تحلیل همبسته ترموهیدرومکانیکی شکست در محیط متخلخل غیر اشباع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری عمران، گرایش مکانیک خاک و پی، دانشکده فنی دانشگاه تهران

2 استاد، دانشکده فنی، عضو قطب علمی مهندسی و مدیریت زیرساختهای عمرانی دانشکده مهندسی عمران پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران )استاد، دانشگاه پل و راه پاریس(

چکیده

در این مقاله چهارچوب تئوریک یک مدل شکست ترموهیدرومکانیکی (مدل شکست THHMD ) برای محیط متخلخل غیراشباع غیرهم‌دما ارائه شده است. چهارچوب این مدل بر اساس استفاده از متغیرهای حالت مستقل (تنش خالص، مکش و تنش حرارتی) می‌باشد.قانون رفتاری شکست از مفاهیم میکرومکانیکی و توضیح پدیده‌ای نشات گرفته می‌شود. روابط مزدوج ترمودینامیکی تنش- کرنش از انرژی آزاد که جمع انرژی‌های تغییرشکل الاستیک شکست و پتانسیل‌های کرنش باقی‌مانده است گرفته شده است. سختی-های مکانیکی شکست با اعمال اصل انرژی الاستیک معادل(PEEE) برای هر هر متغیر حالت تنش محاسبه می‌شود. اثر شکست بر انتقالات آب و بخار با معرفی نفوذپذیری ذاتی ناشی از شکست اعمال شده است. مدل THHMD شکست در برنامه المان محدود θ-Stock وارد شده است.
در این مقاله پس از توضیحات مدل مذکور یک مطالعه عددی جهت بررسی اثرات ناحیه شکسته ناشی از حفاری (EDZ) به پاسخ مدفن زباله‌های اتمی در طول فاز حرارت دهی صورت گرفته شده است. روند مشاهده شده با انتظارات تئوریک تطابق مناسبی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analysis of Coupled Thermohydromechanical Damage in Unsaturated Porous Media

نویسندگان [English]

  • Marziyeh Fathalikhani 1
  • Behrouz Gatmiri 2
1 M.Sc, Department of Civil Engineering, University of Tehran
2 Prof., Center of Excellence for Engineering and Management of Infrastructures (CE-EMI), University of Tehran
چکیده [English]

In this study the theoretical framework of a thermohydromechanical damage model  (THHMD model) for non-isothermal unsaturated porous media is presented. The framework of this model is based on the use of independent state variables (net stress, suction and thermal stress). The damage behavior law stems from phenomenological and micro-mechanical concepts. The stress-strain thermodynamic conjugation relations are derived from the free energy, which is written as the sum of damaged elastic deformation energies and of residual strain potentials. The damaged mechanical rigidities are computed by applying the Principal of Equivalent Elastic Energy (PEEE) for each stress state variable. The influence of damage on liquid water and vapor transfers is accounted for by introducing damage-induced intrinsic conductivities. In this paper after the review of the mentioned model, a parametric study is performed to assess the influence of the Excavated Damage Zone (EDZ) on the response of the nuclear waste repository during the heating phase. The trends meet the theoretical expectations..

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unsaturated soil- Thermohydromechanical damage model- Multiphase porous media- Finite Element Method- Micromechanics
[1] Gatmiri, B., and Arson, C., “Theta-Stock, a powerfull tool for themohydromechanical behaviour and
damage modeling of unsaturated porous media”,Computers and Geotechnics 35, 890-915, 2008.
[2] Gatmiri, B., Delage, P., “Nouvelle formulation de la surface detal en indice des vides pour un modele non
lineaire elastique des sols non satures”, Proc. 1st Int.Con. Unsaturated Soils, 2, 1049-1056, 1995.
[3] Gatmiri, B., Delage, P., “A Formulation of fully coupled thermal- hydraulic- mechanical behavior of
saturated porous media – numerical approach”, Int.J-numer. Anal. Methods gemech, 21(3), 199-225,
1997.
[4] Gatmiri, B., “Analysisi of fully coupled behavior of unsaturated porous media under stress, suction and
temperature gradient”, Final report of CERMESEDF,1997.
[5] Jenab- Vossoughi, B., “Etude numerique de la modelisation thermo-elasto-plastique des sols non
satures”, PhD Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussees, 253, 2000.
[6] Arson, C., Gatmiri, B., “Numerical study of damage in unsaturated geological and engineered barriers”,
Phys. Chym. Earth, 36, 1981-1989, 2011.
[7] Gatmiri, B., Seyedi, M., Delage, P., Fry, JJ., “a new suction-based mathematical model for thermo-hydromechanical behavior of unsaturated porous media”,NUMOG VI, Quebec, Canada, 2-4, 291-296, 1997.
[8] Gatmiri,B., “Framework of a non linear fully coupled thermo-hydro-mechanical behaviour of unsaturated porous media”, Keynote lecture of the 3rd Iranian International Conference on Geotechnical Engineering and Soil Mechanics December, Tehran,Ira, 9-11, 2002.
[9] Martino, J., Chandler, N., “Excavation-induced damage studies at the uderground research laboratory”,Int. J. Rock mech. and Min. Sci. 41, 1413-1426, 2004.
[10] Mertens, J., Bastiaens, W., Dehandschutter, B.,“Characterization of induced discountinuities in the
boom clay around the underground excavations”,(urf, mol, Belgium). Appl. Clay Science 26, 413-428,
2004.
[11] Seng, J.S., Hassinger, J.A., Pires-Domingues, S.M.,Costa-Mattos, H., Rochinha, F.A., “Modeling of
nonlinear damage on elastic brittle materials”,Mechanics Research Communications, 25, 2, p. 147-153, 1998.
[12] Arson, C., Gatmiri, B., “On damage modelling in unsaturated clay rocks”, Phys. Chem. Earth 33
S407-S415, 2008.
[13] Arson, C., Gatmiri, B., “A mixed damage model for unsaturated porous media”, Competes-Rendus de
l'Académie des Sciences de Paris, Section Mécanique 337, 68-74, 2009.
[14] Kachanov, M., “Effective elastic properties of cracked soils: critical review of some basic concepts”, Appl.
Mech. Rev. 45, 1992.
[15] Shao, J. F., Zhou, H., Chau, K. T., “Coupling between anisotropic damage and permeability variation in
brittle rocks”, International Journal for Numerical and Analytical methods in Geomechanics, 29, 1231-1247,
2005.
[16] Gatmiri, B., Hemmati,S., Arson,C., Amirzehni,E.,“A Multiphase Analysis For Enviromental Impact
Assessement With θ-Stock Finite Element Program”,Journal of Multiscale Modeling; Vol. 2, Nos. 1 & 2,
23-68, 1231-1247, 2010.
[17] Dragon, A., Halm, D. and Desoyer, T. H.,“Anisotropic damage in quasi-brittel solids: modeling,
computational issues and applications”, Comput.Geotech. 35,890-915, 2000.
[18] Cordebois, J., sidoroff, F., “Endommagement anisotrope en élasticité et plasticité”, Journal de
Mécanique théorique et appliquée pp. 45-60, 1982.
[19] VanGenuchten M. TH., “A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated
soils”, Soil Science Society of America Journal, 44:892-898, 1980.
[20] Pintado, X., Ledesma. A., Lloret. A., “Backanalysis of thermohydraulic bentonite properties from laboratory
tests”, Engineering Geology, 64:91–115, 2002.
[21] Chairelli, A. S., Shao, J. F., “Modelisation elastoplastique couplee l’endommagement anisotrope
induit pour les arilites”, Revue Francaire de Genie Civil, 6(1): 115-130, 2002.
[22] Homand, F., Chairelli, A. S. and Hoxha. D.,“Caracteristiques physiques et mecaniques du granite
dela vienne et de l’argilite de l’est”, Revue Francaire de Genie, 5, 2002.
[23] Gens, A., Garcia-Molina, A. J., Olivella, S., Alonso,E. E., Huertas, F., “Analysis of a full scale in situ
test simulating repository conditions”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in
Goemechanics, 22: 515-548, 1998.
[24] Bourgeois, F., Burlion, N., Shao, J. F., “Modelling of elatoplastic damage in concrete due to desiccation
shrinkage”, Int. J. for Num. and Anal. Meth. In Geomech,., 26, 759-774, , 2002.
[25] Jia, Y., Song, X. C., Duveau, G., Su, K., Shao, J. F., “Elastoplastic damage modeling of argillite in Partially saturated condition and application”, Physiscs and Chemistry of the Earth, 32, 656-666, 2007.
[26] Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., “Constitutive relations for volume change in unsaturated soil”, Can.
Geotech.J.13, No.3, 261-276, 1976.