Prediction of stress-driven rock mass damage in spent nuclear fuel repositories in hard crystalline rock and in deep underground mines
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-05-29
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
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
63 + app. 105
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 98/2018
Abstract
Nuclear plants have existed since the 1950s, and they provide 11 % of the world's electricity production. Worldwide, 30 countries are operating 448 nuclear reactors for electricity generation, and 57 new nuclear plants are under construction in 15 countries. Measured by deaths per terawatt hour, nuclear power is the safest method to provide energy, but it does produce a range of radioactive waste, which must be disposed of safely and responsibly. The deep geological repository is currently the only acceptable long-term solution for high-level nuclear waste. The two most common causes of rock mass failure are structurally controlled gravity-driven failure and stress-induced failure. Usually, surface and near-surface rock excavations are subject to structurally controlled gravity-driven problems, but in deep rock spaces, the in-situ stress of the rock mass increases and the risk of stress-driven problems grows. The five most common stress-driven damage mechanisms are i) rockburst, ii) spalling, iii) convergence, iv) shearing and v) seismic. Excessive convergence is rarely a problem in hard, massive rock mass. In this thesis, the remaining four mechanisms are addressed. The goals of the research were to discover the damage-reducing capability of thin sprayed concrete liners, to define the strength of long rock joints, and to develop a real-time risk management concept. Numerical modelling was used to design an in-situ concrete spalling experiment, the ICSE. Laboratory scale mortar rock joint replicas were used to study the scale effect, and large 2.00 m by 0.95 m (ASPERT) and 0.50 m by 0.25 m rock joints were sheared to validate the methods. A new real-time formulation of the Geotechnical Risk Management (GRM) concept was studied using both example cases and case data. New methods were developed for the photogrammetric capture of rock joint surfaces and shear testing of large rock samples. The numerical modelling predictions for the in-situ experiment show that the thin concrete liner produces up to 3 MPa of support pressure and using polyaxial Ottosen criterion the liner is not damaged during the heating stage. Both the replica shear tests and the large shear tests results show a weak negative scale effect. Based on the initial analyses using example data, Bayesian networks appear compatible with the Observational Method, and the approach is ready to be tested using real data. The three main conclusions each address the stress-driven damage prediction and mitigation. The stress-driven damage can be reduced using support pressure generated by thin concrete liners. A new method was developed to capture rock joint geometry using photogrammetry and to manufacture mortar replicas for laboratory scale shear testing. The use of Bayesian networks, together with the real-time geotechnical risk management concept, was demonstrated. The results contribute towards predicting stress-driven damage in deep underground spaces.Ydinenergialaitoksia on ollut olemassa 1950-luvulta lähtien, ja ne tuottavat 11 % maailman sähköntarpeesta. Maailmanlaajuisesti 30 maata käyttää 448:aa ydinreaktoria sähköntuotantoon, ja 57 uutta reaktoria on rakenteilla 15 maassa. Mitattuna kuolemantapauksilla terawattituntia kohden ydinenergia on turvallisin tapa tuottaa energiaa, mutta se tuottaa myös erilaisia ydinjätteitä, joista täytyy huolehtia turvallisesti ja vastuullisesti. Syvä geologinen säilö on tällä hetkellä ainoa hyväksytty pitkäaikainen ratkaisu korkea-aktiiviselle ydinjätteelle. Kalliotilojen sortumat voivat tapahtua useista eri syistä, mutta kaksi yleisintä syytä ovat rakenteellinen painovoimainen murtuma ja jännityksen aiheuttama murtuma. Yleensä pinnassa ja lähellä pintaa tehtävissä louhinnoissa on kyse rakenteellisista painovoimaisista murtumista, mutta syvemmissä kalliotiloissa maankuoren jännitys ja jännitysvaurioiden todennäköisyys kasvavat. Viisi yleisintä jännitysvauriomekanismia ovat i) kallioräiske, ii) hilseily, iii) siirtymä, iv) leikkautuminen, v) seisminen. Liiallinen siirtymä on harvoin ongelma kovassa, massiivisessa kalliossa. Tässä väitöskirjassa käsitellään jäljelle jäävää neljää mekanismia. Tutkimuksen päätavoitteina on selvittää ohuiden ruiskubetonikuorien jännitysvaurioita vähentävän vaikutuksen suuruus, määrittää pitkien rakojen mekaaniset ominaisuudet ja kehittää reaaliaikainen riskienhallintakonsepti. Numeerista mallintamista käytettiin betonin hilseilyn in situ -kokeen (ICSE) suunnittelemiseksi. Laboratoriomittakaavan rakojen laastijäljenteitä käytettiin mittakaavavaikutuksen tutkimiseksi, ja ison mittakaavan 2,00 m kertaa 0,95 m (ASPERT) sekä 0,50 m kertaa 0,25 m rakonäytteet leikkauskuormitettiin menetelmien varmentamiseksi. Uutta reaaliaikaista geoteknistä riskienhallintakonseptia (GRM) tutkittiin esimerkkitapauksia sekä tapaustietoja käyttäen. Uusia menetelmiä kehitettiin kallion rakopintojen fotogrammetriseen tallentamiseen ja suurten rakonäytteiden leikkauskoestamiseen. Numeerisen mallinnuksen ennusteet ICSElle osoittavat, että ohut betonikuori tuottaa enintään 3 MPa tukipaineen, ja käyttämällä moniaksiaalista Ottosen murtokriteeriä betonikuori ei vaurioidu lämmitysvaiheen aikana. Sekä replikaleikkauskoesarjassa että isommissa leikkauskokeissa havaittiin negatiivinen mittakaavavaikutus. Esimerkkiaineiston alustavien analyysien perusteella Bayes-verkot vaikuttavat yhteensopivilta seurantamenetelmän kanssa, ja lähestymistapa on valmis testattavaksi todellisella datalla. Kaikki kolme pääjohtopäätöstä liittyvät jännitysvaurioitumiseen sekä sen vähentämiseen. Jännitysvaurioita voidaan vähentää ohuiden betonikuorien tukipaineen avulla. Uusi menetelmä kehitettiin kalliorakojen geometrian digitoimiseksi ja laastijäljenteiden valmistamiseksi laboratoriomittakaavan rasialeikkauskokeita varten. Bayes-verkkojen käyttöä havainnollistettiin yhdessä reaaliaikaisen geoteknisen riskienhallintakonseptin kanssa.Description
Supervising professor
Rinne, Mikael, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, FinlandThesis advisor
Rinne, Mikael, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, FinlandKeywords
spalling, rockburst, photogrammetry, shear test, risk management, hilseily, kallioräiske, fotogrammetria, leikkauskoe, riskienhallinta
Other note
Parts
- [Publication 1]: Uotinen, Lauri; Siren, Topias; Martinelli, Daniele; Hakala, Matti. Insitu experiment concerning thermally induced spalling of circular shotcreted shafts in deep crystalline rock. In: Anagnostou, Georg; Ehrbar, Heinz. Underground – the way to the future. Geneva, Switzerland. CRC Press. 2013. Pages 808–815.
-
[Publication 2]: Siren, Topias; Uotinen, Lauri; Rinne, Mikael; Shen, Baotang. Fracture Mechanics Modelling of an In Situ Concrete Spalling Experiment. Springer. Rock Mechanics and Rock Engineering. Volume 48, 2014, pp. 1423–1438.
DOI: 10.1007/s00603-014-0646-1 View at publisher
-
[Publication 3]: Uotinen, Lauri; Siren, Topias. Elastoplastic Modelling of an In Situ Concrete Spalling Experiment Using the Ottosen Failure Criterion. Hindawi. Journal of Engineering, Volume 2017, 2017, Article ID 4723017, 16 pages.
DOI: 10.1155/2017/4723017 View at publisher
- [Publication 4]: Uotinen, Lauri; Korpi, Eero; Hartikainen, Ari; Yorke, Raphaël; Antikainen, Juha; Johansson, Fredrik; Rinne, Mikael. A method to downscale joint surface roughness and to create replica series using 3D printed moulds. ISRM 13th International Congress on Rock Mechanics, Montréal, May 10–13, 2015. Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum CIM. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191097.
-
[Publication 5]: Dzugala, Magdalena; Sirkiä, Joni; Uotinen, Lauri; Rinne, Mikael. Pull Experiment to Validate Photogrammetrically Predicted Friction Angle of Rock Discontinuities. Elsevier. Procedia Engineering. Volume 191, 2017, pp. 378–385. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201710157074.
DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.194 View at publisher
-
[Publication 6]: Mishra, Ritesh; Janiszewski, Mateusz; Uotinen, Lauri; Szydlowska, Martyna; Siren, Topias; Rinne, Mikael. Geotechnical Risk Management Concept for Intelligent Deep Mines. Elsevier. Procedia Engineering. Volume 191, 2017, pp 361-368. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201710136974.
DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.192 View at publisher
- [Publication 7]: Mishra, Ritesh; Uotinen, Lauri; Rinne, Mikael. Bayesian network approach for geotechnical risk assessment in underground mines. Manuscript submitted to Safety Science on 6th October, 2017 and revised according to preexamination comments.