Micromechanical study of damage growth and permeability variation in brittle rocks

• Autorzy: Zhou J.J. , Shao J.F. , Łydżba D.

Warianty tytułu

PL

Mikromechaniczne badania powiększania się uszkodzenia i zmienność przepuszczalności kruchych skał

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a coupled model for anisotropic damage and permeability evolution by using a micro-macro approach. The damage state is represented by a space distribution of microcrack density. The evolution of damage is directly linked to the propagation condition of microcracks. The macroscopic free enthalpy function of cracked material is obtained by using micromechanical considerations. It is assumed that the microcracks exhibit normal aperture which is associated with the crack growth due to the asperity of crack faces. By using Darcy's law for macroscopic fluid flow and assuming laminar flow in microcracks, the overall permeability of the representative volume element is obtained by an averaging procedure taking into account the contribution of crack aperture in each orientation.

PL

Przedstawiono sprzężony model anizotropowego uszkodzenia i zmiany przepuszczalności, stosując podejście mikro-makro. Stan uszkodzenia jest odwzorowany przez rozkład przestrzenny gęstości mikropęknięcia. Ewolucja uszkodzenia wiąże się bezpośrednio z warunkiem rozprzestrzeniania się gęstości mikrouszkodzeń. Makroskopową funkcję entalpii swobodnej spękanego materiału otrzymuje się na podstawie rozważań mikromechanicznych. Zakłada się, że mikrouszkodzenia mają zwykłą szczelinę, co jest związane z powiększaniem się pęknięcia wskutek chropowatości powierzchni czołowej pęknięć. Używając prawa Darcy'ego do opisu makroskopowego przepływu cieczy i zakładając, że jest on laminarny w mikrouszkodzeniach, otrzymano całkowitą przepuszczalność reprezentatywnego elementu trójwymiarowego za pomocą uśredniającej procedury, w której uwzględnia się udział szczeliny pęknięcia w każdym kierunku.

Słowa kluczowe

EN

brittle rocks; permeability; microcrack

PL

skała; kruchość; przepuszczalność; mikrouszkodzenie; mikropęknięcie

• Wydawca: De Gruyter
• Czasopismo: Studia Geotechnica et Mechanica
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 28, nr 1
• Strony: 61--73
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Zhou J.J.

autor

Shao J.F.

autor

Łydżba D.

• Laboratory of Mechanics of Lille, UMR8107 CNRS, Polytech-Lille, Cite scientifique, 59655 Villeneuve d'Ascq, France; Institute of Gcotechnics and Hydrotechnics, Wrocław University of Technology, Wrocław, Poland,

Bibliografia

• [1] BAZANT Z.P., Oh B.H., Efficient numerical integration on the surface of a sphere, ZAMM. Z. Angew. Math. U. Mech., 1986, 66 (1), 37-49.
• [2] BERKOWITZ B., Characterizing flow and transport in fractured geological media: A review. Advances in Water Resources, 2002, 25, 861-884.
• [3] CHEN Z., NARAYAN S.P., YANG Z., RAHMAN S.S., An experimental investigation of hydraulic behaviours of fractures and joints in granitic rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2000, 37, 1061-1071.
• [4] DOOLIN D.M., MAULDON M., Fracture permeability normal to bedding in layered rock masses, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2001, 38, 199-210.
• [5] DORMIEUX L., KONDO D., Approche micromecanique du couplage permeabilite-endommagement, C.R. Mecanique (in press), 2004.
• [6] KACHANOV M., Elastic solids with many cracks and related problems, [in:] Advances in Applied Mechanics, Vol. 30, 1993, Hutchinson J. and Wu T. (eds.). Academic Press, N. Y., 259-445.
• [7] LEE C.H., DENG B.W., CHANG J.L., A continuum approach for estimating permeability for naturally fractured rocks. Engineering Geology, 1995, 39, 71-85.
• [8] LUBARDA V.A., KRAJCINOVIC D., Damage tensor and the crack density distribution, Int. J. Solids Structures, 1993, 30(20), 2859-2877.
• [9] ODA M., Permeability tensor for discontinuous rock masses, Geotecnique, 1985, 35(4), 483-495.
• [10] ODA M., TAKEMURA T., AOKI T., Damage growth and permeability change in triaxial compression tests of Inada granite, Mechanics of Materials, 2002, 34, 313-331.
• [11] PATERSON S., Experimental deformation of rocks: the brink field, Berlin, Springer, 1978.
• [12] PENSEE V., KONDO D., DORMIEUX L., Micromechanical analysis of anisotropic damage in brittle materials, J. Engng Mech. ASCE, 2002, 128(8), 889-897.
• [13] SCHULZE O., POPP T., KERN H., Development of damage and permeability in deforming rock salt, Engineering Geology, 2001, 61, 163-180.
• [14] SNOW D.T., Anisotropic permeability of fractured media, Water Resources Researches, 1969, 5(6), 1273-1289.
• [15] SUZUKI K., ODA M., YAMAZAKI M., KUWAHARA T., Permeability changes in granite with crack growth during immersion in hot water, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1998, 35(7), 907-921.
• [16] WANG J.A., PARK H.D., Fluid permeability of sedimentary rocks in a complete stress-strain process, Engineering Geology, 2002, 63, 291-300.
• [17] WONG T.F., Micromechanics of faulting in Westerly granite, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1982, 19, 49-6.
• [18] YANG Q., Li Z., THAM L.G., An explicit expression of the second-order fabric tensor dependent elastic compliance tensor, Mech. Res. Communications, 2001, 28(3), 255-260.
• [19] ZHANG X., SANDERSON D.J., HARKNESS R.M., LAST N.C., Evaluation of the 2-D permeability tensor for fractured rock masses, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 1996, 33(1), 17-37.