Caracterización del comportamiento termo-hidro-mecánico de arcillas expansivas
Authors:   , Pintado Llurba Xavier 
Published: July 2023

En los últimos años, se ha estado analizando la posibilidad de almacenar los residuos radioactivos de alta actividad procedentes del combustible gastado procedente de las centrales nucleares de producción de energía eléctrica, en galerías excavadas en roca. Entre la cápsula que contiene el residuo radioactivo y la roca, se estudia colocar una arcilla expansiva tipo bentonita (proyecto FEBEX; Alonso et al., 2000). Esta tesis se ha concentrado en el estudio y caracterización termo-hidro-mecánico de dicha arcilla. <br/><br/>Para realizar este estudio, primero se hicieron una serie de ensayos de laboratorio convencionales, idénticos a los utilizados para caracterizar todo tipo de suelos. Sin embargo, dadas las especiales características del material (una arcilla expansiva) y las condiciones de trabajo que tendría en un repositorio nuclear (altas temperaturas producidas por la degradación del material radioactivo y altas presiones debidas al confinamiento), se han tenido que desarrollar nuevos equipos y procedimientos de ensayo: una célula edométrica con succión controlada mediante un flujo forzado de aire húmedo, un equipo para la medida de dilatación por efectos térmicos y un equipo para estudiar la respuesta del suelo frente a flujos de calor. Los resultados obtenidos son consistentes con los deducidos por otros autores en el mismo material (Villar, 2000) y han permitido profundizar en el conocimiento del comportamiento de la bentonita (Lloret et al., 2002).<br/><br/>El desarrollo y mejora de las técnicas de cálculo numérico, ha permitido que recientemente, se hayan podido desarrollar una serie de códigos numéricos que permiten la simulación de procesos de flujo multifásico y resolver las ecuaciones constitutivas que regulan el comportamiento mecánico del suelo. En esta tesis, se han analizado los ensayos de laboratorio realizados simulándolos con ayuda de un código de elementos finitos desarrollado por el Departamento de Ingeniería del Terreno de la Universitat Politècnica de Catalunya, CODE_BRIGHT (Olivella, 1995), que resuelve el problema citado anteriormente. De este modo, se han podido estudiar los diferentes fenómenos ligados al movimiento de agua, de calor y a los cambios de volumen en los ensayos realizados. <br/> <br/>Tradicionalmente, la cuantificación de parámetros que se realiza a partir de los ensayos de laboratorio, consiste básicamente en aplicar de manera directa la ley constitutiva que regula el comportamiento de la muestra en las condiciones del ensayo. Generalmente, consiste en deducir un parámetro de una ecuación relativamente sencilla (ensayos de permeabilidad) o dibujar los resultados obtenidos en el ensayo en sistemas de coordenadas especiales que permiten evaluar parámetros de manera gráfica (ensayos edométricos). Sin embargo, hay parámetros que no se pueden medir directamente (parámetros que regulan el flujo acoplado de agua y vapor debido a gradientes térmicos en un ensayo de flujo de calor), esto hace necesario que se deban utilizar otras técnicas para identificar los parámetros que los regulan. En esta tesis se han aplicado técnicas de identificación muy utilizadas en otros campos como son la hidrogeología o la sismología, para deducir parámetros que regulan el problema termo-hidráulico. Para ello ha sido necesario desarrollar un algoritmo de cálculo que, utilizando CODE_BRIGHT como rutina para resolver el problema directo, minimiza la diferencia entre los valores medidos en los ensayos y los valores calculados por el código (Pintado et al., 1998, 2002).

In the last years, the possibility of storing high level nuclear waste from nuclear power stations inside tunnels in host rock has been analysed. In these repositories, swelling clay located between the rock and the canisters is used to isolate the waste (FEBEX project; Alonso et al., 2000). In this PhD Thesis an experimental study carried out to characterize the thermo-hydro-mechanical behaviour of a compacted bentonite is presented.<br/> <br/>Due to the highly expansive character of the bentonite and the high temperatures and confining pressures in the repository, it was necessary to develop new test equipments and procedures: <br/><br/>- A suction controlled oedometric cell, where suction is applied controlling the relative humidity of the air in contact with the soil. This relative humidity was fixed by a solution of sulphuric acid or salts. In this way, suctions up to 400 MPa could be reached and the maximum vertical stress that could be applied was of about 9 MPa. <br/><br/>- An equipment to measure the thermal dilatation coefficient in partially saturated bentonite, which maintains its water content unaltered in a range of temperatures between 30ºC and 65ºC. <br/><br/>- A cylindrical cell, where a controlled heat flux is applied to one of the ends, while in the other end a constant temperature is maintained in order to measure thermal and hydraulic parameters. <br/><br/>The results of the tests are consistent with other results obtained on the same material by other authors (Villar, 2000) and increase the knowledge we have of this material (Lloret et al., 2003).<br/><br/>In some of the tests carried out, important couplings between thermal and multiphase flows and the mechanical behaviour of bentonite are observed. In order to analyse the tests, the numerical model CODE_BRIGHT (Olivella, 1995) was used to simulate the tests as a boundary problem and to obtain values of the variables that were not measured or parameters of the numerical model that cannot be obtained directly. <br/><br/> Finally, this PhD Thesis presents a general methodology to perform backanalysis of laboratory tests, which also involves the thermohydraulic behaviour of bentonite in a systematic manner as well. The procedure is based on a maximum likelihood approach that defines a probabilistic framework, in which error measurements and the reliability of the parameters identified can be estimated (Pintado et al., 1998, 2002). The method is applied to the identification of some of the thermal and hydraulic properties of a bentonite specimen, using temperature and water content measurements as input data.