盐岩断裂扩展时间依赖性行为的实验研究与数值模拟分析

研究人员针对盐岩在长期荷载下断裂扩展的时间依赖性行为开展实验研究，通过13组楔形劈裂试验（WST）和9组单轴蠕变试验，揭示了加载速率对盐岩断裂力学性能的显著影响：降低加载速率导致劈裂所需机械功增加而峰值劈裂力降低。研究为含蠕变-断裂耦合的盐岩数值模型验证提供了关键数据集，并通过有限元模拟初步证实时间依赖性主要源于断裂过程区（FPZ）的局部效应。成果对盐岩地下储库长期稳定性评估具有重要指导意义。

　　

盐岩作为地下能源储存和核废料处置的关键介质，其长期稳定性高度依赖于对时间依赖性断裂行为的认知。然而，传统连续介质力学模型难以表征盐岩的局部化断裂和尺寸效应，且现有文献中关于蠕变-断裂耦合机制的研究严重不足。尤其在地下工程领域，盐岩结构可能因延迟开裂而突发破坏，这种"看似稳定却渐进失稳"的特性给长期安全评估带来巨大挑战。

针对这一科学难题，来自西班牙的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了创新性研究。他们采用多尺度实验与数值模拟相结合的方法：首先通过4种加载速率（0.01-5.20 mm/min）的WST测试获取断裂参数，配合3个应力水平（2.5-10 MPa）的单轴蠕变试验表征粘弹性；进而建立包含粘弹性体单元与内聚力模型（CZM）的有限元模型，分离体材料蠕变与断裂过程区（FPZ）的贡献。

材料特性与实验设计
研究选用西班牙埃布罗盆地Cardona组盐岩，其晶体尺寸达2 cm。WST采用150 mm立方体试样，通过楔形装置产生I型断裂，记录裂纹张开位移（COD）与劈裂力（F_H
）。蠕变试验采用?50×100 mm圆柱试样，持续监测7天轴向应变（ε_a
）。

WST实验结果
数据显示加载速率每降低一个数量级，标准化机械功（W/A_f
）平均增加35%，而峰值劈裂力（F_H
^*
/D）降低15%。SEM观察发现断裂面呈现穿晶-绕晶混合破坏模式，伴随显著的FPZ损伤区（1-2 cm宽）。这种速率效应与Silberschmidt的II型断裂韧性测试结果趋势一致，证实了盐岩断裂的时间依赖性本质。

蠕变行为表征
在2.5-10 MPa应力范围内，7天蠕变应变呈现明显非线性：10 MPa时应变（3.7%）远超5 MPa（0.9%）的4倍。这种非线性特征与经典Maxwell链模型的线性假设存在根本冲突，暗示FPZ内可能存在微观应力放大效应。

数值模拟验证
采用校准的粘弹性参数（E_μ
=64-1512 MPa）和内聚力参数（G_f
^I
=420 J/m²
，χ_o
=2.22 MPa），模型成功重现了快速加载（5.2 mm/min）的力-位移曲线。但模拟仅能解释约50%的峰值力速率效应和10%的功耗散变化，强烈表明FPZ内的时变机制（如微裂纹桥接应力再分配）是主导因素。

这项研究首次系统量化了盐岩断裂参数的速率依赖性，建立了包含蠕变-断裂耦合的数值分析框架。其核心价值在于揭示：传统粘弹性模型无法完全解释盐岩断裂的时变行为，未来本构模型必须考虑FPZ内的局部时间效应。这对盐穴储氢库、放射性废物处置库等百年尺度工程的安全设计具有深远意义，为发展新一代时间相关的内聚力模型（CZM）提供了实验基准。研究团队强调，后续工作应聚焦于FPZ微观力学机制的精确定量表征，以及开发能够统一描述蠕变-断裂协同效应的本构理论。