Dissertation/ Thesis
Analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials for nuclear waste storage
| Τίτλος: | Analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials for nuclear waste storage |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Rodríguez Romero, Carlos Eduardo |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Vaunat, Jean, Gens Solé, Antonio |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 251 p. |
| Θεματικοί όροι: | bentonite, double-structure, hydro-mechanical coupling, friction, microstructure, swelling pressure, water retention, density evolution, repository, modelling, bentonita, doble estructura, acoplamiento hidro-mecánico, fricción interfacial, microestructura, presión de hinchamiento, retención de agua, evolución de densidad, repositorio, modelización, acoblament hidro-mecànic, fricció interfacial, pressió de dilatació, retenció d’aigua, evolució de densitat, dipòsit, modelització, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general |
| Περιγραφή: | (English) The safe long-term isolation of high-level radioactive waste requires engineered barriers capable of maintaining low permeability and mechanical stability under complex thermo-hydro-mechanical (THM) conditions. Among candidate materials, compacted bentonite exhibits a distinctive double-structure behaviour, governed by the coexistence of micro- and macro-porous domains. This thesis focuses on the analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials, with particular attention to bentonite mixtures of blocks and pellets, as used in buffer systems for deep geological repositories. The research first reviews the geomechanical basis of double-structure soils and identifies the experimental evidence supporting their dual-porosity nature. A constitutive THM framework is then developed, extending the existing double-structure formulation to incorporate: (i) the parameter ακ to control microstructural deformation; (ii) a fabric-dependent structuration law to represent the memory and degradation of compression; and (iii) frictional resistance at block–pellet and block–wall interfaces. The model was implemented and calibrated using laboratory and mock-up experiments from the BEACON project, including the MGR22, MGR23, and MGR27 experiments, the EPFL path-dependent tests and the POSIVA test. Numerical simulations successfully reproduced the evolution of swelling pressure, void ratio, dry density, water content and water intake observed experimentally. The results confirmed that friction plays a decisive role in the redistribution of stresses between pellets and blocks, while microstructural evolution governs the long-term homogenisation process. The enhanced formulation captured partial density homogenisation and the persistence of microstructural porosity, in agreement with laboratory observations. Overall, the thesis provides an improved understanding of the coupled hydro-mechanical behaviour of double-structure bentonites and proposes a robust constitutive framework capable of reproducing their key features under repository-relevant conditions. The work highlights the necessity of considering both microstructural evolution and frictional effects in predictive models for bentonite barriers, thus contributing to the reliability of long-term safety assessments of deep geological repositories. |
| Description (Translated): | (Català) L’aïllament segur i a llarg termini dels residus radioactius d’alta activitat requereix l’ús de barreres d’enginyeria capaces de mantenir una baixa permeabilitat i una estabilitat mecànica adequada sota condicions termo-hidro-mecàniques (THM) complexes. Entre els materials candidats, la bentonita compactada presenta un comportament característic de doble estructura, governat per la coexistència de dominis micro i macroporosos. Aquesta tesi se centra en l’anàlisi dels processos acoblats hidro-mecànics en geomaterials de doble estructura, amb especial atenció a les mescles de blocs i grànuls de bentonita emprades en els sistemes de barrera dels dipòsits geològics profunds. La recerca revisa primer les bases geomecàniques dels sòls de doble estructura i identifica l’evidència experimental que confirma la seva naturalesa de doble porositat. Posteriorment, es desenvolupa un marc constitutiu THM ampliat, que incorpora: (i) el paràmetre ακ per controlar la deformació microestructural; (ii) una llei d’estructuració dependent de la fàbrica del material per representar la memòria i degradació de compresió; i (iii) la resistència friccional a les interfícies bloc–grànul i bloc–paret. El model es va implementar i calibrar utilitzant dades experimentals de laboratori i de maquetes a escala reduïda provinents del projecte BEACON, incloent-hi els experiments MGR22, MGR23 i MGR27, els assaigs de trajectòries diferents de l’EPFL i l’assaig POSIVA. Les simulacions numèriques van reproduir amb èxit l’evolució de la pressió de dilatació, la relació de buits, la densitat seca, el contingut i l’entrada d’aigua observats experimentalment. Els resultats van confirmar que la fricció té un paper decisiu en la redistribució d’esforços entre blocs i grànuls, mentre que l’evolució microestructural governa el procés d’homogeneïtzació a llarg termini. La formulació millorada va captar la homogeneïtzació parcial de densitat i la persistència de la porositat microestructural, en coherència amb les observacions de laboratori. En conjunt, la tesi aporta una comprensió més profunda del comportament hidro-mecànic acoblat de les bentonites de doble estructura i proposa un marc constitutiu robust capaç de reproduir-ne les característiques essencials sota condicions representatives d’un dipòsit. El treball posa de manifest la necessitat de considerar tant l’evolució microestructural com els efectes de fricció en els models predictius de barreres de bentonita, contribuint així a la fiabilitat de les avaluacions de seguretat a llarg termini dels dipòsits geològics profunds. (Español) El aislamiento seguro y a largo plazo de los residuos radiactivos de alta actividad requiere el uso de barreras de ingeniería capaces de mantener una baja permeabilidad y una estabilidad mecánica adecuada bajo condiciones termo-hidro-mecánicas (THM) complejas. Entre los materiales candidatos, la bentonita compactada presenta un comportamiento característico de doble estructura, gobernado por la coexistencia de dominios micro y macroporosos. Esta tesis se centra en el análisis de los procesos acoplados hidro-mecánicos en geomateriales de doble estructura, con especial atención a las mezclas de bloques y gránulos de bentonita empleadas en los sistemas de barrera para los repositorios geológicos profundos. La investigación revisa en primer lugar las bases geomecánicas de los suelos de doble estructura e identifica la evidencia experimental que respalda su naturaleza de doble porosidad. Posteriormente, se desarrolla un marco constitutivo THM ampliado, que incorpora: (i) el parámetro ακ para controlar la deformación microestructural; (ii) una ley de estructuración dependiente de la fábrica del material para representar la memoria y degradación por compresión; y (iii) la resistencia friccional en las interfaces bloque–gránulo y bloque–pared. El modelo se implementó y calibró utilizando datos experimentales de laboratorio y de maquetas a escala reducida procedentes del proyecto BEACON, incluyendo los experimentos MGR22, MGR23 y MGR27, los ensayos de diferentes trayectorias de EPFL y el ensayo POSIVA. Las simulaciones numéricas reprodujeron con éxito la evolución de la presión de hinchamiento, la relación de vacíos, la densidad seca, el contenido y la entrada de agua observados experimentalmente. Los resultados confirmaron que la fricción desempeña un papel decisivo en la redistribución de esfuerzos entre bloques y gránulos, mientras que la evolución microestructural gobierna el proceso de homogeneización a largo plazo. La formulación mejorada capturó la homogeneización parcial de densidad y la persistencia de la porosidad microestructural, en consonancia con las observaciones de laboratorio. En conjunto, la tesis proporciona una comprensión más profunda del comportamiento hidro-mecánico acoplado de las bentonitas de doble estructura y propone un marco constitutivo robusto capaz de reproducir sus características esenciales bajo condiciones representativas de un repositorio. El trabajo pone de manifiesto la necesidad de considerar tanto la evolución microestructural como los efectos de fricción en los modelos predictivos de barreras de bentonita, contribuyendo así a la fiabilidad de las evaluaciones de seguridad a largo plazo de los almacenes geológicos profundos. DOCTORAT EN ENGINYERIA DEL TERRENY (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-473483 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698265 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-473483 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698265 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-473483 |
|---|