高放废物深地质处置硬岩剪胀与扩容机理研究

高放废物深地质处置围岩的破坏过程与扩容密切相关。在连续介质理论中，剪胀角作为最常用的参数用于衡量扩容和控制岩石的体积变化。理想的弹塑性模型和应变软化模型通常假设剪胀角为恒定值，然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为，因此不能合理解释岩体的非线性膨胀及扩容特征。本项目拟突破常规三轴试验机仅能测量岩石试件表面点应变或线应变的限制，对其进行改进，研制出能够测量岩石内部体积变化的三轴压缩体积应变测量系统，对我国高放废物处置库重点预选区甘肃北山深部硬岩进行不同围压下的循环荷载体积应变测量。基于体应变测试数据，结合塑性力学理论，建立同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型；采用程序语言将剪胀角模型嵌入到数值模拟工具中构建剪胀角模型模块，模拟北山深部硬岩在不同围压条件下的体积变化行为，探究其扩容机理，为岩石非线性力学行为的研究以及高放废物地质处置的工程稳定性控制提供理论基础。

高放废物深地质处置围岩的破坏过程与扩容密切相关。在连续介质理论中，剪胀角作为最常用的参数用于衡量扩容和控制岩石的体积变化。理想的弹塑性模型和应变软化模型通常假设剪胀角为恒定值，然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。本项目采用三轴压缩体积应变测量系统，对我国高放废物处置库首选预选区甘肃北山深部花岗岩进行不同围压条件下的体积应变测量。基于体应变测试数据，采用塑性力学理论，建立了同时考虑围压和塑性剪切应变为影响因素的硬岩剪胀角模型。取得的主要成果如下：. （1）采用应力-应变测量并结合声发射监测技术，成功描述了北山深部花岗岩在单轴、三轴压缩及三轴循环加卸载条件下的裂隙损伤演化规律及剪胀特性，岩石的破坏模式与声发射事件的三维分布特征一致，进而揭示了北山花岗岩在破坏过程中的扩容机理。. （2）通过分析北山花岗岩在三轴循环加、卸载过程中的体积膨胀行为，构建了岩石在破坏过程中的塑性应变轨迹，采用非线性拟合方法建立了一个同时考虑围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型。并采用程序语言将该模型嵌入有限差分数值计算软件FLAC中，建立了剪胀角模型计算模块。该模型不仅能够正确地表达岩石峰后破坏过程中的非线性体积变化行为，而且能够合理地反映岩石扩容对围压和塑性剪切应变的依赖关系。. （3）通过三轴压缩数值模拟试验，证实了基于理想的弹-塑性和应变软化的恒定剪胀角值分别产生峰后不实际的单线性和双线性的体积膨胀，而建立的剪胀角模型能够正确反映岩石破坏过程中的非线性体积变化，模拟结果与试验数据具有较好的一致性。. （4）以北山预选区地应力为边界条件，采用建立的剪胀角模型计算分析了地下工程开挖后围岩的力学响应。研究结果表明，该模型可合理表达开挖边界附近的体积膨胀变形，揭示了岩体膨胀并非恒定，而是依赖于随围压和塑性变形的变化，围岩位移量随着围压的增加而快速减小。锚杆支护增加了隧道开挖边界附近岩体的围压，有效抑制了低围压区域产生的较高岩体膨胀。在地下工程支护设计中，应重点加强对紧邻开挖面低围压区域内岩体的支护以有效地控制岩体的变形破坏。研究成果可为岩石非线性力学行为的研究以及高放废物地质处置的工程稳定性控制提供理论基础。