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

（1.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；2.四川大学 水利水电学院，成都 610065）

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，揭示了花岗岩蠕变过程中的裂纹扩展规律。

根据目前我国高放废物处置地下实验室的设计方案，地下实验室的最大埋深为560 m。北山预选区深钻孔地应力测试结果表明，500～600 m深度范围内的最大主应力为10～25 MPa，平均值约为15 MPa。本研究重点开展了低围压条件，即0、1、5、10和15 MPa条件下的高温蠕变试验。根据目前我国高放废物处置库概念设计，废物罐表面的最高温度为90℃。因此，温度选取50、90℃分别用来模拟处置库深部围岩温度和放射性核素衰变放热导致围岩温度升高的最高值。

1 试验方法及试验过程

1.1 试验准备

本研究采用的试件分2个批次选取，分别是：450～550 m深度的甘肃北山新场岩体BS06号钻孔岩心和芨芨槽岩体地表花岗岩。测试表明，新场岩体BS06号钻孔450～550 m深度岩心的平均密度为2.7 g·cm-3，主要为中细粒花岗闪长岩，平均单轴抗压强度为161 MPa。选取的芨芨槽岩体地表花岗岩主要为二长花岗岩，平均密度为2.6 g·cm-3，平均单轴抗压强度为126 MPa。

本次试验在四川大学进行。首先针对新场岩体BS06号钻孔的花岗岩，采用国产三轴程控流变仪（图1A）开展了不同温度条件下的多级荷载蠕变试验研究，初步获得温度和应力水平对花岗岩蠕变率、破坏强度的影响规律。国产三轴程控流变仪可实现轴向荷载0～60 t，围压为0～30 MPa，温度为室温～200℃的蠕变试验。试验过程中试件的轴向应变采用的是百分表与位移计同时进行测量。考虑到百分表和位移计的测量精度有限，所以采用测量精度更高的MTS815岩石力学试验系统（图1B），针对均质性较好的芨芨槽岩体地表花岗岩，进一步开展了多级荷载和温度条件下蠕变试验研究。该试验系统能够提供最大轴向荷载4 600 kN，最大围压140 MPa，最大渗透压力140 MPa。轴向位移通过轴向引伸计和2个线性位移传感器进行测量，横向位移通过环向引伸计测量。为获得岩石蠕变过程中微裂纹扩展时空演化特征，试验过程中采用声发射三维定位系统进行实施监测。

1.2 试验方法及过程

图1 蠕变试验设备Fig.1 Experimental setup of creep test

在采用国产程控流变仪开展的多级荷载条件下花岗岩蠕变试验中，围压选取0、1、5、10和15 MPa，温度选取23、90℃。试验采用应力分级加载的方式，轴向应力分别按照峰值强度的20%、40%、60%和80%逐级加载，每一级加载后维持应力水平不变并持续1周的时间，直到试件失稳破坏。

在采用MTS815岩石力学试验系统开展的温度分级加载蠕变试验过程中，围压选取2 MPa，针对同一试件，温度分4级加载，分别由35℃（室温）增加至50、90和120℃。每一级温度条件下，应力水平维持恒定2 h，试件发生破坏后试验结束。

2 多级荷载条件下花岗岩蠕变特性

采用国产程控流变仪获得的，花岗岩在不同温度条件下应力分级加载蠕变试验结果如表1所示。试件编号L-23-1代表温度23℃，围压1 MPa条件下的试件。图2为多级荷载条件下花岗岩蠕变全过程变形曲线。

2.1 蠕变破坏强度

相关研究表明［11］，脆性岩石破坏时的强度与加载速率有关。当施加荷载水平低于某一特定值时，即使在相当长的一段时间内岩石也将不会发生破坏，这一临界应力水平一般被称为损伤应力［12，13］。而当施加荷载高于损伤应力时，标志着岩石裂纹进入不稳定发展阶段。Martin等将试件加载过程中应力-应变曲线上体积变形的拐点定义为损伤应力［13］。

从表1的试验结果发现，除试件L-23-15之外，其余试件均是在前3级应力条件下未发生破坏，而在第3级应力升至第4级应力水平过程中发生破坏。将该破坏强度，与之前采用相同批次花岗岩试件开展的试验研究［14］中获得损伤应力及峰值应力进行对比，结果如表2所示。

可以看出，在相同温度和围压条件下，多级荷载条件下花岗岩发生蠕变破坏时的应力水平，均低于三轴压缩条件下的峰值应力。显然，该破坏强度的降低是由前3级的蠕变加载过程导致的，而该3级施加的应力水平均又低于相同温度和围压条件下的损伤应力水平。该结果表明，采用低于损伤应力的应力水平进行蠕变试验时，会导致岩石内部出现损伤。不同加载阶段的声发射累积数变化曲线如图3所示。可以看出，不同应力加载阶段均有大量声发射事件产生，尤其是在第3级应力加载阶段，声发射信号活跃，声发射事件迅速增加。以上结果表明，在蠕变试验过程中，即使施加的应力水平低于损伤应力，岩石内部微裂纹在应力的作用下不断积聚、扩展和连通，仍会导致岩石力学性质的劣化。

表1 多级荷载条件下花岗岩蠕变试验结果Table 1 Experiment results of stress-stepping creep test

图2 多级荷载条件下花岗岩蠕变全过程曲线Fig.2 Axial strain variation in stress-stepping creep test

2.2 不同应力条件下花岗岩蠕变率变化特征

不同温度与应力条件下，花岗岩稳态蠕变阶段轴向蠕变率计算结果如图4所示。结果表明，花岗岩稳态蠕变率受应力水平影响显著。相同温度和围压条件下，应力水平越高，花岗岩蠕变率越大。但由于国产程控流变仪的精度有限，对于花岗岩等脆性岩石的蠕变测试存在局限性。为进一步验证应力水平对花岗岩蠕变率的影响，本研究还采用MTS815岩石力学试验系统，针对芨芨槽地表花岗岩，开展了温度31℃、围压2 MPa条件下的应力分级加载试验（图5，试件编号：S-31-2）。

表2 北山花岗岩破坏强度结果对比Table 2 Comparison between the failures stresses in different tests

图3 不同加载阶段的声发射累积数变化 （L-23-0）Fig.3 Variation of recorded AE numbers at different loading steps （L-23-0）

图4 不同温度和应力条件下花岗岩稳态阶段轴向应变率Fig.4 Variation of the steady state axial strain rate at different loading steps and temperatures

图5 不同应力条件下花岗岩蠕变全过程曲线Fig.5 Strain-time curve at different loading stages

如图5所示，施加在该试件上的应力水平共分8级，由139.5 MPa加载至146.9 MPa。在每一级的加载过程中，应力水平维持恒定4 h以上，直至试件破坏，计算获得的稳态蠕变阶段轴向蠕变率如表3所示。试验发现，在围压2 MPa、温度31℃条件下，当施加的应力水平由139.5 MPa增加至146.9 MPa时，对应的轴向蠕变率由 0.164×10-3%·h-1增加至5.443×10-3%·h-1。不同应力条件下的体积应变率曲线如图6所示，与稳态轴向应变率变化趋势相似，随应力增加，体积应变率也表现出上升的趋势。

图4的试验结果还表明，围压和应力水平相同的条件下，随着温度的升高，试件的蠕变率增大。考虑到该试验结果是根据不同试件的蠕变试验获得的，但由于花岗岩存在非均质性，不同试件的矿物组分、力学性能等有可能存在差异，该差异性在时间效应的作用下更为明显。因此，为进一步验证温度对花岗岩蠕变特性的影响，本研究采用MTS815岩石力学系统，针对同一花岗岩试件，开展了温度分级加载蠕变试验研究。

表3 不同应力条件下花岗岩稳态蠕变阶段轴向应变率Table 3 Steady state axial strain rate at different loading stages

图6 不同应力条件下花岗岩体积蠕变率变化曲线Fig.6 Volumetric strain rate at different loading stages

3 多级温度条件下花岗岩蠕变特性

在温度分级加载蠕变试验过程中，试件的温度初步设定为3级，分别由室温 （35℃）增加至50、90℃，每一级温度条件下，应力水平维持恒定2 h。但由于90℃条件下，蠕变试验2 h后试件仍未发生破坏，于是将温度升高至120℃继续试验。试验过程中，当进入温度120℃这一级，应力维持恒定3 min时试件即发生破坏。在第一级温度（35℃）加载的过程中，应力水平为134 MPa，之后三级加载的应力水平均为130 MPa。试验过程如图7所示。

图7 温度分级加载试验过程中应力水平、温度和体积应变的演化曲线Fig.7 Evolutions of deviatoric stress，temperature and volumetric strain during temperature-stepping creep test

相比轴向应变而言，体积应变曲线变化更明显，体积应变率更高。同时，体积应变包含了岩石轴向应变和横向应变演化的综合信息，以及裂纹发展引起的岩石内部孔隙变化的过程。因此，本节中采用体积应变研究不同温度条件下岩石蠕变特性。

图8 温度分级加载条件下体积应变和体积应变率演化曲线Fig.8 Plots of strain and strain rate against time during temperature-stepping creep test

温度分级加载条件下蠕变过程中的体积应变曲线，以及相应的体积应变率变化如图8所示。在温度为35、50和90℃蠕变过程中，体积应变曲线均呈现出典型蠕变3阶段的前两个阶段：初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段。当进入温度120℃蠕变过程中，试件体积应变迅速进入加速蠕变阶段，导致试件发生最终破坏。试验表明，岩石蠕变过程中的体积应变率与应力水平和温度密切相关。在前两级（35、50℃）的加载过程中，尽管温度由35℃增加至50℃，但由于应力水平由134 MPa降至130 MPa，此时应力水平的影响较为明显，岩石的体积应变率有所下降。在随后的温度50、90和120℃的3个阶段的蠕变过程中，应力水平保持一致，体积应变率呈现出随温度的升高而显著增加的趋势。

岩石蠕变破坏过程中的声发射信号进一步印证了温度对岩石蠕变特性的影响。不同温度条件下，岩石稳态蠕变阶段的声发射计数率如图9所示。温度的升高加快了岩石内部的裂纹扩展过程。相同的应力条件下，稳态蠕变阶段声发射计数率随温度的升高而明显增加，当温度由50℃升高到120℃时，声发射计数率增加了近一个数量级。

图9 不同温度条件下稳态蠕变阶段声发射计数率Fig.9 Steady state acoustic emission rate at different temperatures

4 蠕变破坏过程裂隙扩展规律

研究表明，岩石破坏过程中微裂纹的产生及扩展伴随着声发射信号的产生，声发射信号的空间分布反映了岩石内部微裂纹的扩展演化过程。为了获得花岗岩蠕变破坏过程中岩石内部损伤的时空演化特征，试验采用美国声学物理公司的PCI-II声发射三维定位系统进行实时监测。试验过程中安装8个Micro30声发射传感器。传感器的工作频率为100～600 kHz，前置放大器增益及触发门槛值设为30 dB。在单轴蠕变试验中，声发射探头分2层对称分布于试件表面，距离试件上、下两端5 mm处；三轴蠕变试验中，探头分2层对称布置在三轴室外壁。结合声发射监测信息，本节对在温度31℃、围压2 MPa下，试件S-31-2的蠕变破坏过程中的裂纹扩展规律进行分析。

图10 声发射空间分布和破坏后的试件（S-31-2）Fig.10 Accumulative spatial distribution of AE events and tested granite specimen（S-31-2）

图10、11为花岗岩蠕变破坏过程中的声发射空间分布。图中每个点代表一个声发射事件，不同振幅的声发射试件分别由不同颜色表示。红色代表振幅高于55 dB的声发射事件，振幅在50～55 dB的声发射事件用深蓝色表示，而振幅在30～50 dB的声发射事件用浅蓝色表示。

图10为不同振幅对应的三维声发射事件空间分布和岩石破坏后试件。振幅高于30、50和55 dB的声发射事件空间分布分别如图10A、10B和10C所示。可以看出，与岩石内部微裂纹相对应的低振幅的声发射试件分布最为广泛，而高振幅的声发射事件主要产生于岩石的宏观破坏面周围，与岩石最终的破坏形态一致（图10D）。

不同蠕变阶段的声发射空间分布如图11所示。在初始蠕变阶段，声发射信号较为有限、分布较为分散，主要的声发射类型为低振幅声发射事件，与岩石内部的微裂纹的产生及发展相对应；在稳态蠕变阶段，随岩石内部微裂纹的扩展，声发射事件平稳增长，尤其是高振幅声发射事件迅速增加；在加速蠕变阶段，岩石内部微裂纹进一步扩展、连通形成宏观破裂面，并最终导致岩石的破坏。期间，高振幅的声发射事件在岩石的宏观破裂面周围积聚。

图11 不同蠕变阶段的声发射空间分布（S-31-2）Fig.11 Accumulative spatial distribution of AE events at different creep stages （S-31-2）

5 结论

以北山预选区花岗岩为研究对象，采用国产程控流变仪和MTS815岩石力学试验系统，分别开展了应力分级加载和温度分级加载条件下的蠕变试验研究，分析了应力条件和温度对花岗岩时效特性的影响规律；借助三维声发射进行实时监测，研究了花岗岩蠕变过程中的裂纹扩展过程，得到以下结论：

1）在应力分级加载的蠕变试验过程中，研究发现即使施加的应力水平低于损伤应力，岩石内部微裂纹在应力的作用下不断积聚、扩展和连通，仍会导致岩石力学性质劣化。不同加载阶段的声发射累积数变化曲线进一步验证了该结论，不同应力加载阶段均有大量声发射事件产生，尤其是在第3级应力加载阶段 （应力水平低于损伤应力），声发射信号活跃，声发射事件迅速增加。

2）应力水平的升高会致花岗岩蠕变率增大，加快花岗岩裂纹扩展速度。花岗岩的体积应变率呈现出随温度的升高而显著增加的趋势。岩石蠕变破坏过程中的声发射信号进一步印证了温度对岩石蠕变特性的影响，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。

3）花岗岩蠕变破坏过程中分布最为广泛的声发射类型为低振幅声发射事件，与岩石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岩石的宏观破坏面周围，与岩石最终的破坏形态一致。