Mô hình số hóa hành vi cơ học dị hướng của đất sét Opalinus ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng FEM/DEM

Rock Mechanics and Rock Engineering - Tập 47 - Trang 187-206 - 2012
Andrea Lisjak1, Bryan S. A. Tatone1, Giovanni Grasselli1, Tim Vietor2
1Department of Civil Engineering, University of Toronto, Toronto, Canada
2National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (Nagra), Wettingen, Switzerland

Tóm tắt

Đất sét Opalinus (OPA) là một thành tạo đá sét được lựa chọn để lưu giữ chất thải hạt nhân cấp cao trong một kho địa chất sâu ở Thụy Sĩ. Đã có nghiên cứu cho thấy khu vực bị hư hại do khai thác (EDZ) trong thành tạo này bị ảnh hưởng nặng nề bởi phản ứng cơ học dị hướng của vật liệu liên quan đến sự hiện diện của các lớp đá. Trong bối cảnh này, mục đích của nghiên cứu này là hai mặt: (i) minh họa những phát triển mới được giới thiệu vào phương pháp phần tử hữu hạn-kết hợp phần tử rời rạc (FEM/DEM) để mô hình hóa các vật liệu nhiều lớp và (ii) chứng minh tính hiệu quả của phương pháp mô hình hóa mới này trong việc mô phỏng phản ứng cơ học ngắn hạn của OPA ở quy mô phòng thí nghiệm. Một định luật cấu thành đàn hồi dị hướng ngang được áp dụng để xem xét mô đun đàn hồi dị hướng, trong khi một quy trình để kết hợp phân bố các khuyết tật có định hướng ưu tiên được thiết lập để nắm bắt sức mạnh dị hướng. Kết quả thí nghiệm gián tiếp và thử nghiệm nén đơn trục được sử dụng để hiệu chuẩn mô hình số. Các đặc tính sức kháng và biến dạng mới nổi, cùng với các cơ chế hư hỏng được mô phỏng, được chứng minh là có sự đồng nhất mạnh mẽ với các quan sát thực nghiệm. Tiếp theo, mô hình đã được hiệu chỉnh được xác thực bằng cách điều tra ảnh hưởng của sự làm kín và sự tác động của góc tải trọng đối với độ dị hướng của mẫu vật. Các mô hình nứt được mô phỏng được thảo luận trong bối cảnh lý thuyết về sự thất bại của đá giòn và được phân tích với tham chiếu đến các cơ chế hình thành EDZ được quan sát tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Dưới lòng đất Mont Terri.

Từ khóa

#Đất sét Opalinus #hư hỏng do khai thác #mô hình phần tử hữu hạn #mô hình phần tử rời rạc #cơ học vật liệu #kỹ thuật địa chất.

Tài liệu tham khảo

Adhikary DP, Dyskin AV (1998) A continuum model of layered rock masses with non-associative joint plasticity. Int J Numer Anal Met 22(4):245–261 Amann F, Button EA, Evans KF, Gischig VS, Blümel M (2011) Experimental study of the brittle behaviour of clay shale in rapid unconfined compression. Rock Mech Rock Eng 44(4):415–430 Amann F, Kaiser PK, Button EA (2012) Experimental study of brittle behaviour of clay shale in rapid triaxial compression. Rock Mech Rock Eng 45(1):21–33 Barenblatt GI (1962) The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture. Adv Appl Mech 7 (C):55–129 Besuelle P, Chambon R, Collin F (2006) Switching deformation modes in post-localization solutions with a quasi-brittle material. J Mech Mater Struct 1(7):1115–1134 Bieniawski ZT (1967) Mechanism of brittle fracture of rock. Part I: theory of the fracture process. Int J Rock Mech Min Sci 4(4):395–406 Bieniawski ZT, Hawkes I (1978) Suggested methods for determining tensile strength of rock materials. Int J Rock Mech Min Sci 15:99–103 Blümling P, Bernier F, Lebon P, Martin CD (2007) The excavation damaged zone in clay formations time-dependent behaviour and influence on performance assessment. Phys Chem Earth 32(8–14):588–599 Bobet A, Einstein HH (1998a) Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression. Int J Rock Mech Min Sci 35(7):863–888 Bobet A, Einstein HH (1998b) Numerical modeling of fracture coalescence in a model rock material. Int J Fracture 92(3):221–252 Bock H (2001) RA experiment. Rock mechanics analysis and synthesis: conceptual model of the Opalinus Clay. Mont Terri Technical Note 2001–02 Bock H (2009) RA Experiment. Updated review of the rock mechanics properties of the Opalinus Clay of the Mont Terri URL based on laboratory and field testing. Mont Terri Technical Report 2008–04 Bossart P, Meier PM, Moeri A, Trick T, Mayor J-C (2002) Geological and hydraulic characterisation of the excavation disturbed zone in the Opalinus Clay of the Mont Terri Rock Laboratory. Eng Geol 66(1–2):19–38 Brace WF, Bombolakis EG (1963) A note on brittle crack growth in compression. J Geophys Res 68(12):3709–3713 Brace WF, Paulding BW Jr, Scholz C (1966) Dilatancy in the fracture of crystalline rocks. Geophys Res Lett 71(16):3939–3953 Collin F, Chambon R, Charlier R (2006) A finite element method for poro-mechanical modelling of geotechnical problems using local second gradient models. Int J Numer Meth Eng 65(11):1749–1772 Corkum AG, Martin CD (2007) The mechanical behaviour of weak mudstone (Opalinus Clay) at low stresses. Int J Rock Mech Min Sci 44(2):196–209 Dedecker F, Cundall P, Billaux D, Groeger T (2007) Evaluation of damage-induced permeability using a three-dimensional adaptive continuum/discontinuum code (AC/DC). Phys Chem Earth 32(8–14):681–690 Diederichs MS (2000) Instability of hard rockmasses: the role of tensile damage and relaxation. PhD Thesis, University of Waterloo, Waterloo, Canada Diederichs MS (2003) Manuel rocha medal recipient rock fracture and collapse under low confinement conditions. Rock Mech Rock Eng 36(5):339–381 Donath FA (1972) Effects of cohesion and granularity on deformational behavior of anisotropic rock. In: Doc BR, Smith DK (eds) Studies in Mineralogy and Precambrian Geology, vol 135. Geological Society of America, USA, pp 95–128 Dugdale DS (1960) Yielding of steel sheets containing slits. J Mech Phys Solids 8(2):100–104 Duveau G, Shao JF, Henry JP (1998) Assessment of some failure criteria for strongly anisotropic geomaterials. Mech Cohes-Frict Mat 3(1):1–26 Evans R, Marathe M (1968) Microcracking and stress-strain curves for concrete in tension. Mater Struct 1(1):61–64 Hillerborg A, Modeer M, Petersson P-E (1976) Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements. Cement Concrete Res 6(6):773–781 Hoek E, Brown ET (1980) Strength of jointed rock masses. Geotechnique 33(3):187–223 Horii H, Nemat-Nasser S (1986) Brittle failure in compression: splitting, faulting, and brittle-ductile transition. Philos T R Soc Lond 319:337–374 Itasca Consulting Group Inc (2012) FLAC. Fast Lagrangian Analysis of Continua, Version 7.0. Minneapolis, USA Jaeger JC, Cook NGW (1976) Fundamentals of rock mechanics. Chapman & Hall, London Jahns (2010) RA Experiment. Opalinus Clay rock characterization. Mont Terri Technical Note 2008–55rev Jia P, Tang CA (2008) Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass. Tunn Undergr Sp Tech 23(5):500–507 Kaiser PK, Kim BH (2008) Rock mechanics advances of underground constructions and mining. In: Proceedings of the Korean rock mechanics symposium. Seoul, Korea, pp 1–6 Kemeny J, Cook NGW (1986) Effective moduli, non-linear deformation and strength of a cracked elastic solid. Int J Rock Mech Min Sci 23(2):107–118 Klinkenberg M, Kaufhold S, Dohrmann R, Siegesmund S (2009) Influence of carbonate microfabrics on the failure strength of claystones. Eng Geol 107(1–2):42–54 Konietzky H, Blümling P, teKamp L (2003) Opalinuston—Felsmechanische Untersuchungen. Interner Bericht 03-08, NAGRA, Wettingen, Switzerland Labiouse V (2012) Hollow cylinder simulation experiments on Boom, Opalinus, Callovo-Oxfordian Clays. International Post-TIMODAZ Workshop, St-Ursanne, Switzerland, 6–7 February 2012 Labuz JF, Shah SP, Dowding CH (1985) Experimental analysis of crack propagation in granite. Int J Rock Mech Min Sci 22(2):85–98 Lan H, Martin CD, Hu B (2010) Effect of heterogeneity of brittle rock on micro-mechanical extensile behaviour during compression loading. J Geophys Res 115:1–14 Mahabadi OK (2012) Investigating the influence of micro-scale heterogeneity and microstructure on the failure and mechanical behaviour of geomaterials. PhD thesis, University of Toronto, Toronto, Canada Mahabadi OK, Grasselli G, Munjiza A (2010) Y-GUI: A graphical user interface and pre-processor for the combined finite-discrete element code, Y2D, incorporating material inhomogeneity. Comput Geosci 36(2):241–252 Mahabadi OK, Lisjak A, Grasselli G, Munjiza A (2012a) Y-Geo: a new combined finite-discrete element numerical code for geomechanical applications. Int J Geomech. doi:10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000216 Mahabadi OK, Randall NX, Zong Z, Grasselli G (2012b) A novel approach for micro-mechanical characterization and modelling of geomaterials incorporating actual material heterogeneity. Geophys Res Lett 39:L01303 Martin CD (1997) Seventeenth Canadian geotechnical colloquium: the effect of cohesion loss and stress path on brittle rock strength. Can Geotech J 34:239–254 McLamore R, Gray KE (1967) The mechanical behavior of anisotropic sedimentary rocks. J Eng Ind-T Asme 89:62–73 Munjiza A (2004) The combined finite-discrete element method. Wiley, Chichester Munjiza A, Andrews KRF (2000) Discretised penalty function method in combined finite-discrete element analysis. Int J Num Meth Eng 49(11):1495–1520 Munjiza A, John NWM (2002) Mesh size sensitivity of the combined FEM/DEM fracture and fragmentation algorithms. Eng Fract Mech 69(2):281–295 Munjiza A, Owen DRJ, Bicanic N (1995) A combined finite-discrete element method in transient dynamics of fracturing solids. Eng Computation 12(2):145–174 Munjiza A, Andrews KRF, White JK (1999) Combined single and smeared crack model in combined finite-discrete element analysis. Int J Num Meth Eng 44(1):41–57 Naumann M, Hunsche U, Schulze O (2007) Experimental investigations on anisotropy in dilatancy, failure and creep of Opalinus Clay. Phys Chem Earth 32(8–14):889–895 Niandou H, Shao JF, Henry JP, Fourmaintraux D (1997) Laboratory investigation of the mechanical behavior of Tournemire shale. Int J Rock Mech Min Sci 34(1):3–16 Paterson MS, Wong T (2004) Experimental Rock Deformation—The Brittle Field. Springer, NewYork Popp T, Salzer K (2007a) Anisotropy of seismic and mechanical properties of Opalinus Clay during triaxial deformation in a multi-anvil apparatus. Phys Chem Earth 32(8–14):879–888 Popp T, Salzer K (2007b) Laboratory tests on bedding planes. Mont Terri Technical Report 2007–04 Popp T, Salzer K, Minkley W (2008) Influence of bedding planes to EDZ-evolution and the coupled HM properties of Opalinus Clay. Phys Chem Earth 33:S374–S387 Potyondy D, Cundall P (2000) Bonded-particle simulations of the in situ failure test at Olkiluoto. International Progress Report 01–13, SKB, Stockholm, Sweden Potyondy DO, Cundall PA (2004) A bonded-particle model for rock. Int J Rock Mech Min Sci 41(8):1329–1364 Riahi A, Curran JH (2009) Full 3D finite element Cosserat formulation with application in layered structures. Appl Math Model 33(8):3450–3464 Salager S, Nuth M, Laloui L (2010) Anisotropic features of the mechanical behaviour of Opalinus Clay. In: Zhao J, Labiouse V, Dudt J-P, Mathier J-F (eds) Proceedings of the European Rock Mechanics Symposium, Lausanne, Switzerland. Taylor & Francis Group, London Seeska R, Lux K-H (2012) Borehole deformation measurements and video-observations of boreholes in the Opalinus Clay of the Mont Terri URL. International Post-TIMODAZ Workshop, St-Ursanne, Switzerland, 6–7 February 2012 Tang CA, Kaiser PK (1998) Numerical simulation of cumulative damage and seismic energy release during brittle rock failure - Part I: fundamentals. Int J Rock Mech Min Sci 35(2):113–121 Tang CA, Kou SQ (1998) Crack propagation and coalescence in brittle materials under compression. Eng Fract Mech 61(3–4):311–324 Tang CA, Lin P, Wong RHC, Chau KT (2001) Analysis of crack coalescence in rock-like materials containing three flaws—Part II: numerical approach. Int J Rock Mech Min Sci 38(7):925–939 Tapponnier P, Brace WF (1976) Development of stress-induced microcracks in Westerly Granite. Int J Rock Mech Min Sci 13(4):103–112 Tijssens MGA, Sluys BLG, van der Giessen E (2000) Numerical simulation of quasi-brittle fracture using damaging cohesive surfaces. Eur J Mech A-Solid 19(5):761–779 Ting TCT (1996) Anisotropic elasticity: theory and applications. Oxford University Press Tsang C-F, Bernier F, Davies C (2005) Geohydromechanical processes in the excavation damaged zone in crystalline rock, rock salt, and indurated and plastic clays—in the context of radioactive waste disposal. Int J Rock Mech Min Sci 42(1):109–125 Turon A, Dávila CG, Camanho PP, Costa J (2007) An engineering solution to mesh size effects in the simulation of delamination using cohesive zone models. Eng Fract Mech 74(10):1665–1682 Vesga LF, Vallejo LE, Lobo-Guerrero S (2008) DEM analysis of the crack propagation in brittle clays under uniaxial compression tests. Int J Num Anal Meth 32(11):1405–1415 Vietor T, Li X, Fierz T (2012) In situ experiments in TIMODAZ. International Post-TIMODAZ Workshop, St-Ursanne, Switzerland, 6–7 February 2012 Wanne T (2002) Rock strength and deformation dependence on schistosity. Simulation of rock with PFC3D. Report 2002–05, Posiva Oy, Helsinki, Finland Yan M (2008) Numerical modelling of brittle fracture and step-path failure: from laboratory to rock slope scale. PhD Thesis, Simon Fraser University, Burnaby, Canada You S, Zhao G, Ji H (2011) Model for transversely isotropic materials based on distinct lattice spring model (DLSM). J Computer 6:1139–1144