热-水-力耦合条件下花岗岩裂隙开度的变化

地质选址考察和地基分析对地下空间工程建设十分重要。以浙江舟山地区花岗岩为样本,在地质勘测的基础上对热-水-力耦合条件下岩体裂隙的开度进行了数值模拟分析与计算。结果表明:在热-水耦合条件下,花岗岩裂隙的开度随着时间的增加先迅速增大,然后趋于稳定,距裂隙入口20 mm处热应变增大明显,但热应变范围在10-5量级;在热-水-力耦合条件下,5 MPa围压下岩体裂隙变形程度较3 MPa围压下更大,裂隙的开度受耦合作用影响显著,裂隙的开度随着围压的增大而不断减小,导致花岗岩裂隙内部渗流能力降低。该研究结果可为花岗岩岩体裂隙稳定性研究提供参考。

北山花岗岩裂隙围岩蚀变矿物学及地球化学特征

在地质流体的作用下,花岗岩裂隙两侧常发生不同程度的围岩蚀变,蚀变可能会改变围岩的矿物组成、化学组分乃至对放射性核素的阻滞性能。因此,查明深部岩体裂隙围岩的蚀变特征是处置库场址评价的重要内容之一。以北山新场和沙枣园花岗岩体深钻孔岩心为调查对象,借助显微分析、X射线荧光法等分析测试手段,研究分析了裂隙两侧岩石蚀变的矿物学及地球化学特征,初步探讨了蚀变作用对于围岩还原能力的影响。研究结果表明:北山花岗岩裂隙蚀变岩仅在少数裂隙两侧分布,主要类型为因矿物交代作用引起的钠长石化、黏土化、赤铁矿化和绿泥石化等,每种蚀变作用过程使得围岩的矿物组分与化学组成发生特定变化,除Na_(2)O、K_(2)O、CaO、Fe和LOI等元素以外,其他主量元素含量在蚀变作用中变化微弱或无变化。仅从Fe(Ⅱ)含量变化上分析,北山花岗岩裂隙蚀变作用对围岩还原能力的影响很小。

花岗岩裂隙中^（134）Cs表面活度直接测量

测定岩石中放射性核素的浓度分布，是研究放射性核素在处置库周围岩石中的迁移、扩散和滞留规律，从而确定处里库隔离能力的必要手段。本文研究了花岗岩裂隙表面１３４Ｃｓ活度的直接测定方法，并对有关影响因素进行了讨论。

^(239)Pu(Ⅳ)在花岗岩裂隙介质中迁移的数值模拟

基于双重连续介质模型,根据单裂隙岩体核素迁移规律,推导了核素在平行板单裂隙岩体裂隙域和基质域中的迁移方程,并得出了核素在基质域和裂隙域中的相对浓度。模拟过程中选择239 Pu(Ⅳ)作为分析对象,结合研究区渗透系数和分配系数等参数值,分析了研究区花岗岩岩体裂隙域和基质域中相对浓度的分布情况,预测了239Pu(Ⅳ)在裂隙域和基质域中的发展趋势和迁移情况。模拟表明239 Pu(Ⅳ)在基质域内的扩散非常缓慢,经过0.5×105 a,扩散范围仅在毫米量级,而在裂隙域中大约迁移3m,模拟结果表明该花岗岩区域具备处置含239Pu(Ⅳ)等放射性废物的条件。同时讨论了裂隙域水的平均速度、隙宽、渗透系数、基质域和裂隙域内阻滞系数等参数的变化对放射性核素裂隙域迁移情况的影响。

复合胶体作用于Sr在花岗岩裂隙填充物中吸附行为研究

放射性废物地质处置过程中,核素在固液界面的吸附行为对核废物安全处置具有重要影响.本文以高放废物处置场花岗岩裂隙填充物为研究对象,通过批实验和微观表征技术研究了复合胶体作用下Sr在花岗岩裂隙填充物中的吸附规律.结果表明:腐殖酸胶体与针铁矿胶体结合成为有机–无机复合胶体的方式,主要依靠针铁矿胶体中所含羟基与腐殖酸胶体中所含羧基发生配位体交换反应,复合胶体以针铁矿胶体为主导,腐殖酸附着在针铁矿胶体表面;pH和固液比对复合胶体体系对Sr的吸附行为影响较大;通过改变溶液中Sr离子初始浓度进行等温吸附方程的拟合表明,该吸附体系的吸附为单层吸附且反应更快.结果可为放射性废物处理场中Sr的吸附行为提供科学规律认识.

花岗岩裂隙中核素迁移研究进展

在总结近几十年国内外核素在花岗岩裂隙运移研究的基础上,对核素在花岗岩表面与裂隙内的吸附、解吸以及扩散等研究、野外大尺度花岗岩裂隙中核素迁移试验、核素数值迁移模型进行了深入的回顾与总结;并指出未来研究方向。

花岗岩裂隙水的赋存特征及找水要点

花岗岩地区地下水在广东省的市场需求很大,总结了花岗岩裂隙水的赋存特征及找水经验,对水文地质工作、地下水资源的发现和开发利用有指导意义。

花岗岩裂隙水推荐配方可行性研究

配制接近实际且长期稳定的花岗岩裂隙水是进行高放废物处置科学研究不可缺少的。按核二院提供的推荐配方配制了模拟花岗岩裂隙水，经近两年的考察，除微量阳离子组分外。其它各组分及各项综合指标保持基本稳定；可作为有价态变化核素迁移之外的高放废物处置科研试验用水。只加入常量组分配制的模拟水样各组分及指标均保持稳定，可用于回填材料特性及热力学研究。在有氧条件下，保存容器、密封性及温度对模拟水样无影响。

基于裂隙形状函数的自然环境高温下花岗岩裂隙尖部非线性温度场

高温环境下,南方地区隧道洞口段岩体温度波动剧烈,长期累积作用引起隧道热病害。针对岩体裂隙尖部热传导性质非线性,应用格林函数法和镜像法建立裂隙岩体三角形热源函数表达式,计算裂隙尖部温度场,并分析裂隙形状参数和裂隙间相互作用的影响。计算表明,太阳辐射时段内裂隙岩体内部较不含裂隙岩体内部温度高;相同长度的三角形裂隙,顶角越大岩体温度变化幅度越大;对于平行裂隙与共面裂隙,间距越小裂隙尖部温度场叠加效应越强,间距越大温度值越趋于单裂隙温度值。裂隙岩体比不含裂隙岩体温度传递快,温度等值线围绕裂隙呈现,裂隙周围温度明显升高。研究结果为高温环境下隧道洞口裂隙岩体热应力分析提供理论依据。

裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型及参数分析

裂隙花岗岩的蠕变特性对高放废物地质处置库的长期稳定性和安全性至关重要。本文基于裂隙花岗岩在不同应力条件下的蠕变试验结果,结合蠕变过程中应力产生的损伤累积的影响,提出一种考虑损伤的弹黏塑性体。通过将经典Burgers模型的黏性元件替换为分数阶黏弹性元件,将黏弹性体替换为考虑损伤的弹黏塑性体的方法,构建了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型,并推导出模型在3维应力状态下的本构方程。通过对倾角30°及45°单裂隙花岗岩在不同应力条件下蠕变试验数据的拟合分析,确定了模型参数,验证了模型的适用性和合理性,获得了各模型参数随应力水平的变化规律。通过模型参数的敏感性分析,揭示了分数阶导数、损伤参数,以及应力水平对裂隙花岗岩蠕变应变的影响规律,并验证了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型在特殊条件下可退化为经典Burgers模型。研究表明,本文提出的裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型能够准确地描述裂隙花岗岩蠕变破坏全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段应变随时间非线性增长的过程。

单轴压缩条件下单裂隙花岗岩力学特性及破坏特征

为研究含贯通单裂隙花岗岩的力学特性及破坏特征,以我国高放废物地质处置甘肃北山预选区完整花岗岩及含倾角30°、45°和60°贯通裂隙的花岗岩为研究对象,开展单轴压缩试验研究.结果表明:裂隙倾角越大,试样的单轴抗压强度、损伤应力以及弹性模量越低;与完整岩石相比,倾角30°、45°和60°裂隙花岗岩的抗压强度分别下降7.97%、29.17%和71.68%,损伤应力分别下降9.35%、24.26%和69.79%,弹性模量分别下降5.89%、23.32%和60.49%.裂隙倾角不同,试样的应力-应变曲线呈现出显著的差别;裂隙倾角越大,损伤应力至峰值应力之间的屈服阶段越明显,发生沿裂隙面滑移破坏特征越显著;裂隙倾角影响花岗岩的破坏模式,试样的破坏形式主要表现为穿裂隙面破坏(倾角30°)、穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移并存的复合破坏(倾角45°)以及沿裂隙面滑移破坏(倾角60°);倾角60°的裂隙花岗岩的抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差符合幂函数增长关系.

冻融雁行裂隙花岗岩单轴压缩宏细观疲劳特性试验研究

对于季冻区的岩体工程,岩石经常受到冻融和周期荷载扰动引起的耦合疲劳损伤。为了研究冻融裂隙花岗岩的疲劳开裂扩展情况,量化裂纹的损伤程度和分类类型,对冻融40次后的双裂隙花岗岩进行了3种应力振幅下的周期荷载试验。采用实时声发射和高速摄影监测技术来揭示裂纹演化,并进一步对不同的裂纹开裂类型进行分类,以帮助理解动态压裂规律,利用核磁共振测试分析裂隙花岗岩细观孔隙特征及其宏观力学特性的关系。结果表明:随着周期荷载振幅应力比的增加,双裂隙花岗岩在周期荷载“沉寂期”内的声发射计数增加;周期荷载阶段双裂隙花岗岩产生的剪切裂纹占比大于单调加载阶段,高振幅作用下岩石容易形成剪切破坏裂纹;双裂隙花岗岩声发射的最大幅值变小即大尺度破裂减少,周期荷载下岩样预制裂隙外尖端产生的向端面扩展裂纹的角度越大;双裂隙花岗岩的疲劳寿命减小,内部微裂隙扩展发育减缓,能够储存的含H流体也越少,最终表现为核磁共振T2谱面积变化率减小。

预制裂隙花岗岩样单轴压缩破裂特征及细胞自动机模拟研究

预制了含中心圆孔的不同倾角花岗岩裂隙试件,并开展了单轴压缩实验.以典型实验结果为基础,根据细胞自动机分析原理,构建了对应的应变软化模型,采用CASrock软件开展单轴压缩断裂力学特性研究.实验结果表明:数值模拟与实验结果吻合较好,裂隙倾斜方向与轴向应力夹角越小,则试件强度越大;预制裂隙倾角为0°时强度最小,90°时强度最大;在不同裂隙倾角下试件破坏模式有差异,倾角越小,张拉破坏特征越显著;倾角为0°时,圆孔顶端首先张拉起裂,而端部翼裂纹扩展滞后于张拉裂纹;倾角为45°时,张拉裂纹的扩展明显弱于翼裂纹;倾角为90°时,张拉破坏特征可以忽略,试件表现出沿裂纹端部的剪切破坏特征.实验结果验证了岩石抗拉能力弱于抗剪能力的事实,以及细胞自动机分析方法的可靠性,可为裂隙岩体力学性能研究及相关工程应用提供理论支撑.

地下水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度变化规律与预测模型

揭示裂隙岩体纵波速度变化规律对工程岩体质量分级与稳定性评价具有重要意义。以某地下水封洞库无充填型单裂隙花岗岩为研究对象,基于钻孔电视成像、水压致裂法地应力测试与声波全波列测井,获取了384组单裂隙花岗岩的几何特性、受力状态与纵波速度,构建起了预测单裂隙花岗岩纵波速度的进化-神经网络模型,分析了关键指标影响下单裂隙花岗岩纵波速度的变化规律。研究表明:该水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度分布于4300~5330 m/s之间,82.3%的纵波速度在4700~5200 m/s之间;选取裂隙法向应力、平均张开度与倾角作为单裂隙花岗岩纵波速度的预测指标是合理可行的;将现场测试数据分为训练样本与测试样本,基于遗传算法优化神经网络权值、阈值的进化-神经网络模型构建出单裂隙花岗岩纵波速度预测模型,其测试误差最大仅为2.9%,85%的样本测试误差不超过1.5%,预测模型精度较高。分析了纵波速度变化规律,发现单裂隙花岗岩纵波速度随裂隙法向应力增大而增大,但当法向应力增至5 MPa后的纵波速度增大速率逐渐减小,纵波速度随裂隙张开度增大而逐渐减小,纵波速度在裂隙倾角小于40°时无明显变化,此后纵波速度随倾角增大而增大。

水岩作用下花岗岩裂隙剪切力学特性演化规律

为研究水岩作用对花岗岩裂隙剪切力学特性的影响,分别对干燥和不同浸水时长条件下的花岗岩裂隙试样进行了室内直剪试验。结果表明:峰值抗剪强度、剪切刚度随浸水时长的增长而减小;峰值剪位移随浸水时长的增长而增大;剪胀效应随浸水时长的增长而减弱;剪切损伤体积随浸水时长的增长而增大。采用三维蓝光扫描仪获得了裂隙面剪切前后的形貌特征,分析了剪切损伤体积随浸水时长的演化规律,提出了考虑浸水时长条件下的粗糙裂隙剪切体积模型。此外,还分别进行了干燥、浸水12个月两种工况下的花岗岩纳米压痕试验。相比干燥试样,浸泡12个月后试样的最大压入深度和塑性变形都明显增大,长时间浸水后花岗岩试样纳米硬度和Young’s模量明显降低,即裂隙凸起体更容易破坏。

花岗岩单一裂隙中Na、Cu、U的迁移试验

花岗岩作为高放废物处置库的地质屏障,其所含裂隙形成大量＂通道＂为废物在地下水运移提供条件,研究其迁移规律可为管控高放废物等问题提供理论数据。试验使用自制花岗岩裂隙溶质迁移试验设备,进行了以Na、Cu、U为示踪剂的迁移试验,得出以下结论：（1）裂隙中各示踪剂随迁移距离增加,相对浓度峰值逐渐减小,峰面积逐渐增大,时间-相对浓度曲线＂缩首＂现象减弱且＂拖尾＂现象明显;（2）对比三种示踪剂迁移曲线发现,曲线＂缩首＂现象程度U〉Na〉Cu,曲线＂拖尾＂现象程度Cu〉Na〉U;推测出花岗岩对三种示踪剂阻滞作用Cu〉Na〉U;（3）使用配线法分别求出Na、Cu、U的纵向弥散度分别为：0.084 2～0.107 7m、0.092 1～0.116 2m、0.095 8～0.133 7m;横向弥散度为：0.000 77m、0.000 66m、0.000 30m。

预制裂隙花岗岩的裂纹起裂机理试验研究

为了探究含裂隙花岗岩材料的裂纹起裂机理,以取自三山岛金矿的花岗岩为研究对象,利用金刚石砂线切割机对试件预制不同倾角的裂隙。采用声发射与表面应变监测等手段,并基于最大畸变能理论对单轴压缩条件下裂隙花岗岩的裂纹起裂强度、起裂角以及裂纹扩展路径进行试验与计算。试验结果表明,岩石强度随裂隙倾角的增加呈非线性变化规律,裂隙倾角与加载方向一致时,试件峰值强度最大。裂纹起裂均位于预制裂隙尖端,裂纹起裂角随预制裂隙倾角的增加而单调增加;裂纹起裂强度的变化特征与岩石峰值强度相似,均呈现先降低后增加的规律。当0°<β<90°时,裂隙尖端产生翼型裂纹,随着外荷载增加,反翼型裂纹产生并导致试件失稳破坏;β=0°时,起裂裂纹与裂隙近似平行但未持续扩展,试件呈显著地压剪破坏;β=90°时,裂隙端部受张拉应力作用生成与裂隙近似垂直的张拉裂纹。通过声发射振铃计数突变特征与应力-时间曲线判断,当裂隙倾角β为45°时,起裂强度最小,仅为峰值应力的40%,此类岩石在较低荷载作用下发生破裂,岩石破裂为渐进式,裂纹扩展速度相对较慢;相比之下,裂隙倾角β为0°和90°时,起裂强度较高,岩石的破裂过程较为迅速,裂纹在较高应力作用下起裂并快速扩展导致岩石破坏,呈现出明显的脆性破坏特征,岩石破裂的预判难度较大。以最大畸变能理论为依据的计算结果表明,复合型裂隙的起裂角与裂隙倾角呈单调增加的关系,与最大周向拉应力准则相比,理论计算与试验值吻合程度更高。最大畸变能理论可用于判断单轴加载条件下单裂隙岩石的起裂特征。

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中"数据有限"的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力-应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。

支撑剂对单裂隙花岗岩的渗流特性与热交换影响试验研究

裂隙岩体地热资源的开发过程主要涉及裂隙渗流与热量交换两方面的问题。针对这2个问题,从室内试验出发,以平直裂隙、粗糙单裂隙花岗岩岩样为研究对象,分析支撑剂在不同渗压、围压与温度条件下对单裂隙花岗岩的导水特性和能量交换率的影响。试验结果表明:平直裂隙与粗糙裂隙的等效水力开度和水力传导系数均随渗压的增加而不断增大,随围压和温度的升高而降低,在同一条件下,平直裂隙的等效水力开度和水力传导系均略低于粗糙裂隙。支撑剂对粗糙裂隙的导流能力有着显著的提升,当增大渗压时,4组粗糙裂隙水力传导系数为1.25～2.45mm/s,而添加支撑剂后,其水力传导系数为15.30～28.64mm/s,经计算可知,含支撑剂裂隙水力传导系数是粗糙裂隙岩样的9～16倍;当增大围压和温度时,虽然粗糙以及含支撑剂裂隙水力传导系数均不断减小。但含支撑剂裂隙的水力传导系数仍比未添加支撑剂的粗糙裂隙大一个数量级以上。最后,对3种裂隙岩样的热交换效率进行分析,得出支撑剂裂隙岩样的能量交换率是平直裂隙、粗糙裂隙的9～33倍。