Thermo-hydro-mechanical coupled analysis in low permeability media
Authors:   , Sánchez Castilla Marcelo 
Published: July 2023

El análisis de problemas Termo-Hidro-Mecánicos (THM) en medios de baja permeabilidad es un problema complejo en el cual confluyen diversos factores. Esta Tesis está orientada principalmente al estudio de procesos THM acoplados en barreras de ingeniería destinadas al almacenamiento de residuos radiactivos. Especial atención se ha dedicado al estudio de arcillas expansivas. Diversos ensayos de laboratorio han mostrado la fuerte influencia que tiene la estructura de poros en el comportamiento THM de arcillas expansivas. Una motivación de este trabajo es la inclusión de la fábrica del material en el análisis de problemas de ingeniería en medios geológicos.
Una formulación THM de doble estructura, desarrollada para medios porosos que presentan dos tipos característicos de vacíos se propone en esta Tesis. La formulación expresa en forma matemática los diversos fenómenos THM considerados relevantes en cada nivel estructural y las principales interacciones entre ellos. Conceptos de doble porosidad han sido utilizados para su desarrollo. La formulación permite considerar flujo no-saturado en condiciones no isotermas, acoplados con las deformaciones de cada medio. Un aspecto importante del marco propuesto es el modelo constitutivo mecánico. Dos niveles estructurales han sido explícitamente incluidos en el modelo. La macroestructura considera el esqueleto granular conformado por los agregados de arcilla, mientras que la microestructura está asociada con las partículas de arcilla, responsables del comportamiento expansivo de estos materiales. El modelo mecánico se completa estableciendo la interacción entre los dos niveles estructurales. El modelo se ha formulado considerando conceptos de elasto-plasticidad para materiales con endurecimiento por deformación y también conceptos de la teoría de la plasticidad generalizada. La formulación se ha implementado en el programa de elementos finitos CODE_BRIGHT y se la ha utilizado para resolver diferentes problemas de ingeniería.
La formulación THM de doble estructura propuesta es general y no se limita al análisis de problemas relacionados con materiales expansivos. Por ejemplo, la aplicación al problema de consolidación en arcillas fisuradas se presenta en esta Tesis. Se modela también la extracción de petróleo, asistida mediante inyección de agua a presión, en un medio heterogéneo.
La validación experimental de la formulación es una parte importante del trabajo realizado. Esta tarea se ha apoyado principalmente en los datos experimentales generados en el marco del proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment). Los resultados de los ensayos de laboratorio se han utilizado para identificar gran parte de los parámetros de las leyes constitutivas asociadas al problema térmico e hidráulico, como así también para validar el modelo constitutivo mecánico. Además, un ensayo de hidratación y calentamiento a escala real, ha permitido la aplicación de la formulación a un caso real en el que se tienen disponible información experimental de las principales variables THM. La evolución del ensayo de calentamiento ha sido analizada en detalle, centrando la atención en el estudio de una disminución, no esperada, de la tasa de hidratación de la barrera. La influencia de la fábrica de las arcillas expansivas (y su evolución) en el campo de permeabilidad se ha incluido en los análisis como elemento de ayuda en la explicación del comportamiento no esperado de la barrera. El ensayo también ha sido analizado considerando la presencia de otros fenómenos observados en estos materiales, tales como la existencia de un gradiente umbral en la ley de flujo o la influencia de efectos termo-osmóticos.
Thermo-Hydro-Mechanical (THM) analysis of engineering problems involving low permeability materials is a complex problem in which several factors make significant contributions. This Thesis is aimed mainly to the study of coupled THM process in engineered clay barriers and seals designed for the isolation of radioactive waste. Therefore, special attention has been placed on expansive clay behaviour. In the last few years, several laboratory investigations have shown the strong influence of pore structure on THM behaviour of swelling materials. Therefore, a main objective of this Thesis is the proposal of a THM framework which allows the inclusion of the effects of the material fabric on the analyses of real problems in geological media.
A general double structure THM formulation developed for porous media in which two distinctive types of voids are present has been proposed. This formulation expresses in a mathematical way the various THM phenomena deemed relevant in each structural level, and their main interactions. Concepts of double porosity theory have been used to extend a fully coupled THM single porosity formulation to the case of double structure media. The approach is able to handle non-saturated, non-isothermal multiphase flows coupled with the deformations of each medium. A central part of the approach is the mechanical constitutive law, a key point in the modelling of the expansive clay behaviour. The existence of two structural levels (a macrostructural one and the microstructural one) has been explicitly included in the model. The macrostructure accounts for the large scale structure of the material, while the microstructure is associated with the active clay particles responsible for the swelling behaviour. The mechanical law is completed by establishing the interaction between the two structural levels. The model has been formulated using concepts of elasto-plasticity for strain hardening materials and generalized plasticity theory. The formulation has been implemented in the finite element program CODE_BRIGHT and has been used to solve a variety of problems.
The proposed double structure THM formulation is general and it is not limited to analyze problems in which expansive materials are involved. For instance, the problem of consolidation in fissured clays has been presented in this Thesis, as well as, the simulation of a water-flooding process in a petroleum exploitation.
Work has also been performed toward the experimental validation of the suggested approach. This work has been mainly supported by experimental data generated in the framework of the FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) project. The data of laboratory tests have been used to identify the main parameters of the constitutive laws related to the thermal and hydraulic problems and, also, to validate the mechanical constitutive model. In addition, a large scale heating test has allowed the application of the approach to an actual case in which experimental information of the main THM variables are available. The evolution of the heating test has been analyzed in detail, focusing the study on the unexpected slowing down hydration observed. The effect of the clay-fabric evolution and its influence on the permeability field has been included in the analysis to help to explain the barrier behaviour. The heating test has also been analyzed considering the presence of other flow phenomena such as the existence of a threshold gradient and the influence of thermo-osmotic effects.