Experimentally based surrogate models for volumetric compressibility of partially saturated bentonite clay
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-09-30
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's programme in Mechanical Engineering
Language
en
Pages
78
Series
Abstract
The thesis objective was to develop experimentally based surrogate models for volumetric compressibility of partially saturated bentonite clay. Bentonite is a natural swelling clay used in several geotechnical applications. This thesis focuses on bentonite’s role in the multi-barrier concept for the final disposal of nuclear waste in deep geological repositories. Developing experimentally based surrogate models for bentonite’s elastic and plastic behaviour can increase understanding of the relationship between critical factors affecting bentonite’s mechanical behaviour. A literature review provides the reader with a clear description of the relevant concepts and the current state of bentonite barriers in the final disposal concept. After the Literature Review, a new independent compaction station for volumetric compaction is developed and tested. After that, the researcher carefully drafts the design of experiments, which includes four main conditions: bentonite type, water content, water salinity and waiting time. Mechanical compactions are conducted according to the design of experiments in the new independent compaction station. The compaction data are examined, and the elastic and plastic hardening parameters are obtained from the calibrated data by using the elastoplastic models presented in the Literature Review. The hardening parameters are used to develop the elastic and plastic surrogate models separately. The elastic surrogate model identifies bentonite type as the most significant factor, where sodium bentonite is more resistant to elastic deformations than calcium bentonite. The water salinity mix that matches the realistic environment in the bedrock increased resistance in the elastic model. Water content and waiting time did not significantly impact the model. Similarly, the plastic surrogate model's most significant factor was the bentonite type. However, calcium bentonite will be more resistant towards plastic deformations than sodium bentonite. The remaining factors were consistent with the findings of the elastic model. These findings explain the relationship between critical factors and serve as a robust framework for predicting bentonite’s mechanical behaviour.Syftet med avhandlingen var att utveckla experimentellt baserade surrogatmodeller för volymetrisk kompressabilitet hos delvis vattenmättad bentonitlera. Bentonit är en naturlig svällande lera som används i flera geotekniska tillämpningar. Denna avhandling fokuserar på bentonitens roll i konceptet för slutförvaring av kärnavfall i geologiska förvar. Genom att utveckla experimentellt baserade surrogatmodeller för bentonitens elastiska och plastiska beteende kan man öka förståelsen för sambandet mellan kritiska faktorer som påverkar bentonitens mekaniska beteende. En litteraturgenomgång ger läsaren en tydlig beskrivning av de relevanta begreppen och det aktuella läget för bentonitbarriärer i slutförvarskonceptet. Efter litteraturgenomgången utvecklas och testas en ny teststation för volymetrisk komprimering. Därefter utarbetar forskaren noggrant en planering av experimenten, som innehåller fyra huvudvillkor: typ av bentonit, vatteninnehåll, vattnets salthalt och väntetid. Mekaniska komprimeringar utförs enligt experimentplaneringen i den nya kompakteringsstationen. Testdata från komprimeringarna kalibreras och de elastiska och plastiska parametrarna erhålls från denna testdata med hjälp av de elastoplastiska modeller som presenteras i litteraturgenomgången. Parametrarna används för att utveckla de elastiska och plastiska surrogatmodellerna separat. Den elastiska surrogatmodellen identifierar bentonittyp som den viktigaste faktorn, där natriumbentonit är mer motståndskraftig mot elastiska deformationer än kalciumbentonit. Den salthalts blandning som matchar den realistiska miljön i berggrunden ökade motståndet i den elastiska modellen. Vatteninnehåll och väntetid påverkade inte modellen nämnvärt. I den plastiska surrogatmodellen var bentonittypen återigen den mest betydande faktorn. Kalciumbentonit är dock mer motståndskraftig mot plastiska deformationer än natriumbentonit. De återstående faktorerna överensstämde med resultaten från den elastiska modellen. Dessa resultat förklarar förhållandet mellan kritiska faktorer och fungerar som ett robust ramverk för att förutsäga bentonitens mekaniska beteende.Description
Supervisor
Bossuyt, SvenThesis advisor
Pulkkanen, Veli-MattiKeywords
bentonite, surrogate models, design of experiments, compaction, mechanical behaviour, nuclear waste management