Modelling a granular bentonite system as a discrete set of continuum units

Abstract

A model is proposed to describe the hydromechanical behaviour of granular bentonite systems. Its formulation is based on abstracting the system as a discrete set of bentonite units, which form continuum sub-domains where homogeneous behaviour is assumed. This allows the mass balance of each unit to be characterised in an integrated way, in addition to applying advanced double porosity-based models with relative simplicity to describe its stress–strain behaviour. As a first approach, the liquid flow in the megapores between the units is approximated with an advective–diffusive continuous medium formulation. The contact between units is modelled using a strut scheme. To evaluate the scope of the model, the hydration of a granular bentonite specimen has been reproduced. Without introducing material parameters additional to those used in double porosity models, very satisfactory results have been obtained when modelling the evolution of the integrated behaviour of the whole sample (swelling pressure and total water mass increase) as well as the evolution of the distribution of water content, dry density and local vertical displacements. The model has demonstrated its consistency by maintaining the quality of the fit regardless of the significant decrease in megaporosity. In addition, the results illustrate the capability of the formulation to introduce the effect of friction and of the initial heterogeneity of the system into the model. For this reason, and although the scope of the formulation must be evaluated in a wider range of cases (non-isothermal conditions, non-negligible salinity, high porosity granular systems), the model is a tool of interest for the analysis of the homogenisation of granular bentonite systems.

Se propone un modelo para describir el comportamiento hidromecánico de sistemas bentoníticos granulares. Su formulación se basa en abstraer el sistema como un conjunto discreto de unidades de bentonita, que forman subdominios continuos en los que se asume un comportamiento homogéneo. Esto permite caracterizar de forma integrada el balance de masas de cada unidad, además de aplicar modelos avanzados basados en la doble porosidad con relativa simplicidad para describir su comportamiento tensión-deformación. Como primera aproximación, el flujo de líquido en los megaporos entre las unidades se aproxima con una formulación de medio continuo advectivo-difusivo. El contacto entre unidades se modela mediante un esquema de puntales. Para evaluar el alcance del modelo, se ha reproducido la hidratación de una muestra de bentonita granular. Sin introducir parámetros materiales adicionales a los utilizados en los modelos de doble porosidad, se han obtenido resultados muy satisfactorios al modelizar la evolución del comportamiento integrado de toda la muestra (presión de hinchamiento e incremento de masa de agua total), así como la evolución de la distribución del contenido de agua, la densidad seca y los desplazamientos verticales locales. El modelo ha demostrado su coherencia al mantener la calidad del ajuste independientemente de la disminución significativa de la megaporosidad. Además, los resultados ilustran la capacidad de la formulación para introducir en el modelo el efecto de la fricción y de la heterogeneidad inicial del sistema. Por ello, y aunque el alcance de la formulación debe ser evaluado en un rango más amplio de casos (condiciones no isotérmicas, salinidad no despreciable, sistemas granulares de alta porosidad), el modelo constituye una herramienta de interés para el análisis de la homogeneización de sistemas bentoníticos granulares.