岩石非线性变形特性与强度特性的时温等效效应研究

The evolution law of mechanical properties of surrounding rock in a long time period has great influence on the safety of high-level radioactive waste repository. However, due to the limitation of testing time, the rheological test data of rock could be obtained must be confined within a short time period. Therefore, the problem comes down to how to use the short time test data to predict the long time evolution law of rheological properties of rock. At present, only the method of using time temperature equivalent effect of rock could scientifically solve this problem. Methods combining experimental test, theoretical analysis and numerical simulation are carried out to study the time temperature equivalent effect of deformation and strength properties of rock. Based on the nonlinear viscoelastic theory, the time temperature equivalent equations of nonlinear viscoelastic properties of rock are established. Creep tests of granite at different temperatures and stresses are carried out to study the time temperature equivalent effect of deformation and strength characteristics of granite. The long time properties of granite are revealed and the mechanical model and strength criterion are built. With these research results, the numerical method of time temperature equivalent effect is developed, and the long time stability of high-level radioactive waste repository are predict. This research provide theory results for the safety evaluation of high-level radioactive waste repository.

处置库围岩力学性质的长期演化规律关系到高放废物处置库的长期安全性。然而，通过室内试验只能获得短期的岩石力学性质数据，因而需要解决"如何利用短期的试验数据去分析预测岩石力学性质长期演化规律"问题。基于对岩石力学性质温度和时间效应的研究以及这两种因素之间等效规律的揭示，可以推断利用岩石的时温等效原理能够解决这一难题。项目拟采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，开展岩石非线性变形特性与强度特性的时温等效效应研究。基于非线性黏弹性一般理论，建立非线性黏弹性时温等效效应的数学表达方程；以甘肃北山花岗岩为研究对象，通过不同温度及应力下的蠕变试验，研究花岗非线性变形特性和强度特性的时温等效效应，揭示花岗岩力学性质长期演化规律，建立花岗岩力学性质的本构模型和强度准则；在此基础上，发展岩石时温等效效应的数值分析方法，预测高放废物处置库的长期稳定性，为我国高放废物处置库的安全性评价提供理论依据。

围岩在高温作用下力学性质的长期演化规律及其数学表示是高放废物处置库长期安全性分析及预测的关键科学问题之一。受到试验时间的客观限制，能够获得的岩石力学性质试验数据非常有限，因而需要解决如何利用短时间内获得的试验数据去分析预测长时间下岩石力学性质演化规律，借助岩石的时温等效效应是解决这一问题的比较可行的途径。通过岩石变形特性及强度特性的时温等效效应研究，阐明了岩石非线性热黏弹性时温等效效应的理论基础，揭示了岩石非线性变形特性及强度特性时温等效效应的内在机理，建立了表征岩石力学性质长期演化规律的本构模型，提出了基于岩石时温等效效应的高放废物处置库长期安全性分析预测的方法，同时将研究成果应用到高放废物处置库的长期稳定性分析预测中去。主要研究成果如下：① 选择Schapery单积分型本构方程为研究对象，推导了岩石非线性黏弹性时温等效效应的数学表达形式，提出了恒应力下岩石时温等效效应和恒温下岩石时力等效效应的作图步骤和验证方法，并给出了时温等效参数和时力等效参数的确定方法。② 选择我国高放废物处置库候选场址的花岗岩为试验研究对象，利用高温高压蠕变试验机等试验设备，进行不同温度及应力下花岗岩的单轴抗压蠕变力学性质试验，获取短时间内不同温度下的花岗岩蠕变试验曲线及蠕变强度试验曲线，揭示花岗岩的蠕变力学性质随温度及应力的变化规律。③ 基于不同温度及应力下的花岗岩单轴抗压蠕变试验数据，依据非线性时温等效效应的作图步骤，得到了参考温度及参考应力下表征花岗岩长期蠕变力学特性的主曲线；通过查看不同参考温度下的主曲线的连续性和一致性，再次验证了花岗岩线黏弹蠕变力学特性的时温等效效应；通过查看参考应力下的主曲线的连续性和一致性，验证了花岗岩蠕变特性的时力等效效应；根据垂直移位和水平移位值，分析了垂直移位因子与水平移位因子的温度及应力相关特性。④ 根据建立的六参数模型，基于ABAQUS有限元软件，开发了CREEP本构子程序；模拟了热力耦合过程作用下高放废物处置库围岩应力场和变形场的长期演化规律，比较了不同本构模型预测结果之间的差异性，研究结果可为高放废物处置库的长期安全性评价提供参考。