王春萍 ， 陳 亮， 劉建鋒， 劉 健

（1.核工業(yè)北京地質研究院，中核集團高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029；2.四川大學 水利水電學院，成都 610065）

工程實踐表明，巖體開挖卸荷后其變形具有時間效應。巖體失穩(wěn)破壞與時間有著密切的關系，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處置工程長期穩(wěn)定性和安全性評價的重要研究內容。

高放廢物地質處置庫具有工程埋深大、安全等級高、工程周期長等特點。由于地應力、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為是一種理想的高放廢物地質處置工程圍巖，也是我國高放廢物處置工程的主要候選圍巖［1-2］。因此，深入認識溫度和應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)定性評價至關重要。

關于巖石的時效特性，國內、外學者開展了大量的試驗和理論研究，對其變形規(guī)律、蠕變率以及蠕變破壞時間等特性進行了分析。在不同應力狀態(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，楊春和等［5］研究了應力狀態(tài)及加載路徑對鹽巖時間相關性特征的影響，結果表明，鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率僅是應力狀態(tài)的函數(shù)而與加載歷史無關，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］。

溫度和應力狀態(tài)是影響巖石裂紋擴展的重要因素。花崗巖在高溫的作用下，溫度產(chǎn)生的熱破裂會導致巖體內晶間膠結物及晶粒內部產(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度和長期性能有著重要影響。

研究表明，花崗巖的非均質性會造成巖樣之間存在差異性，這種差異性在時間效應的作用下尤為明顯，對研究溫度及應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、蠕變破壞強度，以及溫度和應力條件對花崗巖蠕變率等特性的影響規(guī)律；結合三維聲發(fā)射實時監(jiān)測，揭示了花崗巖蠕變過程中的裂紋擴展規(guī)律。

根據(jù)目前我國高放廢物處置地下實驗室的設計方案，地下實驗室的最大埋深為560 m。北山預選區(qū)深鉆孔地應力測試結果表明，500～600 m深度范圍內的最大主應力為10～25 MPa，平均值約為15 MPa。本研究重點開展了低圍壓條件，即0、1、5、10和15 MPa條件下的高溫蠕變試驗。根據(jù)目前我國高放廢物處置庫概念設計，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致圍巖溫度升高的最高值。

1 試驗方法及試驗過程

1.1 試驗準備

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?；◢忛W長巖，平均單軸抗壓強度為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，平均單軸抗壓強度為126 MPa。

本次試驗在四川大學進行。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研究，初步獲得溫度和應力水平對花崗巖蠕變率、破壞強度的影響規(guī)律。國產(chǎn)三軸程控流變儀可實現(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。試驗過程中試件的軸向應變采用的是百分表與位移計同時進行測量?？紤]到百分表和位移計的測量精度有限，所以采用測量精度更高的MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)（圖1B），針對均質性較好的芨芨槽巖體地表花崗巖，進一步開展了多級荷載和溫度條件下蠕變試驗研究。該試驗系統(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和2個線性位移傳感器進行測量，橫向位移通過環(huán)向引伸計測量。為獲得巖石蠕變過程中微裂紋擴展時空演化特征，試驗過程中采用聲發(fā)射三維定位系統(tǒng)進行實施監(jiān)測。

1.2 試驗方法及過程

圖1 蠕變試驗設備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中，圍壓選取0、1、5、10和15 MPa，溫度選取23、90℃。試驗采用應力分級加載的方式，軸向應力分別按照峰值強度的20%、40%、60%和80%逐級加載，每一級加載后維持應力水平不變并持續(xù)1周的時間，直到試件失穩(wěn)破壞。

在采用MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)開展的溫度分級加載蠕變試驗過程中，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，應力水平維持恒定2 h，試件發(fā)生破壞后試驗結束。

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力分級加載蠕變試驗結果如表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全過程變形曲線。

2.1 蠕變破壞強度

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

從表1的試驗結果發(fā)現(xiàn)，除試件L-23-15之外，其余試件均是在前3級應力條件下未發(fā)生破壞，而在第3級應力升至第4級應力水平過程中發(fā)生破壞。將該破壞強度，與之前采用相同批次花崗巖試件開展的試驗研究［14］中獲得損傷應力及峰值應力進行對比，結果如表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)生蠕變破壞時的應力水平，均低于三軸壓縮條件下的峰值應力。顯然，該破壞強度的降低是由前3級的蠕變加載過程導致的，而該3級施加的應力水平均又低于相同溫度和圍壓條件下的損傷應力水平。該結果表明，采用低于損傷應力的應力水平進行蠕變試驗時，會導致巖石內部出現(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?？梢钥闯?，不同應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。以上結果表明，在蠕變試驗過程中，即使施加的應力水平低于損傷應力，巖石內部微裂紋在應力的作用下不斷積聚、擴展和連通，仍會導致巖石力學性質的劣化。

表1 多級荷載條件下花崗巖蠕變試驗結果Table 1 Experiment results of stress-stepping creep test

圖2 多級荷載條件下花崗巖蠕變全過程曲線Fig.2 Axial strain variation in stress-stepping creep test

2.2 不同應力條件下花崗巖蠕變率變化特征

不同溫度與應力條件下，花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向蠕變率計算結果如圖4所示。結果表明，花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變率受應力水平影響顯著。相同溫度和圍壓條件下，應力水平越高，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。為進一步驗證應力水平對花崗巖蠕變率的影響，本研究還采用MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)，針對芨芨槽地表花崗巖，開展了溫度31℃、圍壓2 MPa條件下的應力分級加載試驗（圖5，試件編號：S-31-2）。

表2 北山花崗巖破壞強度結果對比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 不同溫度和應力條件下花崗巖穩(wěn)態(tài)階段軸向應變率Fig.4 Variation of the steady state axial strain rate at different loading steps and temperatures

圖5 不同應力條件下花崗巖蠕變全過程曲線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，應力水平維持恒定4 h以上，直至試件破壞，計算獲得的穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向蠕變率如表3所示。試驗發(fā)現(xiàn)，在圍壓2 MPa、溫度31℃條件下，當施加的應力水平由139.5 MPa增加至146.9 MPa時，對應的軸向蠕變率由 0.164×10-3%·h-1增加至5.443×10-3%·h-1。不同應力條件下的體積應變率曲線如圖6所示，與穩(wěn)態(tài)軸向應變率變化趨勢相似，隨應力增加，體積應變率也表現(xiàn)出上升的趨勢。

圖4的試驗結果還表明，圍壓和應力水平相同的條件下，隨著溫度的升高，試件的蠕變率增大。考慮到該試驗結果是根據(jù)不同試件的蠕變試驗獲得的，但由于花崗巖存在非均質性，不同試件的礦物組分、力學性能等有可能存在差異，該差異性在時間效應的作用下更為明顯。因此，為進一步驗證溫度對花崗巖蠕變特性的影響，本研究采用MTS815巖石力學系統(tǒng)，針對同一花崗巖試件，開展了溫度分級加載蠕變試驗研究。

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

圖6 不同應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過程中，試件的溫度初步設定為3級，分別由室溫 （35℃）增加至50、90℃，每一級溫度條件下，應力水平維持恒定2 h。但由于90℃條件下，蠕變試驗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。試驗過程中，當進入溫度120℃這一級，應力維持恒定3 min時試件即發(fā)生破壞。在第一級溫度（35℃）加載的過程中，應力水平為134 MPa，之后三級加載的應力水平均為130 MPa。試驗過程如圖7所示。

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

相比軸向應變而言，體積應變曲線變化更明顯，體積應變率更高。同時，體積應變包含了巖石軸向應變和橫向應變演化的綜合信息，以及裂紋發(fā)展引起的巖石內部孔隙變化的過程。因此，本節(jié)中采用體積應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變和體積應變率演化曲線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變曲線，以及相應的體積應變率變化如圖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。當進入溫度120℃蠕變過程中，試件體積應變迅速進入加速蠕變階段，導致試件發(fā)生最終破壞。試驗表明，巖石蠕變過程中的體積應變率與應力水平和溫度密切相關。在前兩級（35、50℃）的加載過程中，盡管溫度由35℃增加至50℃，但由于應力水平由134 MPa降至130 MPa，此時應力水平的影響較為明顯，巖石的體積應變率有所下降。在隨后的溫度50、90和120℃的3個階段的蠕變過程中，應力水平保持一致，體積應變率呈現(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)射計數(shù)率如圖9所示。溫度的升高加快了巖石內部的裂紋擴展過程。相同的應力條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變階段聲發(fā)射計數(shù)率隨溫度的升高而明顯增加，當溫度由50℃升高到120℃時，聲發(fā)射計數(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)射計數(shù)率Fig.9 Steady state acoustic emission rate at different temperatures

4 蠕變破壞過程裂隙擴展規(guī)律

研究表明，巖石破壞過程中微裂紋的產(chǎn)生及擴展伴隨著聲發(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部微裂紋的擴展演化過程。為了獲得花崗巖蠕變破壞過程中巖石內部損傷的時空演化特征，試驗采用美國聲學物理公司的PCI-II聲發(fā)射三維定位系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。試驗過程中安裝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)門檻值設為30 dB。在單軸蠕變試驗中，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；三軸蠕變試驗中，探頭分2層對稱布置在三軸室外壁。結合聲發(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展規(guī)律進行分析。

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)射事件用深藍色表示，而振幅在30～50 dB的聲發(fā)射事件用淺藍色表示。

圖10為不同振幅對應的三維聲發(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?？梢钥闯觯c巖石內部微裂紋相對應的低振幅的聲發(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，與巖石內部的微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展相對應；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，隨巖石內部微裂紋的擴展，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，巖石內部微裂紋進一步擴展、連通形成宏觀破裂面，并最終導致巖石的破壞。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 結論

以北山預選區(qū)花崗巖為研究對象，采用國產(chǎn)程控流變儀和MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)，分別開展了應力分級加載和溫度分級加載條件下的蠕變試驗研究，分析了應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)射進行實時監(jiān)測，研究了花崗巖蠕變過程中的裂紋擴展過程，得到以下結論：

1）在應力分級加載的蠕變試驗過程中，研究發(fā)現(xiàn)即使施加的應力水平低于損傷應力，巖石內部微裂紋在應力的作用下不斷積聚、擴展和連通，仍會導致巖石力學性質劣化。不同加載階段的聲發(fā)射累積數(shù)變化曲線進一步驗證了該結論，不同應力加載階段均有大量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，尤其是在第3級應力加載階段 （應力水平低于損傷應力），聲發(fā)射信號活躍，聲發(fā)射事件迅速增加。

2）應力水平的升高會致花崗巖蠕變率增大，加快花崗巖裂紋擴展速度?；◢弾r的體積應變率呈現(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)射信號進一步印證了溫度對巖石蠕變特性的影響，當溫度由50℃升高到120℃時，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的聲發(fā)射計數(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，與巖石內部的微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展相對應，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。