The importance of unsaturated state in various geo-engineering problems has led to the advance of mechanical constitutive model emulating behavior of unsaturated soils in response to thermo-hydro-mechanical loading. Elasto-plastic mechanical constitutive model for unsaturated soil is formulated based on Bishop's effective stress. Effective stress and temperature are main variables in constitutive equation, and incremental formulation of constitutive relationship is derived to compute stress update and stiffness tensor. Numerical simulations involving coupled THM processes are conducted to discuss numerical stability and applicability of developed constitutive model: one-dimensional test, tri-axial compression test, and clay-buffering at high level radioactive waste disposal. Numerical results demonstrated that developed model can predict very complex behavior of coupled THM phenomena and is applicable to geo-engineering problems under various environmental conditions, as well as interpret typical behavior of unsaturated soils.
Thermal-hydro-mechanical (THM) modeling is a critical R&D issue in the performance and safety assessment of a high-level waste repository. With an $\ddot{A}$sp$\ddot{o}$ prototype repository, its thermal behavior was analyzed and then compared with in-situ experimental data for its validation. A model simulation was used to calculate the temperature distributions in the deposition holes, deposition tunnel, and surrounding host rock. A comparison of the simulation results with the experimental data was made for deposition hole DH-6, which showed that there was a temperature difference of $2{\sim}5^{\circ}C$ depending on the location of the measuring points, but there was a similar trend in the evolution curves of temperature as a function of time. It was expected that the coupled modeling of the thermal behavior with the hydro-mechanical behavior in the buffer and backfill of the $\ddot{A}$sp$\ddot{o}$ prototype repository would give a better agreement between the experimental and model calculation results.
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.
Lee, Changsoo;Lee, Jaewon;Kim, Minseop;Kim, Geon Young
Tunnel and Underground Space
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v.30
no.1
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pp.39-62
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2020
In this study, Barcelona Basic Model (BBM) was implemented into TOUGH2-MP/FLAC3D for the numerical analysis of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of unsaturated soils and the prediction of long-term behaviors. Similar to the methodology described in a previous study for the implementation of BBM into TOUGH-FLAC, the User Defined Model (UDM) of FLAC based on the Modified Cam Clay Model (MCCM) and the FISH function of FLAC3D were used to extend the existing MCCM module in FLAC3D for the implementation of BBM into TOUGH2-MP/FLAC3D. In the developed BBM module in TOUGH2-MP/FLAC3D, the plastic strains due to change in suction increase (SI) in addition to mean effective stress are calculated. In addition to loading-collapse (LC) yield surface, suction increase (SI) yield surface is changed by hardening rules in the developed BBM module. Several numerical simulations were conducted to verify and validate the implementation of BBM: using an example presented in the FLAC3D manual for the standard MCCM, simulation results using COMSOL, and experimental data presented in SKB Reports. In addition, the developed BBM analysis module was validated by simultaneously performing a series of modeling tests that were performed for the validation of the Quick tools developed for the purpose of effectively deriving BBM parameters, and by comparing the Quick tools and Code_Bright results reported in a previous study.
We proposed a numerical method to simulate the hydro-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) in the paper. As a part of DECOVALEX-2023 Task G, we verified the method via benchmarks with analytical solutions. DECOVALEX-2023 Task G aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as a group of tetrahedral grains and calculated the interaction of the grains and their interfaces using 3DEC. The micro-parameters of the grains and interfaces were determined by a new methodology based on an equivalent continuum approach. In benchmark modeling, a single fracture embedded in the rock was examined for the effects of fracture inclination and roughness, the boundary stress condition and the applied pressure. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the fracture slip induced by boundary stress condition, the fracture opening induced by fluid injection, the stress distribution variation with fracture inclination, and the fracture roughness effect. In addition, the fracture displacements associated with the opening and slip showed good agreement with the analytical solutions. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.
Nguyen, Phu Tho;Bastidas-Arteaga, Emilio;Amiri, Ouali;Soueidy, Charbel-Pierre El
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.11
no.2
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pp.199-213
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2017
Chloride penetration is among the main causes of corrosion initiation in reinforced concrete (RC) structures producing premature degradations. Weather and exposure conditions directly affect chloride ingress mechanisms and therefore the operational service life and safety of RC structures. Consequently, comprehensive chloride ingress models are useful tools to estimate corrosion initiation risks and minimize maintenance costs for RC structures placed under chloride-contaminated environments. This paper first presents a coupled thermo-hydro-chemical model for predicting chloride penetration into concrete that accounts for realistic weather conditions. This complete numerical model takes into account multiple factors affecting chloride ingress such as diffusion, convection, chloride binding, ionic interaction, and concrete aging. Since the complete model could be computationally expensive for long-term assessment, this study also proposes model simplifications in order to reduce the computational cost. Long-term chloride assessments of complete and reduced models are compared for three locations in France (Brest, Strasbourg and Nice) characterized by different weather and exposure conditions (tidal zone, de-icing salts and salt spray). The comparative study indicates that the reduced model is computationally efficient and accurate for long-term chloride ingress modeling in comparison to the complete one. Given that long-term assessment requires larger climate databases, this research also studies how climate models may affect chloride ingress assessment. The results indicate that the selection of climate models as well as the considered training periods introduce significant errors for mid- and long- term chloride ingress assessment.
In the engineering barriers of high-level radioactive waste disposal, gases could be generated through a number of processes. If the gas production rate exceeds the gas diffusion rate, the pressure of the gas increases and gases could migrate through the bentonite buffer. Because people and the environment can be exposed to radioactivity, it is very important to clarify gas migration in terms of long-term integrity of the engineered barrier system. In particular, it is necessary to identify the hydro-mechanical mechanism for the dilation flow, which is a very important gas flow phenomenon only in medium containing large amounts of clay materials such as bentonite buffer, and to develop and validate new numerical approach for the quantitative evaluation of the gas migration phenomenon. Therefore, in this study, we developed a two-phase flow model considering the mechanical damage model in order to simulate the gas migration in the engineered barrier system, and validated with 1D gas flow modelling through saturated bentonite under constant volume boundary conditions. As a result of numerical analysis, the rapid increase in pore water pressure, stress, and gas outflow could be simulated when the dilation flow was occurred.
Because discontinuity in the rock mass and contact of soil-structure interaction exhibits coupled thermal-hydromechanical (THM) behavior, it is necessary to develop an interface element based on the full governing equations. In this study, we derive force equilibrium, fluid continuity, and energy equilibrium equations for the interface element. Additionally, we present a stiffness matrix of the elastoplastic mechanical model for the interface element. The developed interface element uses six nodes for displacement and four nodes for water pressure and temperature in a two-dimensional analysis. The fully coupled THM analysis for fluid injection into a fault can model the complicated evolution of injection pressure due to decreasing effective stress in the fault and thermal contraction of the surrounding rock mass. However, the result of hydromechanical analysis ignoring thermal phenomena overestimates hydromechanical variables.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.4
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pp.1489-1498
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2013
The monolithically coupled finite element analysis for a deformable unsaturated soil slope is performed to investigate the effect of antecedent rainfall which is assumed by initial conditions varying degree of saturation (36, 51, 77%) in finite element analysis. The distributions of matric suction and deformation on slope surface obtained from numerical simulation show the instability of antecedent rainfall-induced unsaturated soil slope. Moreover, the numerical analysis using Drucker-Prager model can be checked if a soil slope has reached failure (trial failure criterion $f^{tr}$ >0, plastic behavior) or not (trial failure criterion $f^{tr}$ < 0, elastic behavior). It is found that displacement of slope surface layer increases and the matric suction on soil slope decreases with an increase of initial degree of saturation by antecedent rainfall. Especially, the matric suction of the soil slope in dry condition (S=36%) rapidly decreases rather than that in wet condition (S=51%) at the same rainfall duration. The results of the trial failure criterion ($f^{tr}$ > 0) show slope instability in the toe region and surface of the slopes.
Park, Chan-Hee;Kim, Taehyun;Park, Eui-Seob;Jung, Yong-Bok;Bang, Eun-Seok
Tunnel and Underground Space
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v.29
no.6
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pp.468-479
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2019
It is essential to comprehend coupled hydro-mechanical behavior to utilize subsurface for the recent demand for underground space usage. In this study, we developed a new simulator for numerical simulation as a tool for researching to consider the various domestic field and subsurface conditions. To develop the new module, we combined OpenGeoSys, one of the scientific software package that handles fluid mechanics (H), thermodynamics (T), and rock and soil mechanics (M) in the subsurface with FLAC3D, one of the commercial software for geotechnical engineering problems reinforced. In this simulator development, we design OpenGeoSys as a master and FLAC3D as a slave via a file-based sequential coupling. We have chosen Terzaghi's consolidation problem related to single-phase fluid flow at a saturated condition as a benchmark model to verify the proposed module. The comparative results between the analytical solution and numerical analysis showed a good agreement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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