Mechanical behaviour of rocks under true triaxial compression conditions - volumetric strain and dilatancy

• Autorzy: Kwaśniewski M.

Warianty tytułu

PL

Zachowanie się skał w warunkach prawdziwie trójosiowego ściskania - odkształcenie objętościowe i dylatancja

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

It has long been accepted that dilatancy is a phenomenon that can be treated as an important precursor of the brittle failure of rocks. Dilatancy is understood as an inelastic increase in volume during deformation under applied differential stress and is interpreted as being due to microcracking within the rock with a concomitant increase in void space. Dilatancy in rocks is of considerable practical importance since it is associated with possible premonitory signs of earthquakes, mining-induced rockbursts and mine roof collapses. The fundamentals of dilatancy in rocks are introduced at the beginning of the present paper. These are followed by a brief explanation of what the dilatancy-related precursory phenomena to brittle failure are. The introductory part is completed by a review of the studies of dilatancy under true triaxial compression conditions to-date. The main part of the paper includes a presentation of the results of true triaxial compression tests on sampies of a foliated, anisotropic crystalline schist and a Coal-Measure, medium- to coarse-grained sandstone. The main aim of the tests was to reveal the effect of, separately, confining pressure and intermediate principal stress on the volumetric deformation mode and the dilatant behaviour of rocks. Results of the experimental studies show that the effect of dilatancy is suppressed or inhibited by the intermediate principal stress. While important negative, dilatant strain corresponds to the peak differential stress under axisymmetric stress conditions, under true triaxial compression, where intermediate principal stress is much higher than the minimum stress, the rock material apparently undergoes microcracking to a much lesser extent and behaves in an increasingly brittle manner. Faulting of rock sampies in the post-peak region is much more violent and is accompanied by a strong acoustic effect associated with a release of elastic strain energy.

PL

Dylatancja - niesprężysty wzrost objętości w warunkach działania przyłożonych naprężeń różnicowych -jest zjawiskiem poprzedzającym kruche zniszczenie ośrodka skalnego, może zwiastować zbliżające się trzęsienie ziemi lub wstrząs górniczy. Pojawiając się przy naprężeniach bliskich granicy wytrzymałości dylatancja stanowi także o wielu innych obserwowanych w laboratorium i in situ efektach ostrzegawczych poprzedzających zniszczenie. Należą do nich m.in. spadek ciśnienia porowego (i towarzyszący mu efekt wzmocnienia dylatancyjnego), anomalne zmiany aktywności sejsmoakustycznej i sejsmicznej, zmiany prędkości przebiegu fal sprężystych, zmiany siły ciężkości, zmiany pola magnetycmego i elektrycmego, obniżenie poziomu wód gruntowych, wzmożona emisja radonu i innych gazów. Pionierskie badania nad efektem dylatancji w skałach, prowadzone w latach 1960-tych i 1970-tych, stymulowane były hipotezą o pierwszorzędnej roli tego efektu w mechanizmie trzęsień ziemi. Powstało kilka modeli dylatancyjnych służących objaśnieniu obserwowanych w naturze zjawisk poprzedzających kruche pękanie mas skalnych. Jednak praktyczne wykorzystanie tych modeli jest ograniczone ze względu na to, że wyniki pomiarów polowych jest bardzo trudno interpretować, szczególnie jeśli ma się do czynienia ze środowiskiem skalnym wysoce niejednorodnym i/lub anizotropowym, poddanym działaniu sił rozłożonych nierównomiernie i zmieniających się. Tak więc dalsze badania są niezbędne, żeby można było lepiej poznać właściwości odkształceniowe i zrozumieć zachowanie się skał w warunkach złożonego stanu naprężenia. Szczególnie mało wiadomo jest o dylatancji w skałach poddanych tzw. prawdziwie trójosiowemu stanowi naprężeń ściskających, a więc stanowi gdzie wszystkie trzy składowe główne tensora naprężenia są różne. Badania nad odkształceniami objętościowymi skał w takich warunkach prowadzono do tej pory jedynie w Instytucie Trzęsień Ziemi Uniwersytetu Tokijskiego (K. Mogi), w Japońskim Instytucie Geologicmym w Tsukubie (M. Takahashi i H. Koide) i vi Uniwersytecie stanu Wisconsin w Madison (C. Chang i B. Haimson). Badania te - omówione szczegółowo w rozdziale 3 tego artykułu - wykazały, że liniowe odkształcenie poprzeczne w kierunku działania pośredniego naprężenia głównego (u:z) maleje ze wzrostem tego naprężenia, a efekt dylatancji ulega osłabieniu (rys. 4, 6 i 7). Te godne najwyższego .umania osiągnięcia badawcze daleko jednak nie wyczerpują całości zagadnienia. Dotyczą przede wszystkim progu dylatancji względnej, podczas gdy dla prognozowania niszczenia skał znacznie ważniejsza jest znajomość progu dylatancji właściwej (rys. l). Poza tym wciąż bardzo niewiele jest danych ilościowych o odkształceniach objętościowych na obu progach dylatancji i na granicy wytrzymałości. Brakuje ponadto podstawowych przynajmniej danych na temat tego, jaką część odkształceń objętościowych na różnych poziomach naprężenia w stanie przed- i pokrytycznym stanowią odkształcenia sprężyste, a jaką odkształcenia nieodwracalne, trwałe. Próby na prawdziwe trójosiowe ściskanie ciągle jeszcze nastręczają wielu trudności technicznych, nie jest też łatwo mierzyć odkształcenia objętościowe. To właśnie dlatego próby obciążania i odciążania próbek skalnych w warunkach prawdziwego trójosiowego ściskania w ogóle jeszcze do tej pory nie były wykonywane, zresztą nie tylko w Polsce, gdzie nie ma odpowiedniej aparatury, ale i w tych zagranicznych ośrodkach badawczych, w których aparaty do badań próbek skalnych na prawdziwe trójosiowe ściskanie zostały zbudowane. W rozdziale 4 tego artykułu przedstawione są wyniki badań nad efektem dylatancji w próbkach skały anizotropowej - metamorficznego łupku krystalicznego Chichibu o wyraźnej, gęstej foliacji. Prostopadłościenne próbki tej skały (rys. 10 i l l), o wymiarach 15 mm x 15 mm x 30 mm, badane były za pomocą aparatu Mogiego (rys. 9) na prawdziwe trójosiowe ściskanie przy naprężeniu najmniejszym [...] równym 50 MPa i naprężeniach pośrednich [...] sięgających 168 MPa. Naprężenia te były zorientowane względem płaszczym foliacji pod takim samym kątem 45°; kierunek naprężenia największego (u,) tworzył z płaszczymami foliacji kąt 30° (rys. 12). Podczas gdy w warunkach tzw. konwencjonalnego trójosiowego ściskania [...] odkształcenia poprzeczne - [...] - tej skały były niemal takie same (tak, jak w przypadku skał izotropowych), w warunkach prawdziwie trójosiowego ściskania odkształcenia poprzecme w kierunku pośredniego naprężenia pośredniego (By) były znacznie mniejsze od odkształceń [...]. W rezultacie dylatancja wywoływana była głównie przez odkształcenie poprzeczne (duże wydłużenia) w kierunku naprężenia najmniejszego (rys. 14). W rozdziale 5 przedstawiono wyniki badań nad wpływem, oddzielnie, ciśnienia okólnego i pośredniego naprężenia głównego na właściwości objętościowego odkształcania się średnio-gruboziarnistego piaskowca karbońskiego z KWK "Śląsk". Prostopadłościenne próbki tej skały (rys. 16), o wymiarach 35 mm x 35 mm x 70 mm, poddawano próbom obciążania do i odciążania od różnych poziomów naprężenia różnicowego [...] w stanie przed- i pokrytycznym w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania i prawdziwego trójosiowego ściskania za pomocą trójosiowej maszyny wytrzymałościowej Koidego i Takahashiego (rys. 15 i 17). Próby na konwencjonalne trójosiowe ściskanie przeprowadzono przy ciśnieniu okólnym równym 12,5,25,0 i 37,5 MPa. W próbach na prawdziwe trójosiowe ściskanie najmniejsze naprężenie główne [...] wynosiło 25,0 MPa, a pośrednie naprężenie główne [...] było 1,5, 2 i 2,5 razy większe od [...]. Z przeprowadzonych badań wynika, że ciśnienie okólne silnie zahamowuje procesy dylatancyjne w próbkach badanych w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania; zwiększanie ciśnienia wywoływało rosnącą kompakcję materiału skalnego (rys. 21). Dylatancja była także znacząco tłumiona przez pośrednie naprężenie główne. Podczas gdy znaczne ujemne odkształcenie objętościowe odpowiadało granicznemu naprężeniu różnicowemu przy niskich pośrednich naprężeniach głównych, w warunkach działania wysokich naprężeń pośrednich materiał skalny ulegał uszkodzeniu w daleko mniejszym stopniu (rys. 22). W rezultacie, pękanie próbek skalnych następowało w bardzo wczesnym stadium pokrytycznym; było przy tym znacznie bardziej gwałtowne i towarzyszył mu silny efekt akustyczny powodowany wyzwoleniem się dużej ilości energii odkształcenia sprężystego. Wyniki badań nad niesprężystymi (trwałymi) odkształceniami objętościowymi piaskowca Śląsk w warunkach prawdziwie trójosiowego ściskania przedstawione zostaną w oddzielnej pracy.

Słowa kluczowe

EN

anisotropy; dilatancy; true triaxial compression; volumetric strain

PL

anizotropia; dylatancja; odkształcenie objętościowe; prawdziwe trójosiowe ściskanie

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 3
• Strony: 409--435
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kwaśniewski M.

• Faculty of Mining and Geology, Silesian University of Technology, Akademicka Street 2, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• Brace W.F., Paulding B.W. (Jr.), Scholz C., 1966. Dilatancy in the fracture of crystalline rocks. J. Geophys. Res., Vol. 71, 3939-3953.
• Chang C., 2001. True Triaxial Strength and Deformability of Crystalline Rocks. Ph.D. Thesis, University of Wisconsin-Madison.
• Chang C., Haimson B., 2000. True triaxial strength and deformability of the German Continental Deep Drilling Program (KTB) deep hole amphibolite. J. Geophys. Res. - Solid Earth, Vol. 105, No. B8, 18,999-19,013.
• Haimson B.C., Chang C., 2000. A new triaxial cell for testing mechanical properties of rock, and its use to determine rock strength and deformability of Westerly granite. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 37, 285-296.
• Kwaśniewski M., 2002. Behavior of iso- and anisotropic rocks under triaxial compression conditions. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, No. 1510, Górnictwo, No. 247 (in Polish).
• Kwaśniewski M., Mogi K., 1990. Effect of the intermediate principal stress on the failure of a foliated anisotropic rock. In Mechanics of Jointed and Faulted Rock (H.-P. Rossmanith, ed.), pp. 407-416. Balkema, Rotterdam.
• Kwaśniewski M., Mogi K., 2000. Faulting in an anisotropic, schistose rock under general triaxial compression. In Pacific Rocks 2000 (Proceedings of the Fourth North American Rock Mechanics Symposium, Seattle, Washington, 31 July - 3 August, 2000) (J. Girard , M. Liebman, C. Breeds and T. Doe, eds), pp. 737-746. Balkema, Rotterdam.
• Kwaśniewski M., Takahashi M., Li X., 2003. Volume changes in sandstone under true triaxial compression conditions. In Technology Roadmap for Rock Mechanics (Proceedings of the 10th Congress of the ISRM, Sandton, 8-12 September, 2003), Vol. 1, pp. 683-688. The South African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg.
• Kwaśniewski M., Takahashi M., Li X., 2005. Sur le comportement dilatant d'un grčs dans les conditions de compression triaxiale vraie. Studia Geotechnica et Mechanica, Vol. XXVII, No. 1-2.
• Mogi K., 1971a. Effect of the triaxial stress system on the failure of dolomite and limestone. Tectonophysics, Vol. 11, 111-127.
• Mogi K., 1971b. Fracture and flow of rocks under high triaxial compression. J. Geophys. Res., Vol. 76, 1255-1269.
• Mogi K., 1972a. Fracture and flow of rocks. Tectonophysics, Vol. 13, 541-568.
• Mogi K., 1972b. Effect of the triaxial stress system on fracture and flow of rocks. Phys. Earth Planet. Interiors, Vol. 5, 318-324.
• Mogi K., 1973. Rock fracture. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., Vol. 1, 63-84.
• Mogi K., 1977. Dilatancy of rocks under general triaxial stress states with special reference to earthquake precursors. J. Phys. Earth, Vol. 25, Suppl., S 203-S 217.
• Mogi K., 2006. Experimental Rock Mechanics. Taylor & Francis/Balkema, Leiden.
• Paterson M.S., Experimental Rock Deformation - The Brittle Field. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 1978.
• Paterson M.S., Wo n g T.F., 2005. Experimental Rock Deformation - The Brittle Field (2nd edn). Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2005.
• Takahashi M., 1984. Fundamental Study of Mechanical Characteristics of Rocks under Combined Stress Conditions. Ph.D. Thesis, Hokkaido University, Sapporo.
• Takahashi M., Koide H., 1989. Effect of the intermediate principal stress on strength and deformational behavior of sedimentary rocks at the depth shallower than 2000 m. In Rock at Great Depth (V. Maury and D. Fourmaintraux, eds), Vol. 1, pp. 19-26. Balkema, Rotterdam.