T-M耦合作用下北山花岗岩的渐进热损伤及断裂行为研究

高放核废料处置是国内外广泛关注的课题，2011年日本3.11特大地震和海啸的发生再次引发了人们对核电站选址及核废料安全处置问题的思考。本项目以我国高放核废料处置预选场址-甘肃北山花岗岩为研究对象，通过岛津 EHF-UG高温实验系统研究不同温度不同加载模式花岗岩的宏观破裂机理及其强度特性；基于带加载装置SEM高温试验系统原位观测热力(T-M)耦合作用下花岗岩的热损伤、裂纹扩展及断裂过程，基于不同温度下SEM图像建立T-M耦合作用下花岗岩的渐进热损伤模型；基于能量释放和能量耗散的非平衡热力学理论建立多尺度断裂模型；通过单元质心对应法及图像学方法，建立既考虑花岗岩的矿物颗粒形状、尺寸和成分，又考虑矿物颗粒之间的微细观结构的数值模型，用于模拟热力耦合作用下核废料储库围岩的热损伤断裂行为。本项目的研究将为高放核废料地质深埋处置库的长期稳定性及安全性评价提供依据和参考。

高放核废料处置目前是国内外广泛关注的一个课题，本项目以我国一个可能的高放核废料处置预选场址甘肃北山花岗岩为研究对象，通过实验、理论和模拟综合方法，对热力耦合作用下北山花岗岩细观变形破坏及断裂行为进行了研究。项目负责人发表带资助号论文14篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文11篇，申请专利3项，参加9次国内外学术会议，培养12名研究生，完成了项目预期目标。项目负责人在第十二届全国青年岩土力学与工程学术大会做大会邀请报告《热力耦合作用下北山花岗岩的断裂行为研究》（2013.11），并获2013年中国力学学会全国徐芝纶力学优秀教师奖、霍英东教育基金会第十四届高等院校青年教师奖(二等奖)、第七届北京市优秀青年人才。主要研究成果如下：.(1) 通过带加载SEM高温试验系统对含预制缺口北山花岗岩进行了原位观察热力耦合试验研究，北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大，这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度)，这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性，热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响。温度升高会导致花岗岩的断裂机制的变化，低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主，而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。.(2) 基于SEM所获取的岩石非均质数字图像，提出了一种既能考虑预制和原生缺陷的单元质心对应法，该方法能近似反映材料非均匀性的三维细观结构有限元模型的方法。对比实验结果发现，数值模拟得到的拉伸强度在低温下高于实验测试值，而中高温度下基于与实验结果吻合，主要原因是低温时真实岩石中的初始缺陷起到很大影响作用，而随着温度和应力升高，热力耦合的影响在升高，而初始缺陷的影响在降低。.(3) 通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的北山花岗岩进行了三点弯曲破坏试验。在低应力作用下，裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的粘结力作用大小的影响，最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上，裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定，因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角。采用数字散斑相关计算方法实现了岩石细观尺度微变形全场测量，多个矿物颗粒界面两边发生了完全相反方向的位移，这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。