考虑热-水-力-损伤耦合的COx黏土岩非线性本构模型及其在深部地质处置中的应用

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Advanced thermo-hydro-mechanical modelling of Callovo-Oxfordian claystone: Temperature effects and multi-scale applications for geological disposal safety

本文针对高放废物地质处置中COx黏土岩的热-水-力-损伤耦合行为，提出了一种先进的非线性本构模型。该模型整合了弹塑性、损伤与蠕变机制，能够精确描述深部地质环境下围岩的复杂响应，为处置库的长期安全性评估提供了关键理论工具。

　　

深部地质处置是高放废物安全管理的终极方案，而宿主岩体的长期力学行为是决定处置库稳定性的关键。在法国，Callovo-Oxfordian（COx）黏土岩被选为深地质处置库的候选围岩，其独特的热-水-力-化学（THMC）耦合特性引起了广泛研究。然而，COx黏土岩在开挖扰动、热负荷以及长期演化过程中表现出高度复杂的力学行为，包括非线性变形、损伤演化以及时间依赖性蠕变，这对传统本构模型提出了严峻考验。现有模型往往难以同时捕捉其各向异性、损伤软化与蠕变硬化等关键特征，限制了我们对处置库长期安全性的准确预测。

为解决这一挑战，研究人员在《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》上报道了一项研究，旨在开发一个能够全面描述COx黏土岩THM耦合行为的先进本构模型。该模型的核心在于将弹塑性理论、连续损伤力学和黏塑性理论相结合，以刻画材料从峰值强度到残余强度的完整力学路径，并充分考虑其固有的各向异性以及热-水-力耦合效应。

研究采用了理论推导与数值实现相结合的方法。关键技术方法包括：1）构建了一个基于Hoek-Brown准则的各向异性弹塑性框架，用于描述峰值前和峰值后的力学行为；2）引入了连续损伤变量来量化微裂纹的萌生与扩展，从而反映材料的软化行为；3）结合了Perzyna过应力理论或Lemaitre模型扩展形式的黏塑性模型，用以模拟与时间相关的蠕变变形；4）模型参数通过对ANDRA数据库中海量实验室试验数据（如三轴压缩、蠕变试验）的系统识别与验证来确定；5）利用COMSOL Multiphysics等商业软件进行数值实现，以模拟实际地质处置库条件下的岩体响应。

研究结果

1. 短期力学响应

通过分析三轴压缩、侧向卸压和拉伸试验数据，研究发现COx黏土岩在低偏应力下呈现线弹性行为，从约50%峰值强度开始出现应变硬化，且在低围压（σ₃< 25 MPa）下表现出明显的应变软化。峰值后行为由剪切带或宏观裂纹控制，导致纯粹的摩擦残余行为。材料的强度包络线能很好地用Hoek-Brown准则描述，其参数（m, s, σ_c）通过大量实验数据标定。

2. 损伤与软化机制

研究表明，在低围压条件下，COx黏土岩的破坏伴随着显著的损伤演化。本研究采用各向同性连续损伤变量（d）来表征这一过程，该损伤变量由热力学力（Y_d）驱动，并采用Mazars模型的形式。损伤导致材料刚度和强度的退化，模型通过残余损伤参数（d_res）来区分脆性断裂和韧性流动的过渡。

3. 时间依赖性行为（蠕变）

长期试验和现场观测均证实COx黏土岩存在明显的时间效应。本研究采用了一个基于黏塑性理论的蠕变模型，其黏塑性应变率与偏应力的n次幂和等效黏塑性应变的m次幂相关。模型引入了蠕变阈值（q₀）的概念，即只有当偏应力超过该阈值时，显著的蠕变变形才会发生。这解释了现场地应力测量中存在的初始偏应力可能处于稳定状态的现象。

4. 各向异性表征

COx黏土岩具有横观各向同性的特性，其弹性模量、强度和渗透性均表现出各向异性。平行于层理方向的杨氏模量通常比垂直方向高1.2-2倍，渗透性也高出2-3倍。本研究通过微观结构张量（A_ij）的方法来引入各向异性，使得峰值强度、残余强度等参数随加载方向相对于层理面的角度（α）而变化，与实验观察一致。

5. 热-水-力耦合

模型考虑了温度对岩石物理性质（如孔隙度）的影响，以及流体渗流与固体变形之间的双向耦合作用（Biot理论）。虽然温度引起的孔隙度变化在本文讨论的范围内被认为较小，但模型框架为进一步研究热孔隙弹性效应奠定了基础。

结论与讨论

本研究成功开发并阐述了一个用于COx黏土岩的先进热-水-力-损伤耦合本构模型。该模型的主要意义在于其综合性和实用性。首先，它统一描述了材料从弹性、塑性硬化、损伤软化到残余摩擦以及时间依赖蠕变的完整力学行为，克服了以往模型往往只侧重某一方面的局限性。其次，模型通过引入微观结构张量等方法，有效地捕捉了材料固有的和各向异性的力学特性，这对于准确预测不同开挖方向围岩的响应至关重要。最后，模型的参数均来源于大量且可靠的实验数据，并已在COMSOL等通用有限元平台上实现，使其能够直接应用于实际地质处置库的大型数值模拟中，为评估开挖损伤区（EDZ）的演化、长期闭合以及整体系统安全性提供了强有力的分析工具。

总之，这项研究不仅深化了对COx黏土岩复杂力学行为的理解，而且为高放废物地质处置库的长期性能和安全评估提供了关键的理论模型和数值工具，对推进深部地质处置技术的发展具有重要的科学意义和工程价值。模型的进一步验证和应用于真实地质条件下的情景分析将是未来工作的重点。