Dissertation/ Thesis

Analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials for nuclear waste storage

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
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
FullText Text:
  Availability: 0
CustomLinks:
  – Url: https://hdl.handle.net/10803/698265#
    Name: EDS - TDX (ns324271)
    Category: fullText
    Text: View record in TDX
Header DbId: edstdx
DbLabel: TDX
An: edstdx.10803.698265
RelevancyScore: 1435
AccessLevel: 3
PubType: Dissertation/ Thesis
PubTypeId: dissertation
PreciseRelevancyScore: 1435.10974121094
IllustrationInfo
Items – Name: Title
  Label: Title
  Group: Ti
  Data: Analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials for nuclear waste storage
– Name: Author
  Label: Authors
  Group: Au
  Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Rodríguez+Romero%2C+Carlos+Eduardo%22">Rodríguez Romero, Carlos Eduardo</searchLink>
– Name: Author
  Label: Contributors
  Group: Au
  Data: University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental
– Name: Author
  Label: Thesis Advisors
  Group: Au
  Data: Vaunat, Jean<br />Gens Solé, Antonio
– Name: TitleSource
  Label: Source
  Group: Src
  Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
– Name: Publisher
  Label: Publisher Information
  Group: PubInfo
  Data: Universitat Politècnica de Catalunya, 2026.
– Name: DatePubCY
  Label: Publication Year
  Group: Date
  Data: 2026
– Name: PhysDesc
  Label: Physical Description
  Group: PhysDesc
  Data: 251 p.
– Name: Subject
  Label: Subject Terms
  Group: Su
  Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22bentonite%22">bentonite</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22double-structure%22">double-structure</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22hydro-mechanical+coupling%22">hydro-mechanical coupling</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22friction%22">friction</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22microstructure%22">microstructure</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22swelling+pressure%22">swelling pressure</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22water+retention%22">water retention</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22density+evolution%22">density evolution</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22repository%22">repository</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22modelling%22">modelling</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22bentonita%22">bentonita</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22doble+estructura%22">doble estructura</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22acoplamiento+hidro-mecánico%22">acoplamiento hidro-mecánico</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22fricción+interfacial%22">fricción interfacial</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22microestructura%22">microestructura</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22presión+de+hinchamiento%22">presión de hinchamiento</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22retención+de+agua%22">retención de agua</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22evolución+de+densidad%22">evolución de densidad</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22repositorio%22">repositorio</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22modelización%22">modelización</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22acoblament+hidro-mecànic%22">acoblament hidro-mecànic</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22fricció+interfacial%22">fricció interfacial</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22pressió+de+dilatació%22">pressió de dilatació</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22retenció+d%27aigua%22">retenció d’aigua</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22evolució+de+densitat%22">evolució de densitat</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22dipòsit%22">dipòsit</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22modelització%22">modelització</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+civil%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22624+-+Enginyeria+civil+i+de+la+construcció+en+general%22">624 - Enginyeria civil i de la construcció en general</searchLink>
– Name: Abstract
  Label: Description
  Group: Ab
  Data: (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.
– Name: Abstract
  Label: Description (Translated)
  Group: Ab
  Data: (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.<br />(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.<br />DOCTORAT EN ENGINYERIA DEL TERRENY (Pla 2012)
– Name: TypeDocument
  Label: Document Type
  Group: TypDoc
  Data: Dissertation/Thesis
– Name: Format
  Label: File Description
  Group: SrcInfo
  Data: application/pdf
– Name: Language
  Label: Language
  Group: Lang
  Data: English
– Name: DOI
  Label: DOI
  Group: ID
  Data: 10.5821/dissertation-2117-473483
– Name: URL
  Label: Access URL
  Group: URL
  Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="https://hdl.handle.net/10803/698265" linkWindow="_blank">https://hdl.handle.net/10803/698265</link><br /><link linkTarget="URL" linkTerm="https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-473483" linkWindow="_blank">https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-473483</link>
– Name: Copyright
  Label: Rights
  Group: Cpyrght
  Data: 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/<br />info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
– Name: AN
  Label: Accession Number
  Group: ID
  Data: edstdx.10803.698265
PLink https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.698265
RecordInfo BibRecord:
  BibEntity:
    Identifiers:
      – Type: doi
        Value: 10.5821/dissertation-2117-473483
    Languages:
      – Text: English
    PhysicalDescription:
      Pagination:
        PageCount: 251
    Subjects:
      – SubjectFull: bentonite
        Type: general
      – SubjectFull: double-structure
        Type: general
      – SubjectFull: hydro-mechanical coupling
        Type: general
      – SubjectFull: friction
        Type: general
      – SubjectFull: microstructure
        Type: general
      – SubjectFull: swelling pressure
        Type: general
      – SubjectFull: water retention
        Type: general
      – SubjectFull: density evolution
        Type: general
      – SubjectFull: repository
        Type: general
      – SubjectFull: modelling
        Type: general
      – SubjectFull: bentonita
        Type: general
      – SubjectFull: doble estructura
        Type: general
      – SubjectFull: acoplamiento hidro-mecánico
        Type: general
      – SubjectFull: fricción interfacial
        Type: general
      – SubjectFull: microestructura
        Type: general
      – SubjectFull: presión de hinchamiento
        Type: general
      – SubjectFull: retención de agua
        Type: general
      – SubjectFull: evolución de densidad
        Type: general
      – SubjectFull: repositorio
        Type: general
      – SubjectFull: modelización
        Type: general
      – SubjectFull: acoblament hidro-mecànic
        Type: general
      – SubjectFull: fricció interfacial
        Type: general
      – SubjectFull: pressió de dilatació
        Type: general
      – SubjectFull: retenció d’aigua
        Type: general
      – SubjectFull: evolució de densitat
        Type: general
      – SubjectFull: dipòsit
        Type: general
      – SubjectFull: modelització
        Type: general
      – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil
        Type: general
      – SubjectFull: 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general
        Type: general
    Titles:
      – TitleFull: Analysis of coupled hydro-mechanical processes in double-structure geomaterials for nuclear waste storage
        Type: main
  BibRelationships:
    HasContributorRelationships:
      – PersonEntity:
          Name:
            NameFull: Rodríguez Romero, Carlos Eduardo
    IsPartOfRelationships:
      – BibEntity:
          Dates:
            – D: 19
              M: 02
              Type: published
              Y: 2026
ResultId 1