泥岩和石膏角砾岩等［3，4］软岩均表现出明显的蠕变特性，较早的蠕变

特性研究主要是在软岩材料上。通过开展单轴、三轴条件下盐岩蠕变试验，杨春和

等［5］研究了应力状态及加载路径对盐岩时间相关性特征的影响，结果表明，盐

岩稳态蠕变率仅是应力状态的函数而与加载历史无关，初始蠕变极限可以表示成稳

态蠕变率的线性函数。随着工程研发的需求，花岗岩等脆性岩石的蠕变特性在近几

年受到了越来越多的重视［6-7］。

温度和应力状态是影响岩石裂纹扩展的重要因素。花岗岩在高温的作用下，温度产

生的热破裂会导致岩体内晶间胶结物及晶粒内部产生错位及微裂隙发展［8］。研

究表明［9］，温度加速了岩石的蠕变破坏，花岗岩的轴向蠕变和黏聚力随温度和

时间发生显著变化。刘月妙等［10］研究了不同温度和围压条件下，北山花岗岩

在不同恒定应力水平下的变形特征与声发射特性，研究表明温度和围压对似斑状二

长花岗岩的强度和长期性能有着重要影响。

研究表明，花岗岩的非均质性会造成岩样之间存在差异性，这种差异性在时间效应

的作用下尤为明显，对研究温度及应力水平对花岗岩蠕变特性影响规律造成干扰。

因此，本研究在同一围压条件下采用应力分级加载和温度分级加载的方式，开展了

多级温度及荷载条件下花岗岩蠕变特性研究，分析了不同温度及应力条件下北山花

岗岩蠕变破坏全过程变形特征、蠕变破坏强度，以及温度和应力条件对花岗岩蠕变

率等特性的影响规律；结合三维声发射实时监测，