팽윤성이 큰 불포화토의 역학적 거동 수치해석을 위한 Barcelona Expansive Model (BExM) 및 적용 사례 소개
A Review of the Barcelona Expansive Model (BExM) and its Application for Numerical Simulation of the Mechanical Behavior of Highly Expansive Unsaturated Soils
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초록
팽윤 특성이 큰 압축 벤토나이트의 역학적 거동은 고준위방사성폐기물 처분장 설계, 특히 공학적방벽 설 계에 있어 주요한 인자이다. 따라서 공학적방벽시스템 장기적 성능 예측 및 평가를 위한 수치해석을 수 행하기 위해서는 적절한 역학적 구성모델이 필수적이다. 이러한 이유로 약간(slightly) 또는 보통(mod-erately)의 팽윤 특성을 갖는 불포화토의 역학적인 거동에 적합한 Barcelona Basic Model (BBM)이 많 이 활용되고 있다. 하지만, BBM은 더 큰 팽윤 특성을 가지는 불포화토의 일부 현상에 대한 수치해석에는 한계점을 보이고 있다. BBM이 가지는 한계점을 극복하고자 점토와 벤토나이트와 같이 큰 팽윤 특성을 지니는 매질을 이중 구조로 고려하여 좀 더 나은 Barcelona Expansive Model (BExM)이 제안되었다. 본 기술보고에서는 BExM의 기본 개념과 BExM에서 복합거동을 모사하기 위해 사용된 수식들을 먼저 정리하였으며, 그 다음으로 반복된 건조-포화과정에 따른 변형률 변화 및 흡입력 제어 압밀시험 등에 대 한 적용 사례를 정리하여 기술하였다. 본 기술보고에서 살펴본 BExM은 향후 공학적방벽재인 벤토나이 트 완충재와 뒤채움재에서의 열-수리-역학(thermo-hydro-mechanical; THM) 복합거동 특성 평가모 델로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 본 기술보고에 기술된 예제는 향후 개발될 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터의 BExM 해석모듈 검증자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Abstract
The mechanical behavior of compacted bentonite with high swelling potential is a key factor in the design of repositories for high-level radioactive waste disposal, particularly in the design of engineered barriers system (EBS). In this context, predicting and evaluating the long-term performance of EBS by numerical analysis requires an appropriate constitutive model. The Barcelona Basic Model (BBM), which is suitable for simulating the mechanical behavior of unsaturated soils with slightly or moderate swelling characteristics, is widely used for this purpose. However, the BBM has limitations in representing some important phenomena observed in highly expansive unsaturated soils. To overcome these limitations, the Barcelona Expansive Model (BExM) was proposed to model highly expansive soils such as clays and bentonites as two distinct levels: micro- and macro-structure. In this technical note, the basic concepts of the BExM and the mathematical formulas used to simulate mechanical behavior are first summarized, followed by two examples: strain accumulation due to drying-wetting cycles and controlled-suction oedometer tests. The BExM introduced in this report can be adopted as a constitutive numerical model to simulate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of compacted bentonite buffer blocks and backfill materials. It is anticipated that the examples described in this report can be used for verification of BExM module in TOUGH2-MP/FLAC3D.