Hydromechanical simulation of argillaceous rocks for radioactive waste disposal applications

Abstract

(English) Argillaceous claystones are primarily composed of clay particles of sedimentary origin and contain a substantial amount of chemically precipitated cement, often calcium carbonate, which acts as a bonding agent. Due to their favorable properties—such as low permeability, minimal molecular diffusion, self-sealing capabilities, and high retention capacity for radionuclides—they are considered suitable host geomaterials for the deep geological disposal of radioactive waste. However, fractures within these geomaterials, induced by excavations or post-disposal processes, can create preferential pathways for radionuclide migration, potentially influencing the performance of the disposal system. Therefore, these problems should be umerically evaluated. However, due to their complex behavior, modeling argillaceous rocks presents a significant challenge. Under shearing, these geomaterials exhibit anisotropy, creep, and quasi-brittle failure characterized by significant post-peak softening and strain localization. This study aims to investigate the hydromechanical response of Callovo-Oxfordian (COx) argillaceous claystones to laboratory tests, field excavations, and post-disposal processes by employing the argillite models implemented in the CODE-BRIGHT program. The argillite models are adopted since they can effectively reproduce the key characteristics of argillaceous materials. Additionally, throughout this thesis, several other constitutive models are applied to simulate the behavior of materials interacting with the COx, including soft and rigid supports, and swelling materials. The outcomes of this thesis provide significant insight into the hydromechanical behavior of argillaceous rocks, thereby contributing to a more accurate evaluation of the disposal process.

(Català) Les argil·listes estan compostes principalment per partícules d’argila d’origen sedimentari i contenen una quantitat considerable de ciment precipitat químicament, sovint carbonat de calci, que actua com a agent aglutinant. Gràcies a les seves propietats favorables—com ara baixa permeabilitat, difusió molecular mínima, capacitat d’auto-segellat i elevada capacitat de retenció de radionúclids—es consideren geomaterials hostes adequats per a la disposició geològica profunda de residus radioactius. No obstant això, les fractures dins d’aquests geomaterials, induïdes per excavacions o processos posteriors a la disposició, poden crear vies preferents per a la migració de radionúclids, cosa que pot influir en el rendiment del sistema de disposició. Per aquest motiu, aquests problemes s’han d’avaluar numèricament. Tot i això, a causa del seu comportament complex, la modelització de les roques argiloses presenta un repte important. Sota esforços de cisalla, aquests geomaterials mostren anisotropia, fluència i una fallida quasi-fràgil caracteritzada per un marcat estovament post-pic i localització de deformacions. Aquest estudi té com a objectiu investigar la resposta hidromecànica de les argil·listes del Callovo-Oxfordià (COx) mitjançant assaigs de laboratori, excavacions de camp i processos posteriors a la disposició, emprant els models d’argilita implementats en el programa CODE-BRIGHT. S’adopten aquests models d’argilita perquè poden reproduir de manera eficaç les característiques clau dels materials argilosos. A més, al llarg d’aquesta tesi s’apliquen diversos altres models constitutius per simular el comportament dels materials que interactuen amb el COx, incloent-hi suports tous i rígids, així com materials expansius. Els resultats d’aquesta tesi proporcionen una visió significativa del comportament hidromecànic de les roques argiloses, contribuint així a una avaluació més precisa del procés de disposició.

(Español) Las lutitas arcillosas están compuestas principalmente por partículas de arcilla de origen sedimentario y contienen una cantidad considerable de cemento precipitado químicamente, a menudo carbonato de calcio, que actúa como agente aglutinante. Debido a sus propiedades favorables—como baja permeabilidad, difusión molecular mínima, capacidad de auto-obturación y alta capacidad de retención de radionúclidos—se consideran geomateriales hospedadores adecuados para la disposición geológica profunda de residuos radiactivos. Sin embargo, las fracturas dentro de estos geomateriales, inducidas por excavaciones o procesos posteriores a la disposición, pueden crear vías preferenciales para la migración de radionúclidos, lo que podría influir en el desempeño del sistema de disposición. Por lo tanto, estos problemas deben ser evaluados numéricamente. No obstante, debido a su comportamiento complejo, modelar las rocas arcillosas representa un desafío considerable. Bajo esfuerzos de corte, estos geomateriales presentan anisotropía, fluencia (creep) y una falla cuasi-frágil caracterizada por un notable ablandamiento post-pico y localización de deformaciones. Este estudio tiene como objetivo investigar la respuesta hidromecánica de las lutitas arcillosas del Callovo-Oxfordiano (COx) ante ensayos de laboratorio, excavaciones en campo y procesos posteriores a la disposición, utilizando los modelos de argilita implementados en el programa CODE-BRIGHT. Se adoptan dichos modelos de argilita ya que reproducen eficazmente las características clave de los materiales arcillosos. Además, a lo largo de esta tesis se aplican varios otros modelos constitutivos para simular el comportamiento de materiales que interactúan con el COx, incluidos soportes blandos y rígidos, así como materiales expansivos. Los resultados de esta tesis proporcionan una visión significativa del comportamiento hidromecánico de las rocas arcillosas, contribuyendo así a una evaluación más precisa del proceso de disposición.