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高放废物处置库围岩热力响应的半解析模型与时空分布特征研究

高放废物处置；热弹性力学；时变热源；半解析；边界元

温度场、位移场与应力场的长期时空分布特征是高放废物处置库围岩安全性能评估、处置容量大小预测以及处置容器布局优化的重要依据。将处置容器里的高放废物视为沿处置容器轴线均匀分布的时变线热源，采用镜像法处理地表温增等于零的温度边界条件，利用Green函数基础解和Simpson积分法计算由温度梯度引起的温度位移和应力，应用Cerruti基础解和边界元积分法估算由残余剪应力诱发的约束位移和应力，分别叠加两种位移和应力，得到总热位移和应力，从而建立了围岩热力响应半解析模型，通过与多重屏障有限元数值模型对比验证了半解析模型的合理性，分析了围岩温增、热位移与热应力的时空分布特征，探讨了处置孔间距对围岩热应力的影响。算例分析表明：随着时间推移，围岩温增、热位移和应力先增大后减小，峰值速率随着围岩与处置容器间距离的减小而增大；在5 m处置孔间距和48 m处置巷道布局方案下，处置区中心处置孔壁面在第20年产生55 ℃级温增，处置巷道之间围岩分别在第20、5年出现20 MPa级水平热压应力和1 MPa级竖向热拉应力，处置区边界围岩分别在第50、600年形成2 MPa级热剪应力和30 mm级水平热位移；在处置区面积和处置容量都不变的条件下，缩小处置孔间距，处置区中心处置孔壁面热应力增大，竖向热应力峰值增幅大于水平热应力峰值增幅，而峰值时间变化反之。