Permeability and deformation characteristics of Shirahama sandstone under a general stress state

• Autorzy: Takahashi M.

Warianty tytułu

PL

Przepuszczalność i właściwości odkształceniowe piaskowca Shlrahama w warunkach złożonego stanu naprężenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, results of experimental studies on the dependence between the permeability and the deformation mode of Shirahama sandstone subjected to an axi-symmetric triaxial compressive stress state and a true triaxial compressive stress state are presented. Under conventional triaxial compression conditions, in the brittle faulting regime, permeability decreases with increasing axial strain until the onset of dilatancy when it increases significantly with ongoing axial strain. For specimens subjected to effective confining pressures of less than 10 MPa, the final permeability is greater than the initial value; by contrast, in both the brittle-ductile transition and ductile regimes the permeability following the onset of dilatancy increases only slightly. Deformed and failed specimens show a final value of permeability that is lower than the initial pre-deformation value. Whether shear displacement exerts a significant control on the permeability of faults in rock masses is a major topic of concern in the fields of engineering and earth sciences. To c1arify the relation between permeability and the internal structure of a rock sample, the three principal strains and permeability along the intermediate principal stress direction were measured during deformation as a function of the three principal stresses. The specimen was deformed under a true triaxial compression stress state in which the intermediate principal stress was different to the minimum and maximum principal stress.

PL

W artykule przedstawione są wyniki badań nad zależnością pomiędzy przepuszczalnością a charakterem deformowania się próbek piaskowca Shirahama w warunkach osiowo-symetrycznego i asymetrycznego (prawdziwie trójosiowego) stanu naprężeń ściskających. Mioceński piaskowiec Shirahama pochodzi z półwyspu Kii na wyspie Honsiu w środkowej Japonii. Jest to skała zbudowana głównie z ziaren kwarcu (44,23%) i okruchów skał (46,41%). Wielkość ziaren kwarcu wynosi średnio ok. 0,15 mm. W piaskowcu dominują pustki o wielkości l [...]; całkowita porowatość skały wynosi ok. 13% (rys. 1). Badania nad przepuszczalnością piaskowca Shirahama w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania przy różnych ciśnieniach okólnych zostały przeprowadzone za pomocą aparatury przedstawionej na rysunku 2. Badane były próbki walcowe o średnicy 30 mm i wysokości 60 mm. Przy niskich ciśnieniach okólnych próbki skały doznawały dylatancji i pękały ścięciowo w stadium pokrytycznym. W warunkach wysokich ciśnień skała zachowywała się ciągliwie, a odkształcenie objętościowe i zmiany objętości porów wskazywały na stałą, trwałą kompakcję materiału skalnego podczas próby na ściskanie (rys. 4). Należy jednak dodać, że wyniki pomiarów porowatości całkowitej wykonanych za pomocą porozymetru rtęciowego pokazały, że porowatość rośnie ze wzrostem ciśnienia okólnego (rys. 5). Odkrycie to potwierdzone zostało pomiarami powierzchni właściwej przestrzeni porowej skały wykonanymi za pomocą metody BET (rys. 6). Wynika stąd, że im większa głębokość w górotworze, tym większa porowatość towarzyszy odkształceniom niesprężystym. A więc w warunkach dużych ciśnień na dużych głębokościach i wysokiego naprężenia dewiatorowego skały mają wysoką zdolność do magazynowania płynów (zdolność zbiornikową). Próby na tzw. prawdziwe trójosiowe ściskanie próbek piaskowca Shirahama przeprowadzono w celu zbadania przepuszczalności materiału skalnego w kierunku równoległym do pośredniego naprężenia głównego. W aparacie trójosiowym Koidego i Takahashiego, którego fragment pokazany jest na rysunku 7, badano próbki prostopadłościenne o wymiarach 34 mm x 34 mm x 70 mm. Przepuszczalność mierzona była w sposób ciągły podczas całego procesu deformowania się próbki skalnej: od stadium odkształceń sprężystych, poprzez stadium odkształceń plastycznych, aż do stadium poślizgu na ściankach ostatecznego makropęknięcia. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że przemieszczeniom stycznym wzdłuż płaszczymy makropęknięcia ścięciowego (uskoku) w próbce nie towarzyszą istotne zmiany przepuszczalności (rys. 8 i 9).

Słowa kluczowe

EN

deformational properties; dilatancy; faulting; intermediate principal stress; permeability; triaxial compression

PL

dylatancja; pośrednie naprężenie główne; przepuszczalność; trójosiowe ściskanie; uskokowanie; własności odkształceniowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 3
• Strony: 355--369
• Opis fizyczny: Bibliogr. 2 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Takahashi M.

• Research Core For Deep Geological Environments, Aist Tsukuba Central 7, Tsukuba, Ibaraki 305-8567, Japan

Bibliografia

• Brace W.F., Walsh J.B., Frangos W.T., 1968. Permeability of granite under high pressure. Journal of Geophysical Research, Vol. 73, No. 6, 2225-2236.
• Hsieh P.A., Tracy J.V., Neuzil C.E., Bredehoeft J.D., Silliman S.E., 1981. A transient laboratory method for determining the hydraulic properties of 'tight' rocks - I. Theory. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 18, No. 3, 245-252.