T-H-M耦合作用下核废料储库围岩的疲劳破损机理及模型研究

America Yucca Mountain nuclear waste site design began from 1987. And American Nuclear Regulatory Commission formally approved the construction of nuclear waste repository in Yucca Mountain in October 16, 2014. In February 17, 2015, China's State Council approved the Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Plant to reconstruct again. It marks the formal resumption of the national nuclear power. Now, many scholars focus on the related basic problem research of nuclear waste repository again. China's high level nuclear waste disposal site is preselected in Beishan of Gansu province. Based on the works of my Young National Natural Science Foundation of China, we will focus on the fatigue failure mechanism and constitutive model of Beishan granite under THM coupled effects. Through multi field coupling GCTS system, high temperature fatigue test SEM system and microfocus CT system, we will try to reveal macro and micro fatigue crack initiation and propagation mechanism of Beishan granite under T-H-M (Thermal-Hydro-Mechanical) coupling effects. The internal space crack distribution characteristics of granite will be investigated. Based on energy principle, we will try to establish multiscale fatigue failure model of granite under multi field coupling effects. Finally, numerical models including mineral real structure will be developed to simulate the fatigue and stability of nuclear waste reservoir rock under multi field coupling effects. This study can provide guidance for long-term stability and safety evaluation of deep geological repository for high-level nuclear waste.

美国核废料处置库选址始于1987年，2014年10月16日该国核管理委员会正式批准在尤卡山建造核废料处置库。2015年2月17日，我国国务院核准了辽宁红沿河核电站开工建设，这标志着国家核电正式重启。相关基础研究工作得到了国内外关注，其中多场耦合作用下储库围岩的疲劳破坏是个难点。以我国高放核废料处置预选场址甘肃北山为背景，本项目着重研究多场耦合作用下北山花岗岩的疲劳破坏机理及构建本构模型。通过GCTS多场耦合系统、高温SEM 疲劳系统和工业CT等综合手段，揭示不同温度、渗透压和应力(THM)条件下北山花岗岩的宏细观疲劳裂纹萌生及扩展机理；获得多场耦合下花岗岩内部空间裂隙分布特征；基于能量原理建立多场耦合花岗岩疲劳破坏多尺度模型；致力发展能考虑矿物细观结构的数值模型，用于模拟多场耦合作用下高放核废料地质深埋储库围岩的长期稳定性，为其安全性评价提供指导。

2015年2月17日，我国国务院核准了辽宁红沿河核电站开工建设，这标志着国家核电正式重启。根据“十三五”规划，到2020年，中国将新增约60座核电站，届时中国核电机组数量将达到90余台，从装机容量上讲，将超过法国位居世界第二，仅次于美国。相关基础研究工作得到了国内外关注，其中多场耦合作用下储库围岩的疲劳破坏是个难点。申请人在本项目资助下对温度-荷载作用下岩石的宏细观变形破坏行为进行了大量的实验研究，主要取得了以下研究成果：.(1) 采用岩石物理测试手段，通过岩石波速反演了不同温度下花岗岩的孔隙、渗透率演化规律，详细分析了温度对岩石渗透率的影响机制并提出了一个新的波速-孔隙率模型。利用该模型，通过测量某一温度下岩石的波速及相应的渗透率即可求得任一温度和波速下岩石的渗透率。.(2) 针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数，详细分析了其适用性和局限性。基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线，在能量跌落系数的基础上，进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比，提出一种改进的能量跌落系数，认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存并于峰后阶段快速释放的综合表现。.(3) 采用常规单轴和三轴压缩以及循环加卸载压缩实验研究了花岗岩的强度、变形破坏行为以及超声特性。花岗岩试样的单轴循环加卸载压缩后的残余应变随着循环数的增加而呈现下降趋势。对于三轴循环加卸载压缩的花岗岩试样，其残余应变先减小后增大。所有花岗岩试样的弹性应变均显示出随循环次数的增加趋势。由于预先存在的裂纹的闭合，加卸载杨氏模量随循环次数呈增加趋势。.(4) 采用带加载装置的扫描电镜研究了温度、荷载影响下岩石的细观断裂行为。从细观尺度上，揭示了准静态和疲劳加载情况下，不同温度对北山花岗岩裂纹行为的影响机制；观察了T-M耦合作用下岩石细观裂纹行为，研究了热开裂或热力耦合开裂对岩石破坏强度的影响，采用三参数Weibull分布进行了可靠性分析。.项目发表论文26篇，其中SCI检索12篇，EI检索11篇；出版专著2部，国内外交流15次；获省部级一等奖和二等奖2项；授权美国专利1项，中国发明专利3项，中国实用新型专利2项。负责人左建平教授获得教育部青年长江学者(2017)，北京市青年五四奖章(2016)，中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖(2016)，北京市高等学校青年教学名师（2017），北京卓越青年科学家(2019)等荣誉。