耦合温度—应力条件下深部花岗岩的蠕变损伤模型

深部地下岩石为何重要

在我们脚下深处，工程师计划将最危险的核废料存放在开凿于坚硬花岗岩中的隧道里。这些岩石必须在数万年内安全承受放热废料而不发生开裂或坍塌。但花岗岩并非完全刚性：在恒定荷载和升温条件下，它会随时间缓慢蠕变并逐渐软化。本研究提出了一个简单却至关重要的问题：在高温与重载共同作用下，花岗岩如何逐步失效？我们能否用一个足够可靠的数学模型来描述这种行为，从而为深部地质处置库的设计提供指导？

热岩的缓慢挤压

在深部处置库中，隧道周围的花岗岩承受两类主要作用力。其一，覆盖岩体的自重在各个方向产生高强度的围压。其二，放射性废料不断释放热量，使周围花岗岩远高于常规地下温度。热与压共同引起非常缓慢且不可逆的变形，称为蠕变。起初岩体会快速调整，随后进入长时间的近稳态应变阶段，最后可能进入失控阶段，裂缝连通并加速失效。把握这三个阶段的演化对于预测隧道在数十年或数百年间的变形量至关重要。

追踪热与应力引起的损伤

作者构建了一个新的蠕变模型，将花岗岩视为由许多微小单元组成的集合体，每个单元都可能受到温度和应力的损伤。热促进晶粒界面处的微裂纹生成，并削弱矿物晶体之间的粘结。应力在达到一定阈值后，则驱动这些微裂纹扩展并相互连接。模型引入了三种损伤度量：一种用于温度损伤，一种用于应力损伤，一种用于捕捉两者的耦合效应。这些损伤度量用来削弱岩石的弹性“弹簧式”响应和粘性“阻尼器式”时效响应，使这些数学元件能模拟真实花岗岩在加热和蠕变过程中的软化与变形行为。

从简单元件到整体岩体行为

为构建逼真的行为描述，研究以岩石力学中广泛使用的经典机械类比为起点，在该类比中弹簧与阻尼器的串并联用于描述弹性、迟滞和不可逆变形。作者将这些理想化元件替换为随损伤累积而演化的版本，并将方法从一维加载扩展到完整的三维地下应力状态。常用的岩体破坏准则——Drucker–Prager准则——被修改，使得关键强度参数——晶粒间黏聚力和裂面摩擦——随着热与应力损伤的增长平滑下降。这样，“屈服面”（即稳定蠕变与加速失效之间的边界）会随时间收缩，而不再保持固定。

用真实花岗岩检验模型

团队使用来自中国北山地区约半公里深处的花岗岩进行三轴蠕变试验来验证框架，该地区是高放废料处置的候选场址。圆柱形试样在恒定围压下以轴向加载，分别在三种温度下测试：室温（23 °C）、中等温度（50 °C）和高温（90 °C）。在较高温度下，花岗岩表现出更大的瞬时变形、更快的稳定蠕变速度以及更早进入加速阶段。作者采用两步拟合方法，先用全局搜索算法再用精调的最小二乘法对参数进行标定，使模拟的蠕变曲线与试验高度一致，统计拟合优度超过99%，尤其是在许多旧模型表现欠佳的快速末期阶段。

对地下安全的意义

该模型表明，升温大幅加速内部损伤，并通过同时削弱黏聚力和摩擦显著降低花岗岩的剪切强度。在最高测试温度下，计算得到的摩擦角几乎消失，意味着岩石沿裂面滑动的阻力可能大幅丧失。对于核废料处置库和其他深部高温开挖工程的设计者来说，这些发现强调了温度并非次要因素；它从根本上改变了深部花岗岩蠕变与失效的时空演化。尽管还需进一步研究更宽的温度范围、水流和化学效应，该研究为预测人类所建高要求地下环境中岩体长期稳定性提供了一个基于物理的工具。

引用: Hu, J., Shi, J., Wu, J. et al. Creep damage model of deep granite under coupled temperature-stress conditions. Sci Rep 16, 14004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44291-0

关键词: 花岗岩蠕变, 地质核废料贮存, 热应力损伤, 岩体稳定性, 深部地下工程