다양한 실험조건에 따른 경주 벤토나이트 완충재 블록의 팽윤 거동 해석

Swelling behavior Simulation Study of KJ-II Bentonite Buffer Blocks under Various Experimental Conditions

본 연구에서는 완충재 블록의 팽윤 거동 특성을 파악하고자 COMSOL Multiphysics의 비선형 탄성모델을 활용하여 완충재 팽윤압 측정실험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험 조건과 동일하게 사방 구속조건 및 물 주입압을 경계조건으로 설정하였으며, 실험값과 수치해석 결과를 비교하여 수치해석 모델을 검증하였다. 이후 해당 수치해석 모델을 활용하여 비구속 조건에서의 팽윤변형, 건조밀도별 팽윤압, 그리고 완충재의 기하학 형태에 따른 팽윤압을 모사하였다. 해석결과, 모델은 포화 과정에 따른 팽윤변형 현상과 건조밀도가 높아질수록 팽윤압이 증가하는 현상을 적절히 모사하였다. 또한, 완충재 기하학 형태에 따른 팽윤압 모사 결과에서는 팽윤압이 증가하는 속도가 원통형 시료보다 U자형 시료에서 훨씬 빠르게 나타났고, 포화 과정에 따라 U자형 시료의 내부 모서리에서 선제적으로 응력이 발현되는 것으로 분석되었다. 다만, 완충재의 실제 거동을 보다 정확하게 모사하기 위해서는 비선형 탄소성 모델을 적용하여 해석모델의 수준을 고도화해야 할 것으로 판단된다.

This study aimed to evaluate the swelling behavior characteristics of KJ-II buffer blocks by performing numerical analysis of swelling pressure measurement experiments using the nonlinear elasticity model of COMSOL Multiphysics. The analysis was conducted under boundary conditions that included isotropic constraints and water injection pressure, mirroring the experimental settings. Validation of the numerical model was achieved by comparing its outputs with experimental results. The validated model was then used to simulate swelling deformations under unconfined conditions and to analyze swelling pressure as influenced by dry density and the geometric shape of the buffer material. The results accurately represented the swelling deformation observed during the saturation process and demonstrated that swelling pressure increases with higher dry density. Moreover, simulations concerning the geometric shape of the buffer material indicated a markedly faster rate of pressure increase in U-shaped samples compared to cylindrical ones. Analysis suggested that stress manifested preemptively near the internal edges of U-shaped samples during saturation. To enhance the simulation's fidelity to actual buffer material behavior, further refinement of the analysis model using a nonlinear elasticity model is recommended.