[논문]TOUGH2-MP/FLAC3D의 Barcelona Basic Model 해석 모듈 개발

이창수; 이재원; 김민섭; 김건영

doi:10.7474/tus.2020.30.1.039

TOUGH2-MP/FLAC3D의 Barcelona Basic Model 해석 모듈 개발
Implementation of Barcelona Basic Model into TOUGH2-MP/FLAC3D 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.1, 2020년, pp.39 - 62

이창수 (한국원자력연구원) , 이재원 (한국원자력연구원) , 김민섭 (한국과학기술원) , 김건영 (한국원자력연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 불포화토의 열-수리적 변화로 야기되는 역학적 거동 특성을 분석하고 장기 거동을 예측하기 위해 Barcelona Basic Model(BBM) 해석 모듈을 TOUGH2-MP/FLAC3D에서 구동할 수 있도록 개발하였다. 기본적으로는 TOUGH-FLAC에 BBM 해석 모듈을 개발하기 위해 사용된 선행연구의 방법과 마찬가지로 FLAC에서 제공하고 있는 Modified Cam Clay Model(MCCM)을 기반으로 User Defined Model(UDM)과 FLAC3D에서 제공하는 FISH function을 이용하였다. 본 연구에서 개발한 BBM 해석 모듈에서는 평균유효응력뿐만 아니라 흡입력의 변화에 따른 소성변형률을 모두 고려하였으며, 평균유효응력 및 흡입력 증가에 따른 항복면의 변화를 모두 반영할 수 있도록 하였다. 개발된 BBM 해석 모듈을 FLAC3D 매뉴얼에 기술되어 있는 MCCM 예제, BBM을 처음 제안한 선행연구에 언급되어 있는 예제들, 그리고 스웨덴 SKB 보고서에 언급되어 있는 실험실 시험 결과를 이용하여 검증하였다. 뿐만 아니라, 효과적인 BBM의 파라미터 도출을 목적으로 개발된 Quick tools의 검증을 위해 수행된 일련의 모델링 시험들을 동일하게 수행하고 선행연구에서 보고된 Quick tools와 Code_Bright의 결과와 비교함으로써 개발된 BBM 해석 모듈을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, Barcelona Basic Model (BBM) was implemented into TOUGH2-MP/FLAC3D for the numerical analysis of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of unsaturated soils and the prediction of long-term behaviors. Similar to the methodology described in a previous study for the implementation of BBM into TOUGH-FLAC, the User Defined Model (UDM) of FLAC based on the Modified Cam Clay Model (MCCM) and the FISH function of FLAC3D were used to extend the existing MCCM module in FLAC3D for the implementation of BBM into TOUGH2-MP/FLAC3D. In the developed BBM module in TOUGH2-MP/FLAC3D, the plastic strains due to change in suction increase (SI) in addition to mean effective stress are calculated. In addition to loading-collapse (LC) yield surface, suction increase (SI) yield surface is changed by hardening rules in the developed BBM module. Several numerical simulations were conducted to verify and validate the implementation of BBM: using an example presented in the FLAC3D manual for the standard MCCM, simulation results using COMSOL, and experimental data presented in SKB Reports. In addition, the developed BBM analysis module was validated by simultaneously performing a series of modeling tests that were performed for the validation of the Quick tools developed for the purpose of effectively deriving BBM parameters, and by comparing the Quick tools and Code_Bright results reported in a previous study.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Principles of final disposal of spent nuclear fuel according to the KBS-3V method (SKB, 2010)
그림 Fig. 2. Concept of Korean reference HLW vertical disposal system, KRS-V1 (Lee et al., 2007, Lee et al., 2008)
그림 Fig. 3. Mutual relationships between THM processes in a porous medium (CODE BRIGHT, 2004)
그림 Fig. 4. Three-dimensional representation of the yield surface in the p ‐ q ‐ s space (modified after Alonso et al., 1990)
그림 Fig. 5. Compression curves for saturated and unsaturated soil (modified after Alonso et al., 1990)
그림 Fig. 6. Three-dimensional representation of the yield surface in the p ‐ q ‐ T space (modified after Gens, 1995)
그림 Fig. 7. Configuration of simulation test to verify the BBM implementation into FLAC3D under fully saturated condition using MCCM example in FLAC3D manual
그림 Fig. 8. Result of simulation tests to verify the implementation BBM into FLAC3D within the UDM capability of FLAC3D
표 Table 1. Input parameters for the modeling of isotropic compression test to verify BBM module using MCCM example in FLAC3D manual
표 Table 2. Input parameters for numerical simulations of examples presented in Alonso et al. (1990)
그림 Fig. 9. Response of model to decreasing suction (wetting) at increasing net mean stress
그림 Fig. 10. Response of model to decreasing suction (wetting) at increasing net mean stress
그림 Fig.11. Response of model to increments of net mean stress (p) and increasing suction (drying)
그림 Fig.12. Response of model to change of SI and increments of net mean stress (p)
표 Table 3. Input parameters of numerical simulations for the laboratory tests
그림 Fig. 13. Device used for the oedometer tests (modified from Dueck and Nilsson, 2010).
그림 Fig.14. Numerical simulation results of compression test under constant suction with experimental and modeling results presented in Kristensson and Ảkesson (2008) for MX80 bentonite
그림 Fig.15. Numerical simulation results of swelling test under constant axial load with experimental and modeling results presented in Kristensson and Ảkesson (2008) for MX80 bentonite
그림 Fig. 16. Rowe oedometer with MX80 sample having a diameter of 152 mm and an initial height of 30 mm (modified from Dueck and Nilsson, 2010)
그림 Fig. 17. Evolution of deviatoric stress during the numerical simulation in this study and laboratory test (T39) presented in Dueck and Nilsson (2010)
그림 Fig.18. Numerical simulation results of swelling test under fully saturated condition with experimental and modeling results presented in Kristensson and Ảkesson (2008)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	새롭게 제안된 BBM은 어떠한 모델인가?	Gens(1995)는 탄소성 모델인 BBM을 온도(T) 변화에 따른 항복면의 변화를 고려하여 열･탄소성 모델(thermo-elasto-plastic model)로 새롭게 제안하였다. 새롭게 제안된 BBM은 온도가 증가함에 따라 항복면이 작아지는 특징을 갖는 모델로써, 항복면을 삼차원 p―q―T 공간에 도시하면 Fig. 6과 같이 표현이 된다.
	심층처분방식은 어떤 방식인가?	1과 같은 심층처분방식(deep geological disposal concept)의 Kärnbränslesäkerhet(KBS)를 제안하였다. 지하 수백 미터 깊이의 암반에 처분 터널을 굴착하고 고준위방사성폐기물을 공학적방벽물질인 벤토나이트 완충재와 함께 처분공에 처분한 후, 뒷채움재(backfill materials)로 처분 터널을 완전히 메워 안전하게 격리 하는 방식이다. 한국의 경우, 스웨덴의 심층처분 개념을 토대로 한국원자력연구원이 지하 500 m 심도에 고준위방사성폐기물을 직접 처분하는 한국형 기준 처분시스템(Korean Reference HLW disposal System, KRS)을 Fig.
	심층처분방식을 고려하고 있는 여러 나라들에서 완충재의 접촉면에서의 최고 온도가 섭씨 100도를 넘지 않도록 규정하는 이유는?	고준위방사성폐기물 처분장 설계 및 성능평가 관점에서 볼 때, 벤토나이트 완충재가 100°C 이상의 온도에 장기간 노출될 경우 완충재의 열적 변성(thermal alteration)으로 인해 완충재의 성능이 저하될 수 있기 때문에, 심층처분방식을 고려하고 있는 여러 나라들은 처분용기와 완충재의 접촉면에서의 최고 온도가 100°C를 넘지 않도록 규정하고 있다(JNC, 2000, SKB, 2009, Lee et al., 2007).

참고문헌 (17)

Alonso, E.E., A. Gens and A. Josa, 1990, A constitutive model for partially saturated soils, Geotechnique, Vol. 40, 405-430.

상세보기
CODE BRIGHT, 2004, A 3D program for thermo-hydro-mechanical analysis in geological media manual, Barcelona, UPC.
Dueck, A. and U. Nilsson, 2010, Thermo-Hydro-Mechanical properties of MX-80 Results from advanced laboratory tests, SKB TR-10-55, Svensk Karnbranslehantering AB.
ENRESA, 2000, FEBEX project, Full-scale engineered barriers experiment for a deep geological repository for high level radioactive waste in crystalline host rock, Final report, ENRESA, Madrid.
Gens, A., 1995, Constitutive laws. In: Gens, A., Jouanna, P., Schrefler, B.A. (Eds.), Modern Issues in Non-saturated Soils, Springer-Verlag, New York, 129-158.
Itasca, 2012, FLAC3D Version 5.0, Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Constitutive Models, Itasca Consulting Group, Minnesota.
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Kristensson, O. and M. Akesson, 2008, Mechanical modeling of MX-80 - quick tools for BBM parameter analysis, Physics and Chemistry of the Earth, 33, 508-515.

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Lee, J.Y., D. Cho, H. Choi and J. Choi, 2007, Concept of a Korean Reference Disposal System for Spent Fuels, Journal of Nuclear Science and Technology, 44.12, 1565-1573.

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Lee, J.Y., S.S. Kim, S.K. Kim, D.G. Cho, K.Y. Kim, J.T. Jeong, K.S. Jeon, J.W. Choi, J.O. Lee, M.S. Lee and P.O. Kim, 2008, Korean Reference HLW Disposal System, KAERI Technical report KAERI/TR-3563/2008, Korea Atomic Energy Research Institute (in Korean).
Lee, J., C. Lee and G.-Y., Kim, 2016, Development of TOUGH2-MP/FLAC3D simulator for the coupled thermal-hydraulicmechanical analysis in porous media, KAERI Technical report KAERI/TR-6737/2016, Korea Atomic Energy Research Institute (in Korean).
Lee, C., S. Yoon, J. Lee and G.Y. Kim, 2019, Introduction of Barcelona Basic Model for Analysis of the Thermo-Elasto-Plastic Behavior of Unsaturated Soils, Tunnel and Underground Space, Vol. 29(1), pp. 38-51.

원문보기 상세보기
Pruess, K., C. Oldenburg and G. Moridis, 1999, TOUGH2 User's Guide, Version2.0, Report LBNL-43134. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California.
Rutqvist, J., Y. Ijiri and H. Yamamoto, 2011, Implementation of the Barcelona Basic Model into TOUGH-FLAC for simulations of the geomechanical behavior of unsaturated soils, Computer & Geosciences, 37, 751-762.

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SKB, 2009, Design premises for a KBS-3V repository based on results from the safety assessment SR-Can and some subsequent analyses, SKB Technical report TR-09-22, Svensk Karnbranslehantering AB.
SKB, 2010, Choice of method - evaluation of strategies and systems for disposal of spent nuclear fuel, SKB report P-10-47, Svensk Karnbraanslehantering AB.
Tang, A.-M., Y.-J. Cui and T.-T. Le, 2008, A study on the thermal conductivity of compacted bentonites, Applied Clay Science, 41, 181-189.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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