多級溫度及荷載條件下高放廢物地質(zhì)處置庫花崗巖圍巖蠕變特性研究

王春萍 ， 陳 亮， 劉建鋒， 劉 健

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065）

工程實(shí)踐表明，巖體開挖卸荷后其變形具有時間效應(yīng)。巖體失穩(wěn)破壞與時間有著密切的關(guān)系，尤其是深埋于地下的硐室或巷道，其失穩(wěn)和破壞通常不是在開挖完成后立即發(fā)生，而是經(jīng)過一段時間后才發(fā)生。因此，作為阻止放射性核素遷移的最后一道屏障，處置庫圍巖的時效特性研究是高放廢物地質(zhì)處置工程長期穩(wěn)定性和安全性評價的重要研究內(nèi)容。

高放廢物地質(zhì)處置庫具有工程埋深大、安全等級高、工程周期長等特點(diǎn)。由于地應(yīng)力、輻射熱和地下水滲流的影響，處置庫圍巖將在數(shù)萬年的時間里一直處于溫度-應(yīng)力-滲流多場耦合的環(huán)境。該多場耦合環(huán)境會對處置工程圍巖的長期物理力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，為處置工程的長期穩(wěn)定性和安全性帶來巨大挑戰(zhàn)。目前，花崗巖在國際上普遍認(rèn)為是一種理想的高放廢物地質(zhì)處置工程圍巖，也是我國高放廢物處置工程的主要候選圍巖［1-2］。因此，深入認(rèn)識溫度和應(yīng)力條件對花崗巖圍巖的時效特性影響規(guī)律，對處置庫建造的安全性和長期穩(wěn)定性評價至關(guān)重要。

關(guān)于巖石的時效特性，國內(nèi)、外學(xué)者開展了大量的試驗(yàn)和理論研究，對其變形規(guī)律、蠕變率以及蠕變破壞時間等特性進(jìn)行了分析。在不同應(yīng)力狀態(tài)和加載方式下，鹽巖、板巖、泥巖和石膏角礫巖等［3，4］軟巖均表現(xiàn)出明顯的蠕變特性，較早的蠕變特性研究主要是在軟巖材料上。通過開展單軸、三軸條件下鹽巖蠕變試驗(yàn)，楊春和等［5］研究了應(yīng)力狀態(tài)及加載路徑對鹽巖時間相關(guān)性特征的影響，結(jié)果表明，鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率僅是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)而與加載歷史無關(guān)，初始蠕變極限可以表示成穩(wěn)態(tài)蠕變率的線性函數(shù)。隨著工程研發(fā)的需求，花崗巖等脆性巖石的蠕變特性在近幾年受到了越來越多的重視［6-7］。

溫度和應(yīng)力狀態(tài)是影響巖石裂紋擴(kuò)展的重要因素?；◢弾r在高溫的作用下，溫度產(chǎn)生的熱破裂會導(dǎo)致巖體內(nèi)晶間膠結(jié)物及晶粒內(nèi)部產(chǎn)生錯位及微裂隙發(fā)展［8］。 研究表明［9］，溫度加速了巖石的蠕變破壞，花崗巖的軸向蠕變和黏聚力隨溫度和時間發(fā)生顯著變化。劉月妙等［10］研究了不同溫度和圍壓條件下，北山花崗巖在不同恒定應(yīng)力水平下的變形特征與聲發(fā)射特性，研究表明溫度和圍壓對似斑狀二長花崗巖的強(qiáng)度和長期性能有著重要影響。

研究表明，花崗巖的非均質(zhì)性會造成巖樣之間存在差異性，這種差異性在時間效應(yīng)的作用下尤為明顯，對研究溫度及應(yīng)力水平對花崗巖蠕變特性影響規(guī)律造成干擾。因此，本研究在同一圍壓條件下采用應(yīng)力分級加載和溫度分級加載的方式，開展了多級溫度及荷載條件下花崗巖蠕變特性研究，分析了不同溫度及應(yīng)力條件下北山花崗巖蠕變破壞全過程變形特征、蠕變破壞強(qiáng)度，以及溫度和應(yīng)力條件對花崗巖蠕變率等特性的影響規(guī)律；結(jié)合三維聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測，揭示了花崗巖蠕變過程中的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

根據(jù)目前我國高放廢物處置地下實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案，地下實(shí)驗(yàn)室的最大埋深為560 m。北山預(yù)選區(qū)深鉆孔地應(yīng)力測試結(jié)果表明，500～600 m深度范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力為10～25 MPa，平均值約為15 MPa。本研究重點(diǎn)開展了低圍壓條件，即0、1、5、10和15 MPa條件下的高溫蠕變試驗(yàn)。根據(jù)目前我國高放廢物處置庫概念設(shè)計(jì)，廢物罐表面的最高溫度為90℃。因此，溫度選取50、90℃分別用來模擬處置庫深部圍巖溫度和放射性核素衰變放熱導(dǎo)致圍巖溫度升高的最高值。

1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本研究采用的試件分2個批次選取，分別是：450～550 m深度的甘肅北山新場巖體BS06號鉆孔巖心和芨芨槽巖體地表花崗巖。測試表明，新場巖體BS06號鉆孔450～550 m深度巖心的平均密度為2.7 g·cm-3，主要為中細(xì)?；◢忛W長巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為161 MPa。選取的芨芨槽巖體地表花崗巖主要為二長花崗巖，平均密度為2.6 g·cm-3，平均單軸抗壓強(qiáng)度為126 MPa。

本次試驗(yàn)在四川大學(xué)進(jìn)行。首先針對新場巖體BS06號鉆孔的花崗巖，采用國產(chǎn)三軸程控流變儀（圖1A）開展了不同溫度條件下的多級荷載蠕變試驗(yàn)研究，初步獲得溫度和應(yīng)力水平對花崗巖蠕變率、破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。國產(chǎn)三軸程控流變儀可實(shí)現(xiàn)軸向荷載0～60 t，圍壓為0～30 MPa，溫度為室溫～200℃的蠕變試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中試件的軸向應(yīng)變采用的是百分表與位移計(jì)同時進(jìn)行測量。考慮到百分表和位移計(jì)的測量精度有限，所以采用測量精度更高的MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1B），針對均質(zhì)性較好的芨芨槽巖體地表花崗巖，進(jìn)一步開展了多級荷載和溫度條件下蠕變試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠提供最大軸向荷載4 600 kN，最大圍壓140 MPa，最大滲透壓力140 MPa。軸向位移通過軸向引伸計(jì)和2個線性位移傳感器進(jìn)行測量，橫向位移通過環(huán)向引伸計(jì)測量。為獲得巖石蠕變過程中微裂紋擴(kuò)展時空演化特征，試驗(yàn)過程中采用聲發(fā)射三維定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測。

1.2 試驗(yàn)方法及過程

圖1 蠕變試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental setup of creep test

在采用國產(chǎn)程控流變儀開展的多級荷載條件下花崗巖蠕變試驗(yàn)中，圍壓選取0、1、5、10和15 MPa，溫度選取23、90℃。試驗(yàn)采用應(yīng)力分級加載的方式，軸向應(yīng)力分別按照峰值強(qiáng)度的20%、40%、60%和80%逐級加載，每一級加載后維持應(yīng)力水平不變并持續(xù)1周的時間，直到試件失穩(wěn)破壞。

在采用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)開展的溫度分級加載蠕變試驗(yàn)過程中，圍壓選取2 MPa，針對同一試件，溫度分4級加載，分別由35℃（室溫）增加至50、90和120℃。每一級溫度條件下，應(yīng)力水平維持恒定2 h，試件發(fā)生破壞后試驗(yàn)結(jié)束。

2 多級荷載條件下花崗巖蠕變特性

采用國產(chǎn)程控流變儀獲得的，花崗巖在不同溫度條件下應(yīng)力分級加載蠕變試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試件編號L-23-1代表溫度23℃，圍壓1 MPa條件下的試件。圖2為多級荷載條件下花崗巖蠕變?nèi)^程變形曲線。

2.1 蠕變破壞強(qiáng)度

相關(guān)研究表明［11］，脆性巖石破壞時的強(qiáng)度與加載速率有關(guān)。當(dāng)施加荷載水平低于某一特定值時，即使在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)巖石也將不會發(fā)生破壞，這一臨界應(yīng)力水平一般被稱為損傷應(yīng)力［12，13］。而當(dāng)施加荷載高于損傷應(yīng)力時，標(biāo)志著巖石裂紋進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段。Martin等將試件加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線上體積變形的拐點(diǎn)定義為損傷應(yīng)力［13］。

從表1的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除試件L-23-15之外，其余試件均是在前3級應(yīng)力條件下未發(fā)生破壞，而在第3級應(yīng)力升至第4級應(yīng)力水平過程中發(fā)生破壞。將該破壞強(qiáng)度，與之前采用相同批次花崗巖試件開展的試驗(yàn)研究［14］中獲得損傷應(yīng)力及峰值應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

可以看出，在相同溫度和圍壓條件下，多級荷載條件下花崗巖發(fā)生蠕變破壞時的應(yīng)力水平，均低于三軸壓縮條件下的峰值應(yīng)力。顯然，該破壞強(qiáng)度的降低是由前3級的蠕變加載過程導(dǎo)致的，而該3級施加的應(yīng)力水平均又低于相同溫度和圍壓條件下的損傷應(yīng)力水平。該結(jié)果表明，采用低于損傷應(yīng)力的應(yīng)力水平進(jìn)行蠕變試驗(yàn)時，會導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)損傷。不同加載階段的聲發(fā)射累積數(shù)變化曲線如圖3所示。可以看出，不同應(yīng)力加載階段均有大量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，尤其是在第3級應(yīng)力加載階段，聲發(fā)射信號活躍，聲發(fā)射事件迅速增加。以上結(jié)果表明，在蠕變試驗(yàn)過程中，即使施加的應(yīng)力水平低于損傷應(yīng)力，巖石內(nèi)部微裂紋在應(yīng)力的作用下不斷積聚、擴(kuò)展和連通，仍會導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化。

表1 多級荷載條件下花崗巖蠕變試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experiment results of stress-stepping creep test

圖2 多級荷載條件下花崗巖蠕變?nèi)^程曲線Fig.2 Axial strain variation in stress-stepping creep test

2.2 不同應(yīng)力條件下花崗巖蠕變率變化特征

不同溫度與應(yīng)力條件下，花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向蠕變率計(jì)算結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變率受應(yīng)力水平影響顯著。相同溫度和圍壓條件下，應(yīng)力水平越高，花崗巖蠕變率越大。但由于國產(chǎn)程控流變儀的精度有限，對于花崗巖等脆性巖石的蠕變測試存在局限性。為進(jìn)一步驗(yàn)證應(yīng)力水平對花崗巖蠕變率的影響，本研究還采用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，針對芨芨槽地表花崗巖，開展了溫度31℃、圍壓2 MPa條件下的應(yīng)力分級加載試驗(yàn)（圖5，試件編號：S-31-2）。

表2 北山花崗巖破壞強(qiáng)度結(jié)果對比Table 2 Comparison between the failures stresses in different tests

圖3 不同加載階段的聲發(fā)射累積數(shù)變化 （L-23-0）Fig.3 Variation of recorded AE numbers at different loading steps （L-23-0）

圖4 不同溫度和應(yīng)力條件下花崗巖穩(wěn)態(tài)階段軸向應(yīng)變率Fig.4 Variation of the steady state axial strain rate at different loading steps and temperatures

圖5 不同應(yīng)力條件下花崗巖蠕變?nèi)^程曲線Fig.5 Strain-time curve at different loading stages

如圖5所示，施加在該試件上的應(yīng)力水平共分8級，由139.5 MPa加載至146.9 MPa。在每一級的加載過程中，應(yīng)力水平維持恒定4 h以上，直至試件破壞，計(jì)算獲得的穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向蠕變率如表3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在圍壓2 MPa、溫度31℃條件下，當(dāng)施加的應(yīng)力水平由139.5 MPa增加至146.9 MPa時，對應(yīng)的軸向蠕變率由 0.164×10-3%·h-1增加至5.443×10-3%·h-1。不同應(yīng)力條件下的體積應(yīng)變率曲線如圖6所示，與穩(wěn)態(tài)軸向應(yīng)變率變化趨勢相似，隨應(yīng)力增加，體積應(yīng)變率也表現(xiàn)出上升的趨勢。

圖4的試驗(yàn)結(jié)果還表明，圍壓和應(yīng)力水平相同的條件下，隨著溫度的升高，試件的蠕變率增大?？紤]到該試驗(yàn)結(jié)果是根據(jù)不同試件的蠕變試驗(yàn)獲得的，但由于花崗巖存在非均質(zhì)性，不同試件的礦物組分、力學(xué)性能等有可能存在差異，該差異性在時間效應(yīng)的作用下更為明顯。因此，為進(jìn)一步驗(yàn)證溫度對花崗巖蠕變特性的影響，本研究采用MTS815巖石力學(xué)系統(tǒng)，針對同一花崗巖試件，開展了溫度分級加載蠕變試驗(yàn)研究。

表3 不同應(yīng)力條件下花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向應(yīng)變率Table 3 Steady state axial strain rate at different loading stages

圖6 不同應(yīng)力條件下花崗巖體積蠕變率變化曲線Fig.6 Volumetric strain rate at different loading stages

3 多級溫度條件下花崗巖蠕變特性

在溫度分級加載蠕變試驗(yàn)過程中，試件的溫度初步設(shè)定為3級，分別由室溫 （35℃）增加至50、90℃，每一級溫度條件下，應(yīng)力水平維持恒定2 h。但由于90℃條件下，蠕變試驗(yàn)2 h后試件仍未發(fā)生破壞，于是將溫度升高至120℃繼續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，當(dāng)進(jìn)入溫度120℃這一級，應(yīng)力維持恒定3 min時試件即發(fā)生破壞。在第一級溫度（35℃）加載的過程中，應(yīng)力水平為134 MPa，之后三級加載的應(yīng)力水平均為130 MPa。試驗(yàn)過程如圖7所示。

圖7 溫度分級加載試驗(yàn)過程中應(yīng)力水平、溫度和體積應(yīng)變的演化曲線Fig.7 Evolutions of deviatoric stress，temperature and volumetric strain during temperature-stepping creep test

相比軸向應(yīng)變而言，體積應(yīng)變曲線變化更明顯，體積應(yīng)變率更高。同時，體積應(yīng)變包含了巖石軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變演化的綜合信息，以及裂紋發(fā)展引起的巖石內(nèi)部孔隙變化的過程。因此，本節(jié)中采用體積應(yīng)變研究不同溫度條件下巖石蠕變特性。

圖8 溫度分級加載條件下體積應(yīng)變和體積應(yīng)變率演化曲線Fig.8 Plots of strain and strain rate against time during temperature-stepping creep test

溫度分級加載條件下蠕變過程中的體積應(yīng)變曲線，以及相應(yīng)的體積應(yīng)變率變化如圖8所示。在溫度為35、50和90℃蠕變過程中，體積應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出典型蠕變3階段的前兩個階段：初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段。當(dāng)進(jìn)入溫度120℃蠕變過程中，試件體積應(yīng)變迅速進(jìn)入加速蠕變階段，導(dǎo)致試件發(fā)生最終破壞。試驗(yàn)表明，巖石蠕變過程中的體積應(yīng)變率與應(yīng)力水平和溫度密切相關(guān)。在前兩級（35、50℃）的加載過程中，盡管溫度由35℃增加至50℃，但由于應(yīng)力水平由134 MPa降至130 MPa，此時應(yīng)力水平的影響較為明顯，巖石的體積應(yīng)變率有所下降。在隨后的溫度50、90和120℃的3個階段的蠕變過程中，應(yīng)力水平保持一致，體積應(yīng)變率呈現(xiàn)出隨溫度的升高而顯著增加的趨勢。

巖石蠕變破壞過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)一步印證了溫度對巖石蠕變特性的影響。不同溫度條件下，巖石穩(wěn)態(tài)蠕變階段的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率如圖9所示。溫度的升高加快了巖石內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展過程。相同的應(yīng)力條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)率隨溫度的升高而明顯增加，當(dāng)溫度由50℃升高到120℃時，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率增加了近一個數(shù)量級。

圖9 不同溫度條件下穩(wěn)態(tài)蠕變階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)率Fig.9 Steady state acoustic emission rate at different temperatures

4 蠕變破壞過程裂隙擴(kuò)展規(guī)律

研究表明，巖石破壞過程中微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展伴隨著聲發(fā)射信號的產(chǎn)生，聲發(fā)射信號的空間分布反映了巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展演化過程。為了獲得花崗巖蠕變破壞過程中巖石內(nèi)部損傷的時空演化特征，試驗(yàn)采用美國聲學(xué)物理公司的PCI-II聲發(fā)射三維定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。試驗(yàn)過程中安裝8個Micro30聲發(fā)射傳感器。傳感器的工作頻率為100～600 kHz，前置放大器增益及觸發(fā)門檻值設(shè)為30 dB。在單軸蠕變試驗(yàn)中，聲發(fā)射探頭分2層對稱分布于試件表面，距離試件上、下兩端5 mm處；三軸蠕變試驗(yàn)中，探頭分2層對稱布置在三軸室外壁。結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測信息，本節(jié)對在溫度31℃、圍壓2 MPa下，試件S-31-2的蠕變破壞過程中的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行分析。

圖10 聲發(fā)射空間分布和破壞后的試件（S-31-2）Fig.10 Accumulative spatial distribution of AE events and tested granite specimen（S-31-2）

圖10、11為花崗巖蠕變破壞過程中的聲發(fā)射空間分布。圖中每個點(diǎn)代表一個聲發(fā)射事件，不同振幅的聲發(fā)射試件分別由不同顏色表示。紅色代表振幅高于55 dB的聲發(fā)射事件，振幅在50～55 dB的聲發(fā)射事件用深藍(lán)色表示，而振幅在30～50 dB的聲發(fā)射事件用淺藍(lán)色表示。

圖10為不同振幅對應(yīng)的三維聲發(fā)射事件空間分布和巖石破壞后試件。振幅高于30、50和55 dB的聲發(fā)射事件空間分布分別如圖10A、10B和10C所示?？梢钥闯?，與巖石內(nèi)部微裂紋相對應(yīng)的低振幅的聲發(fā)射試件分布最為廣泛，而高振幅的聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生于巖石的宏觀破壞面周圍，與巖石最終的破壞形態(tài)一致（圖10D）。

不同蠕變階段的聲發(fā)射空間分布如圖11所示。在初始蠕變階段，聲發(fā)射信號較為有限、分布較為分散，主要的聲發(fā)射類型為低振幅聲發(fā)射事件，與巖石內(nèi)部的微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展相對應(yīng)；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，隨巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，聲發(fā)射事件平穩(wěn)增長，尤其是高振幅聲發(fā)射事件迅速增加；在加速蠕變階段，巖石內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、連通形成宏觀破裂面，并最終導(dǎo)致巖石的破壞。期間，高振幅的聲發(fā)射事件在巖石的宏觀破裂面周圍積聚。

圖11 不同蠕變階段的聲發(fā)射空間分布（S-31-2）Fig.11 Accumulative spatial distribution of AE events at different creep stages （S-31-2）

5 結(jié)論

以北山預(yù)選區(qū)花崗巖為研究對象，采用國產(chǎn)程控流變儀和MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，分別開展了應(yīng)力分級加載和溫度分級加載條件下的蠕變試驗(yàn)研究，分析了應(yīng)力條件和溫度對花崗巖時效特性的影響規(guī)律；借助三維聲發(fā)射進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，研究了花崗巖蠕變過程中的裂紋擴(kuò)展過程，得到以下結(jié)論：

1）在應(yīng)力分級加載的蠕變試驗(yàn)過程中，研究發(fā)現(xiàn)即使施加的應(yīng)力水平低于損傷應(yīng)力，巖石內(nèi)部微裂紋在應(yīng)力的作用下不斷積聚、擴(kuò)展和連通，仍會導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)劣化。不同加載階段的聲發(fā)射累積數(shù)變化曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論，不同應(yīng)力加載階段均有大量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，尤其是在第3級應(yīng)力加載階段 （應(yīng)力水平低于損傷應(yīng)力），聲發(fā)射信號活躍，聲發(fā)射事件迅速增加。

2）應(yīng)力水平的升高會致花崗巖蠕變率增大，加快花崗巖裂紋擴(kuò)展速度。花崗巖的體積應(yīng)變率呈現(xiàn)出隨溫度的升高而顯著增加的趨勢。巖石蠕變破壞過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)一步印證了溫度對巖石蠕變特性的影響，當(dāng)溫度由50℃升高到120℃時，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率增加了近一個數(shù)量級。

3）花崗巖蠕變破壞過程中分布最為廣泛的聲發(fā)射類型為低振幅聲發(fā)射事件，與巖石內(nèi)部的微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展相對應(yīng)，高振幅的聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生于巖石的宏觀破壞面周圍，與巖石最終的破壞形態(tài)一致。