深部地质处置地下实验室花岗岩的加卸荷三轴蠕变试验与分析

丁炎志，张强勇，张龙云,，任明洋，尹相杰，王斌，余光远

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061；2.山东大学 后勤保障部，山东 济南，250100)

高放射性废物具有半衰期长、毒性大等特点，我国核工业经过50多年的发展和使用，积累了一定数量的高放射性废物[1-3]，能否对其安全处置，已成为关系到我国核工业可持续发展和环境保护的战略性课题。目前，国内外公认的处理高放射性废物的最佳途径是将其进行深埋地质处理[4]，所需的高放射性废物地质处置库工程具有安全等级高、服务期限长(以数万年计)等特点，这决定了其选址、建造和安全评价过程极其复杂，难度极大，且缺乏实际工程经验。我国已确定甘肃北山作为我国首座高放废物深部地质处置地下实验室的预选场址，场区深部洞室围岩为硬脆性花岗岩。作为防止放射性核素进入环境的最后一道屏障，北山花岗岩具有以下几个基本性质：1)岩石孔隙度小，水渗透率小；2)裂隙较少；3)足够大的体积等，满足处置库围岩的要求[5]。由于项目服务年限长达几万年，围岩的蠕变变形特性将直接影响工程的长期运行稳定性，有必要开展蠕变特性和长期强度研究。目前，针对北山预选场区花岗岩开展的加载蠕变力学试验研究成果比较丰富，如：潘鹏志等[6]开发了EPCAEVP系统来描述北山花岗岩各向异性蠕变力学性质；陈亮等[7]结合声发射研究了加载应力路径下温度对北山花岗岩蠕变破裂特征的影响；邓广哲等[8]采用改进的岩石热黏弹性蠕变模型研究了北山花岗岩在温度影响下的蠕变特性；刘月妙等[9]通过蠕变试验研究了热力耦合下的北山花岗岩长期性能。此外，国外对硬岩的蠕变性能研究也有较多成果。DAMJANAC[10]证实了硬脆性岩石存在长期强度门槛值；KINOSHITA等[11]研究了花岗岩在不同温度下的单轴蠕变性质，发现温度加速了蠕变破坏。总体而言，目前针对北山花岗岩的蠕变特性研究主要集中在考虑加载轴向应力的影响上，而针对北山花岗岩在不同加、卸载应力路径下的三轴蠕变特性和微细观蠕变破裂机理的研究成果十分少见，为此，本文作者结合北山花岗岩的加载蠕变试验，重点研究了卸荷应力路径对北山花岗岩蠕变力学特性的影响，并通过 SEM 电镜扫描试验分析了北山花岗岩的蠕变细观破裂机制。研究成果可为甘肃北山高放射性废物深部地下实验室的长期运行稳定提供依据。

1 三轴蠕变试验概况

1.1 工程背景

我国拟建的首座高放射性废物深部地质处置地下实验室场址位于甘肃北山新场向阳山地段，属低山丘陵地形，岩漠化程度强，主体岩性为片麻状花岗闪长岩和英云闪长岩等，花岗岩体整体完整、强度较高[12]。图1所示为甘肃北山高放废物深部地质处置地下实验室主体结构设计效果图。为研究洞区花岗岩蠕变效应对深部地下实验室长期运行稳定的影响，本文通过现场深部取样，在室内开展北山花岗岩在不同加卸载应力路径条件下的三轴蠕变力学试验。

图1 高放废物深部地质处置地下实验室主体结构设计效果图Fig.1 Concept map of main structure of underground laboratory of high discharge waste

1.2 岩样制备

考虑以上试验目的，并根据岩石力学试验规程[7]，将从现场深部钻取的花岗岩岩芯运回室内进行切割打磨，加工成标准圆柱体试件(高度×直径为 100 mm×50 mm)。为了消除岩样离散对试验结果造成影响，对试件进行超声波速测试，取其中波速相近的试件进行蠕变试验。图2所示为加工成型的部分岩石试件。本次蠕变试验采用山东大学和长春朝阳试验机厂共同研制的RLW-1000G岩石三轴蠕变仪进行试验，该设备可施加的最大轴向力为1 000 kN，最大围压为50 MPa。

图2 加工成型的部分岩石试件Fig.2 Photos of rock samples

1.3 试验流程

三轴蠕变试验的具体流程(见图3)如下：

1)将标准岩石试件与垫块用电工胶带紧密连接，并用塑胶软管将其包好密封；

2)将传感器与试件连接完成后放到试验机压力室中；

3)分级加卸载开始蠕变试验并记录数据，直到变形趋于稳定后进行下一级应力的加卸载；

4)试验完成后取出试件并拍照记录破坏形式。

图3 岩石三轴蠕变试验流程Fig.3 Flow chart of triaxial creep test

1.4 加卸载试验方案

本次试验分别开展了围压恒定分级加轴压和轴压恒定分级卸围压流变试验，试验结果见表1和图4以及表2和图5。

1.5 试件基本力学性质

在进行蠕变试验之前，先进行不同围压下的常规室内三轴试验，得到北山花岗岩的基本力学参数。图6所示为0 MPa和15 MPa围压下的全过程应力-应变曲线关系。以上试验表明北山花岗岩单轴抗压强度为167.5 MPa，弹性模量为62.66 GPa，泊松比为0.27。

表1 轴压恒定分级卸围压蠕变试验方案Table 1 Creep test scheme of step unloading lateral stress and constant axial stress

图4 轴压恒定分级卸围压蠕变应力路径Fig.4 Creep stress path of step unloading lateral stress and constant axial stress

表2 围压恒定分级加轴压蠕变试验方案Table 2 Creep test scheme of step loading axial stress and constant lateral stress

图5 围压恒定分级加载轴压蠕变应力路径Fig.5 Creep stress path of step loading axial stress and constant lateral stress

图6 不同围压下三轴压缩试验的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of triaxial compression tests under different confining pressures

2 加载蠕变试验结果分析

2.1 加载蠕变变形特征

本文开展围压分别为10，15和20 MPa的分级加轴压三轴蠕变试验，选取围压为15 MPa时的试验结果进行分析。图7所示为围压为15 MPa时分级加轴压蠕变试验曲线，表3所示为围压15 MPa时分级加轴压蠕变试验结果。

图7 围压为15 MPa时分级加轴压蠕变试验曲线Fig.7 Creep curves of step loading axial stress when lateral stress is 15 MPa

分析图7和表3可知：

1)岩石的蠕变存在明显的门槛效应。当偏应力小于152 MPa时，岩石无明显蠕变现象；当偏应力大于152 MPa时，岩石开始出现明显的蠕变变形(见表3)。这表明围压为15 MPa时，花岗岩的流变门槛值为152 MPa。

2)北山花岗岩是典型的硬脆性岩石。在蠕变过程中，因岩体局部破裂后变形突增，导致岩石蠕变变形曲线呈现出明显不光滑的特点。若岩样偏应力在 203 MPa以下，则蠕变27 h后轴向应变由3.27×10-4突增为 3.29×10-4。

3)瞬时加载对轴向应变的影响大于横向应变，蠕变变形则反之。岩样刚开始时横向变形速率远小于轴向变形速率，随着偏应力的增大，两者逐渐接近。岩样从刚开始的体积压缩逐渐向扩容转变，最终破坏时，横向变形量大于轴向变形量。如轴压为167 MPa时，黏性应变增量占总应变增量的8.9%，其中轴向应变占黏性应变增量的 32.3%，横向应变占黏性应变增量的67.7%；而加轴压至204 MPa时，黏性应变增量占总应变增量的 19.8%，其中轴向应变占黏性应变增量的12.7%，横向应变占黏性应变增量的87.3%。

表3 围压为15 MPa时分级加轴压蠕变试验数据Table 3 Part data of creep test of step loading axial stress when lateral stress is 15 MPa

2.2 加速蠕变速率分析

由每个时刻蠕变试验曲线对应的斜率来绘制蠕变速率随时间变化图。由于岩样在试验过程中发生局部破坏，速率-时间曲线上存在一些波动，但整体的趋势和规律性良好，如图8所示。在低应力状态时，只能观察到花岗岩经历了减速蠕变和等速蠕变阶段：1)减速蠕变阶段。岩样的蠕变速率随着时间迅速减小至0或某一较低值；2)等速蠕变阶段。岩样的蠕变速率基本保持某一恒定值，在曲线上表现为1条近似的直线。在最后一级应力加载作用后，岩样经历了完整的蠕变3阶段即减速蠕变—等速蠕变—加速蠕变。加速蠕变阶段蠕变速率迅速增大，最终表现为岩样的破坏。加速蠕变的时间极其短暂，受仪器的限制很难捕捉到。

从表4可以看出：围压限制了岩样的蠕变速率。如在围压为10 MPa时，岩样的轴向平均等速蠕变速率为0.436×10-5h-1，远大于围压20 MPa时的轴向平均等速蠕变速率 0.238×10-5h-1，横向的规律同样如此。这是由于围压增强了岩样的抗压强度，即减弱了其变形力学特性。

2.3 体积应变的蠕变分析

根据岩石的体积应变εv=ε1+2ε2(以压缩为正，其中ε1为岩石的轴向应变，ε2为岩石的横向应变)，将通过计算得到的蠕变过程中的体积变化规律绘制于图9中。结果表明：

1)加载蠕变时，岩样在低应力状态下，体积处于压缩状态；随着应力水平的提高，岩样逐渐表现为体积扩容。

2)瞬时加载时岩样产生压缩但在蠕变过程中体积增大，这是由于岩样中存在较多裂隙；当加载时，裂隙闭合导致体积压缩，而蠕变时，横向蠕变速率显著大于轴向蠕变速率，导致体积增大。

3 卸荷蠕变试验结果分析

3.1 卸载蠕变变形特征

图8 围压为15 MPa时分级加载轴压蠕变速率曲线Fig.8 Creep curves of step loading axial stress’s rate when lateral stress is 15 MPa

表4 不同围压下的加载蠕变部分试验数据Table 4 Part data of creep test of step loading axial stress at different confining pressures

图9 加载蠕变体积应变曲线Fig.9 Loading creep volume strain curve

虽然加载蠕变和卸荷蠕变都能使岩样产生破坏，但两者的机理不同。加载蠕变是通过施加轴向应力使得岩样达到其三轴抗压强度；而卸荷蠕变是通过降低围压使得岩样的三轴抗压强度降低至其轴向应力。

当围压分别为10，15和20 MPa时，进行偏应力不变分级卸载围压蠕变试验。本文选取初始围压为15MPa时的试验结果进行讨论，如图10所示。分析图10可知：

1)卸荷蠕变同样存在着蠕变门槛，当偏应力保持180 MPa，围压从15 MPa降低至11 MPa之前，岩样没有明显的蠕变现象，降低至11 MPa之后，岩样蠕变现象逐渐明显；当围压降至4 MPa时，岩样产生加速蠕变破坏。

2)图10结合图7和表5可以发现每一级围压下的卸荷蠕变曲线比加载蠕变曲线更不光滑，从第一级起便有突变点存在。这表明卸荷蠕变时岩样的硬脆性更强，微细观损伤累积的更加快速，在宏观上则体现为局部破裂，从而导致蠕变曲线不光滑。

图10 偏应力为200 MPa时分级卸载围压蠕变曲线Fig.10 Creep curve of step unloading lateral stress when partial stress is 200 MPa

3)在卸荷蠕变过程中，横向变形较轴向变形更为显著。试验开始时，横向变形和蠕变速率就大于轴向蠕变速率，即产生了体积扩容；随着卸荷的进行，扩容现象愈加明显。

比较2种不同应力路径下的蠕变数据和曲线可以发现：相较于加载蠕变，在卸荷蠕变中蠕变变形要远大于瞬时变形。因此，在高放射性废物深部处置室施工过程中，要更加注意由于卸荷产生的蠕变行为。

3.2 加速蠕变速率分析

由卸荷蠕变试验曲线对应的斜率来绘制卸荷蠕变速率随时间变化曲线，如图11所示。岩样在最后一级破坏应力下经历完整的蠕变3阶段：减速蠕变—等速蠕变—加速蠕变，其基本规律与加载蠕变的一致。

对比图9和图11可以发现：卸荷蠕变比加载蠕变更容易破坏。如围压15 MPa分级加轴压时岩样经历约70 h后进入加速蠕变阶段并破坏，围压15 MPa分级卸围压时经历35 h后进入加速蠕变阶段并破坏，且卸荷时的等速蠕变速率显著大于加载蠕变的等速蠕变速率。这2种情况下等速蠕变速率之所以产生了如此大的差异，是由于卸荷蠕变时所施加的荷载更接近于屈服强度，使得岩样更容易产生破坏，即到达破坏的时间越短，加速蠕变前的等速蠕变速率越快。同时，卸荷时相当于在侧面施加了1个拉应力，更容易引起岩样裂隙的扩展，导致岩样加速破坏。

表5 偏应力为200 MPa时卸荷蠕变试验部分数据Table 5 Part data of creep test of step unloading lateral stress when partial stress is 200 MPa

表6 卸载蠕变部分试验数据Table 6 Part data of creep test of step unloading lateral stress

图11 偏应力恒定时分级卸载围压蠕变速率曲线Fig.11 Creep curves of step unloading lateral stress’s rate when deviator stress is constant

3.3 体积应变的蠕变分析

图12所示为卸荷蠕变体积应变曲线。由图12可以发现：卸荷蠕变的体积应变曲线与加载蠕变时的体积应变曲线有显著不同。卸荷蠕变从一开始就产生了体积扩容，且随着围压逐渐降低，扩容现象越来越显著。主要原因在于卸荷蠕变相当于在原有应力的基础上叠加上1个拉应力，导致岩样中的裂隙沿着轴向方向扩展，其宏观表现即为体积的扩容。从图11可以发现：卸荷蠕变的横向蠕变速率要远大于轴向蠕变速率，加载蠕变只有在岩样快破坏时横向蠕变速率才接近轴向蠕变速率，这也从另一方面表明卸荷蠕变更易产生体积扩容，岩样更加容易破坏。

图12 卸荷蠕变体积应变曲线图Fig.12 Unloading creep volume strain curve

4 岩体宏细观破裂特征

4.1 宏观破裂特征

根据岩样蠕变曲线及变形规律，选取其破坏后的典型特征进行破裂特征分析。围压恒定时分级加载轴压破坏形式见图 13。由图 13可以看出：当围压为10 MPa时，岩样上同时存在着劈裂破坏和剪切破坏，这是由于围压较小时对于试件约束较小，岩样沿轴向产生拉伸裂纹并导致破坏后较为破碎，具有一定的脆性；随着围压升高，岩样逐渐表现为剪切破坏，宏观破裂面越整洁，主破裂面的倾角越大。

图13 围压恒定时分级加载轴压破坏形式Fig.13 Damage forms of step loading axial stress when lateral stress in constant

图 14所示为不同初始围压下的卸荷蠕变破坏形式。从图14(a)和(b)可见：岩样在卸荷蠕变时，相当于在内部施加了沿着轴向的拉应力，所以，在表面产生了很多条沿轴向的张拉裂纹，而没有产生宏观破裂面；同时，岩样内部的裂隙在拉应力的作用下不断扩张，且横向变形速率远大于轴向变形速率，导致最终发生扩容破坏且岩样破坏时具有一定的内鼓。图14(c)所示岩样表面出现了由于卸荷产生的张性剥落片以及破碎严重而掉落的岩石颗粒，破坏形式为张剪破坏。

图14 偏应力恒定时分级卸荷破坏形式Fig.14 Damage form of step unloading lateral stress when deviator stress is constant

4.2 细观破裂特征

为了探究不同应力路径下北山花岗岩细观破裂机制，对一些典型花岗岩破裂断面进行了电镜扫描分析。整个试验采用山东省分析测试中心的 SU-70热场发射扫描电镜。图15所示为选取的15 MPa围压下加、卸载应力路径下破坏断口的电镜扫描图片。从图15(a)和(b)可以看出：加载破坏时，围压15 MPa下断口破裂面为锲形剪切面，且较为整洁；断口面因为裂隙面

图15 花岗岩加卸载破坏断口1 000倍和2 000倍下的电镜扫描图Fig.15 SEM images at 1 000 and 2 000 times of fracture of granite

之间的摩擦滑移而表现出阶梯状，形貌呈有序排列，晶界间隙宽，发育有溶蚀孔，整体表现为沿晶破坏。从图15(c)和(d)可知：卸荷破坏时，破坏断面呈现出阶梯状张剪撕裂，同时断面上还伴生大量龟裂微裂隙，显示出卸荷时岩石中产生了拉剪破坏，裂隙在张拉作用下逐步形成空洞，最终相互贯通产生了宏观破坏，整体表现为穿晶破坏。

5 花岗岩长期强度分析

岩石的长期强度是甘肃北山高放废物地下处置室的长期稳定性分析中的1个重要参数，也是科研工作人员考虑的重点。目前，岩石长期强度主要以长期荷载作用下岩石的破坏强度[13]作为确定依据。等时应力应变曲线法[14]、非稳定蠕变判别法[15]、蠕变体积应变法[16]和稳态流变速率法[17]等是最常用的几个方法。

稳定蠕变与非稳定蠕变的分界值所对应的应力水平值即为岩石的蠕变长期强度[18]。在到达这一限值之前，蠕变速率持续衰减直至零值，而高于这一应力限值时，就会出现等速蠕变或加速蠕变现象。现定义花岗岩的变形模量E为

式中：σ0为σ1上一级的应力；ε0为ε1上一级最后时刻的应变。在每一级应力水平下，σ1保持不变，ε1持续增大，且在稳定蠕变时，ε1增大速率越来越小，最终趋于某一固定值；当岩石由稳定蠕变转为非稳定蠕变时，ε1由减速蠕变转为等速蠕变或加速蠕变，在数值上体现为显著增大。在变形模量-时间曲线中，必存在1个突变点，在此之前，模型模量在每一级应力水平下持续降低，但降低速度越来越慢，曲线上表现为下凹，在突变点处，由于应变突增，曲线上表现为变形模量在此处陡降，在此之后，由于岩石处于不稳定蠕变阶段，岩石内部裂隙不断发育，在宏观上体现为岩石破裂，且花岗岩是硬脆性岩石，破坏时应变会陡增，所以，变形模量会不断出现陡降点。因此，认为第1次出现的突变点即为岩样流变破坏的临界点，其对应的强度为岩石的长期强度。如图16所示。

与表7中其他确定长期强度的方法相比较，由于岩石的流变长期强度与其围压有密切关系，为了方便比较，本文以流变长期强度σ∞与流变破坏强度σf的比值进行讨论[19]。σ∞和σf均按照偏应力σ1-σ3取值。这些常用的方法都是依据轴向应变和时间的关系来进行判定，对于变形量较大的软岩有很好的效果，但对于甘肃北山的硬脆性花岗岩，其蠕变变形量很小，因此，在一些拐点的选择上主观性较强，容易导致最终的误差较大。本文提出的变形模量判别法最终得出的曲线将很小的变形放大，从而避免了主观判断的误差，使结果更加准确，且方法简便快捷。因此，对硬脆性岩石，建议采用变形模量判别法来确定岩石的长期强度。本文中，变形模量判别法得到的σ∞/σf为0.626～0.717，与另外2种判别方法相比，减少4 %左右。

图16 不同围压下变形模量—时间曲线Fig.16 Curves of deformation modulus—time under different confining pressures

表7 不同方法确定的长期强度对比Table 7 Long term strength contrast determined by different methods

6 结论

1)加、卸载蠕变都具有蠕变门槛。当位于最后一级破坏应力水平后，岩石会出现完整的蠕变3阶段。且由于岩石的硬脆性，与等速蠕变阶段相比，减速蠕变和加速蠕变时间极短。

2)卸荷蠕变速率受到围压的影响较大。在相同应力水平下，围压越高，蠕变速率越小。

3)卸荷蠕变从一开始就表现为体积扩容，并且随着围压降低，体积扩容的速率越快。

4)加载蠕变时随着围压的增大，岩样逐渐由劈裂破坏转为剪切破坏，且围压越大，破坏断口越平整。卸荷蠕变时岩样在破坏时沿轴向产生了多条张性裂纹，具有典型的张剪破坏特征。同时，试件表面出现的张性剥落片以及崩落的岩石颗粒体现了岩样的卸荷蠕变比加载蠕变更具有脆性。

5)加载蠕变破坏时多为沿晶断裂，剪切滑移迹象明显；卸荷蠕变为穿晶破裂，破坏断面多为张剪撕裂状，即卸荷蠕变过程还存在着张剪破坏。以上结果也从细观角度验证了硬脆性花岗岩在不同应力路径下的破裂形式。

6)提出了由变形模量判别法来确定硬脆性岩石长期强度，即变形模量-时间曲线中首次出现的突降点就是流变破坏的临界点，其对应的强度就是岩石的长期强度。