It is necessary to study on thermo-hydro-mechanical effect at rock mass performing project such as radiowaste disposal in deep rock mass. In this study, thermo-hydro-mechanical coupling analysis which is considered interaction and the variation of rock properties induced by temperature increase was performed for the circular shaft when appling temperature of 20$0^{\circ}C$ at the shaft wall. The shaft is diameter of 2 m and under hydrostatic stress of 5 MPa. In the cases, thermal expansion by temperature increase progress from the wall to outward and thermal expansion could induce tensile stress over the tensile strength of rock mass at the wall. When rock properties were given as a function of temperature, thermal expansion increased, tensile stress zone expanded. Lately, water flow is activated by increase of permeability and decrease of viscosity.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.1
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pp.23-41
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2023
Coupled thermo-hydraulic-mechanical (THM) processes are essential for the long-term performance of deep geological disposal of high-level radioactive waste. In this study, a numerical sensitivity analysis was performed to analyze the effect of rock properties on THM responses after the execution of the heater test at the Kamaishi mine in Japan. The TOUGH-FLAC simulator was applied for the numerical simulation assuming a continuum model for coupled THM analysis. The rock properties included in the sensitivity study were the Young's modulus, permeability, thermal conductivity, and thermal expansion coefficients of crystalline rock, rock salt, and clay. The responses, i.e., temperature, water content, displacement, and stress, were measured at monitoring points in the buffer and near-field rock mass during the simulations. The thermal conductivity had an overarching impact on THM responses. The influence of Young's modulus was evident in the mechanical behavior, whereas that of permeability was noticed through the change in the temperature and water content. The difference in the THM responses of the three rock type models implies the importance of the appropriate characterization of rock mass properties with regard to the performance assessment of the deep geological disposal of high-level radioactive waste.
Thermomechanical analysis is conducted on the radioactive repository in deep rock mass considering the in-situ stress, excavation and thermal loading of a radioactive waste. Thermomechanical properties of a discontinuous rock mass are estimated by a theoretical method so called sequential analysis. Using the estimated properties as input for finite element analysis, the influence on temperature distribution and thermal stress is analyzed within the scope of 2-dimensional steady state and transient heat transfer and coupled thermal elastic plastic behaviour. Granitic rock mass is taken for this analysis. The analysis is done for two different rock mass conditions, i.e. continuous-homogeneous and highly jointed conditions, for the purpose of comparison. In the case of steady state, the extent of disturbed zone around the storage tunnel due to the heat production of the spent-fuel canister varies depending on the thermomechanical properties of the rock mass. In the case of transient analyses, the response of the jointed rock mass to the thermal loading after radioactive waste disposal varies significantly with time, resulting in dramatic changes in the both size and location of disturbed zone.
The characteristics of heat conduction for the heat source boundary like an arch shape cavern are different from those for the semi-infinite or circular boundary which can be driven theoretically. A new form of transient heat conduction equation in rock mass around the arch shape cavern is evaluated with analyzing the pattern of the rock temperature distribution measured at the cold storage pilot plant. The new equation, which is driven by adopting a shape function, $SF=\sqrt{logx_0/log(x_0+x)}$ to the solution for a semi-infinite boundary, has the semi-radial form of temperature variation with distance. And, thermal properties of rock mass are estimated by comparing the rock temperature distributions by this equation with those by measurement. Thermal conductivity and specific heat of rock mass are estimated as giving the difference of 20~25% compared to those of laboratory scale. This difference seems to be caused by discontinuity like joint and water content in rock mass.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2000.11a
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pp.543-550
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2000
Rock slopes along the road or railroad are affected by temperature and therefore experienced iterative freezing-thawing process between winter and early spring. The purpose of this study is to analyze the stability of rock slopes which are influenced by the deterioration due to the freezing-thawing. The analysis is the homogenization method which evaluates the strength property of discontinuous rock mass, and as a strength failure criterion, Drucker-Prager failure criterion is used. The deterioration property of real rock is obtained by a freezing-thawing laboratory test of tuff and this property of deterioration is quantitated and used as a basic data of stability analysis for rock mass. To evaluate the deterioration depth due to the freezing-thawing in situ rock slope, one dimensional heat conductivity equation is used and as the result I can find that the depth of which is affected by a temperature. After the freezing-thawing depth of model slope is determined, we analyze the pattern of rock mass stength value of rock slope model which excesses the limit of self-load.
The effects of geologic structures such as rock joins and bedding planes on the thermal conductivity of a discontinuous rock mass are studied. The expressions for the equivalent thermal conductivities of jointed rock masses are derived and found to be anisotropic. The degree of anisotropy depends primarily on the thermal properties contrast between the joint phase and surrounding intact rock, the joint density expressed as volume fraction and the inclination angle of the joint. Within the context of 2-dimensional finite element heat transfer scheme, the isotherms around a circular hole are analyzed for both the isotropic and anisotropic rock masses in 3 different thermal boundary conditions. i.e. temperature, heat flux and convection boundary conditions. The temperature in the stratified anisotripic rock mass is greatly influenced by the thermal properties of the rock formation in contact with the heat source. Using the excavation-temperature coupled elastic plastic finite element method, analyzed is the thermo-mechanical stability of a circular opening subjected to 10$0^{\circ}C$ at a depth of 527m. It is found that the thermal stress concentration was enough to deteriorate the stability and form a plastic yield zone around the opening, in contrast to the safety factor greater than 2 resulted form the excavation-only analysis.
In order to dispose radioactive wastes safely, it is needed to understand the mechanical, thermal, fluid behavior of rockmass and physico-chemical interactions between rockmass and water. Also, the knowledge about mechanical and hydraulic properties of rocks is required to predict and to model many conditions of geological structure, underground in-situ stress, folding, hot water interaction, intrusion of magma, plate tectonics etc. This study is based on researches about rock mechanics issues associated with a waste disposal in deep rockmass. This paper includes the mechanical and hydraulic behavior of rocks in varying temperature conditions, thermo-hydro-mechanical coupling analysis in rock mass and deformation behavior of discontinuous rocks. The mechanical properties were measured with Interaken rock mechanics testing systems and hydraulic properties were measured with transient pulse permeability measuring systems. In all results, rock properties were sensitive to temperature variation.
A numerical study of the performance assesment of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in improved Korean reference disposal system (KRS+) for high-level radioactive waste is conducted using TOUGH2-MP/FLAC3D simulator. Decay heat from high-level radioactive waste increases the temperature of the repository, and it decreases as decay heat is reduced. The maximum temperature of the repository is below a maximum temperature criterion of 100℃. Saturation of bentonite buffer adjacent to the canister is initially reduced due to pore water evaporation induced by temperature increase. Bentonite buffer is saturated 250 years after the disposal of high-level radioactive waste by inflow of groundwater from the surrounding rock mass. Initial saturation of rock mass decreases as groundwater in rock mass is moved to bentnonite buffer by suction, but rock mass is saturated after inflow of groundwater from the far-field area. Stress changes at rock mass are compared to the Mohr-Coulomb failure criterion and the spalling strength in order to investigate the potential rock failure by thermal stress and swelling pressure. Additional simulations are conducted with the reduced spacing of deposition holes. The maximum temperature of bentonite buffer exceeds 100℃ as deposition hole spacing is smaller than 5.5 m. However, temperature of about 56.1% volume of bentonite buffer is below 90℃. The methodology of numerical modeling used in this study can be applied to the performance assessment of coupled THM processes for high-level radioactive waste repositories with various input parameters and geological conditions such as site-specific stress models and geothermal gradients.
Thermal flow through jointed rock mass was analyzed by numerical methods. The effect of a single set of joints on the heat conduction was analyzed by one-dimensional model and compared with the analytical solution. When a joint is completely dry, the joint behaves as a thermal break inducing jumps in temperature distribution even at steady state. Therefore when joints are completely dry, individual joint has to be taken into consideration to get a good result. When joints are partially or fully saturated, the thermal conductivity of the joints increases drastically and the jumps in temperature distribution become less severe. Therefore the effect of joint in heat conduction can be well absorbed by continuum anisotropic model whose thermal properties represent overall thermal properties of the intact part and the discontinuities. Since the effect of joints becomes less important as the degree of the saturation increases, the overall thermal response of the rock mass also becomes close to isotropic. Therefore it can be concluded that a great effort has to be made to obtain a precise in-situ thermal properties in order to get a good prediction of the thermal response of a jointed rock mass.
It is very important to determine the thermo-mechanical characteristics of the rock mass surrounding the repository of radioctive waste and the LPG storage cavern. In this study, Hwasoon-Shist. Dado-Tuff adn Chunan-Tonalite were the selected rock types. Temperature dependence of the mechanical properteis such as uniaxial compressive strength, tensile strength, Young's modulus was investigated by measuring the behaviour of these properties due to the variation of temperature. Also, the characteristics of strength and deformation of these rocks were examined through high-temperature triaxial compression tests with varing temperatures and confining pressures. Important results obtained are as follows: In high temperature tests, the uniaxial compressive strength and Yong's modulus of Tonalite showed a sligth increase at a temperature up to 300$^{\circ}C$ and a sharp decrease beyond 300$^{\circ}C$, and the tensile strength showed a linear decrease with increasing heating-temperature. In high-temperature triaxial compression test, both the failure stress and Young's modulus of Tonalite increased with the increase of confining pressure at constant heating-temperature, and the failure stress decreased at 100$^{\circ}C$ but increased at 200$^{\circ}C$ under a constant confining pressure. In low temperature tests, the uniaxial compressive and tensile strengths and Young's modulus of these rocks increased as the cooling-temperature is reduced. Also, the uniaxial compressive and tensile strengths of wet rock specimens are less than those of dry rock specimens.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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