The present study developed a sequential approach-based numerical simulator for modeling coupled thermal-hydrological-mechanical (THM) processes in the ground and investigated the computational performance of the coupling analysis algorithm. The present sequential approach linked the two different solvers: an open-source numerical code, OpenGeoSys for solving the thermal and hydrological processes in porous media and a commercial code, FLAC3D for solving the geomechanical response of the ground. A benchmark test of the developed simulator was carried out using a THM problem where an analytical solution is given. The benchmark problem involves the coupled behavior (variations in temperature, pore pressure, stress, and deformation with time) of a fully saturated porous medium which is subject to a point heat source. The results of the analytical solution and numerical simulation were compared and the validity of the numerical simulator was investigated.
Severe damage can occur around deposition holes due to complex interaction of thermo-hydro-mechanical (THM) loading during the long term operation of high level radioactive waste repository. Many candidate sites for repository are located in crystalline rock mass, therefore mechanism of damage follows the form of brittle fracture and failure. This paper briefly introduces major outcomes from 15 years international collaborative project, DECOVALEX, and presents major study results for current ongoing benchmark test study from DECOVALEX-THMC, to evaluate the effect of THM loading to rock mass in excavation damaged zone (EDZ) near deposition holes. Through benchmark test model by simplifying THM loading to boundary loading obtained numerical results are compared, and discrete fracture interaction after up to 1 million years operation is discussed.
Kim, Hyung-Mok;Park, Eui-Seob;Shen, Baotang;Synn, Joong-Ho;Kim, Taek-Kon;Lee, Seong-Cheol;Ko, Tae-Young;Lee, Hee-Suk;Lee, Jin-Moo
Tunnel and Underground Space
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v.21
no.1
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pp.66-81
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2011
In this study, it was aimed to develop a thermal-hydraulic-mechanical coupled fracture mechanics code that models a fracture initiation, propagation and failure of underground rock mass due to thermal and hydraulic loadings. The development was based on a 2D FRACOD (Shen & Stephasson, 1993), and newly developed T-M and H-M coupled analysis modules were implemented into it. T-M coupling in FRACOD employed a fictitious heat source and time-marching method, and explicit iteration method was used in H-M coupling. The validity of developed coupled modules was verified by the comparison with the analytical result, and its applicability to the fracture initiation and propagation behavior due to temperature changes and hydraulic fracturing was confirmed by test simulations.
Characteristic behaviors of geo-structure during freezing and thawing process have to be understood based on fundamental knowledge on phase change in porous soil and interaction between soil and structure. Inversion analysis using published one-dimensional soil freezing tests was conducted to suggest a mechanical model to consider an effect of the ice saturation on Young's modulus. Silty soil was more sensitive to temperature than weathered granite soil and sand, and weathered granite soil was more affected by initial water saturation in stiffness decrease than silty soil. Numerical simulations on chilled gas pipeline showed that shielding effect from surrounding frozen zone around the pipe decreases impact from external load onto the pipe. And a pipe installed in sand backfill showed more heaving due to relatively low stiffness of sand during freezing than that of surrounding in-situ weather granite soil. However, it had more stable stress condition due to effective stress redistribution from external load.
In order to understand response of geo-structures to the freezing-thawing process in the ground, it is necessary to consider phase change of the pore water of the ground and also to understand soil interaction with structures. In this study, numerical analysis was carried out for freezing and thawing effect on the modular road system. Neumann's theoretical equation for freezing-thawing processes in porous media can be used to estimate frozen depth and heaving from basic soil properties and ground and surface temperature, but its application is limited to the case for the sediment with fully saturated condition and zero unfrozen water content. Numerical analysis of the modular road system was performed on various soil types and different ground water table as the varying freezing index. The amount of heaving in the silty soil was much larger than those in granite weathered soil or sandy soil, and lowering groundwater level reduced ground heaving induced by freezing. Numerical analysis for temperature history of the ground surface predicted residual heaving near the surface by the freeze-thaw process in silty soil. It ought to reduce stiffness and bearing capacity of the ground so that it will impair stability and serviceability of new road system. However, the amount of residual heaving was insignificant for the road system installed in weathered soil granite and sandy soil. Since modular road system is a pavement structure mounted on the supporting substructure unlike the prevalent road pavement system, strict criteria should be applied for uniform and differential settlement of the pavement system.
Ground-coupled heat pump system has attracted attention as a promising renewable energy technology due to its improving energy efficiency and eco-friendly mechanism for space cooling and heating. Pipes buried in the ground play a role of direct thermal interaction between circulating fluid inside the pipe and surrounding soils in the geothermal exchange system. However, both complexities of turbulent flow coupling thermal-hydraulic phenomena and very long aspect ratio of the pipe make it difficult to model the heat exchange system directly. Energy balance for fluid flow inside the pipe was derived to model thermal-hydraulic phenomena, and one-dimensional pipe element was proposed through Galerkin formation and time integration of the equation. Developed element is combined to pre-developed FEM code for THM phenomena in porous media. Numerical results of Thermal Response Test showed that line-source model overestimates equivalent thermal conductivity of surrounding soils due to thermal interaction between adjacent pipes and finite length of the pipe. Thus, inverse analysis for the TRT simulation was conducted to present optimal transformation matrix with utmost convergence.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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