本项目使用的Itasca软件 

项目简介

乏燃料的长期储存对于核能工业而言至关重要。瑞典核燃料和核废料管理公司（Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company，以下简称“SKB公司”）正在研究一种将乏燃料储存于坚硬结晶岩层地下储存库中的方法。研究过程中面临一个设计挑战，即钻孔壁上产生的应力可能大于岩体强度，从而导致钻孔周围形成开挖损伤区（excavation damage zone，以下简称EDZ）。在坚硬的结晶岩中，EDZ以剥落的形式出现于开挖边界。为了评估其对储存库性能的影响，需对此破坏过程进行深入研究。

为更好地理解这一破坏过程，在位于Äspö的 SKB公司地下硬岩实验室中，对Äspö闪长岩钻了两个钻孔并进行了原位测试。对分隔钻孔的支柱进行了测试和监测。

为进一步研究损伤过程，研究人员引入了数值模拟分析技术。

Itasca项目职能

在本项目的数值分析工作中，Itasca工程师分别采用岩土高级颗粒流分析软件包PFC2D、PFC3D以及FLAC3D-PFC3D耦合技术对钻孔及其间的岩柱进行了模拟。工程师分别采用二维及三维的平滑节理模型对Äspö结晶闪长岩进行了模拟，评估了PFC软件中平滑节理材料接触模型（flat-jointed material contact model）实现剥落模拟的适用性。

图1. 采用FLAC3D-PFC3D软件耦合模型模拟因开挖引起的位移

项目结果

通过评估用于模拟剥落过程的PFC平滑节理材料模型，获得以下结果：

• 剥落过程可采用PFC3D平滑节理模型模拟； 
• FLAC3D-PFC3D耦合钻孔模型在耦合界面上呈现出协调的位移场（图1）。采用耦合方式进行模拟能大幅提高计算速度，使得计算能在合理时间内完成；
• 该模型模拟的损伤包含一个剥落区及两个损伤破坏片区，如图2所示。剥落区对应于缺口形成前岩体屈服的早期阶段。

图2. 显示开挖后损伤的平面应变切片，厚度为4个颗粒，裂纹进行了放大显示。

参考文献

Potyondy, D., and Mas Ivars, D. (2020) “Simulating spalling with a flat-jointed material,” Applied Numerical Modeling in Geomechanics 2020 (Proceedings, 5th International Itasca Symposium, February 2020), paper 03-01. Minneapolis, Minnesota: Itasca