Variations of the mechanical properties of a sandstone due to deformation and confining pressure, in relation to microstructures

• Autorzy: Gustkiewicz J. , Gamond J. F. , Carrio-Schaffhauser E.

Warianty tytułu

PL

Zmiany właściwości mechanicznych piaskowca spowodowane deformacjami i ciśnieniem okólnym z uwzględnieniem zmian w mikrostrukturze skały

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The influence of confining pressures up to 380 MPa and axial strains up to 20% were studied on mean porosity (10%) Tumlin sandstone, before and beyond rupture, through complementary compressibility tests and single and cyclic loading triaxial tests, associated with microstructural, mineralogical and porosimetrical observations. Concavity of the curves stemming from compressibility tests, singular points observed on curves resulting from triaxial test data, and stabilization of Young's modulus identify a particular confining pressure range about 150 MPa. The similarity of the confining pressure range stemming from the three types of observations suggests it is linked to a particular stage, the closure of planar cracks in the rock. However, the microstructural, mineralogical and porosimetrical observations show that the only planar cracks in Tumlin sandstones are the microcavities between the illite platelets filling the linear grain boundaries. It is proposed that these microcavities, and not planar cracks randomly distributed in the material, are the ones that close when the confining pressure of about 150 MPa is achieved. This has a significant influence on the innermost deformation mechanisms during strain hardening before rupture. Observation of the macroscopic shear zones shows that the confining pressure at the brittle-ductile transition is about 300 MPa. It is proposed that the stabilization of angle y between conjugate shear surfaces for increasing axial deformation can be considered a good indicator of the rock entering the fully ductile state within the range 350-400 MPa confining pressure. For confining pressures below 350 MPa, the increase of confining pressure increases the value of angle y at the onset of the conjugate shear surfaces. The influence ofaxial strain on the macroscopic features is particularly noticeable beyond 200-250 MPa. When axial strain is higher than 15-20%, the number of shear bands, and therefore the width of the fracture zone, increases. Beyond these values, stabilization of the elastic component of strain and continuous increase ofthe permanent component suggest continuous damage of the material.

PL

Przedmiotem artykułu są wyniki obserwacji zmian zachodzących w skale, którą poddano testom klasycznego, trójosiowego ściskania oraz testom ściśliwości. Przedmiotem badań były próbki wycięte z dolnotriasowego piaskowca o średniej porowatości (10%) pochodzącego z kamieniołomu w miejscowości Tumlin w Górach Świętokrzyskich (zwanego dalej piaskowcem Tumlin). Eksperymenty trójosiowego ściskania wykonano dla ciśnień okólnych do 380 MPa osiągając maksymalne osiowe odkształcenie próbki do 20%. Tak testowane próbki były następnie poddawane badaniom mającym na celu określenie zmian mikrostrukturalnych, mineralogicznych i porozymetrycznych. Na podstawie analizy kształtu krzywych otrzymanych w wyniku testu ściśliwości (rys. 2), wyników testów trójosiowego ściskania (rys. 3 i 7) oraz zmian modułu Younga w zleżności od ciśnienia okólnego (rys. 6) wyodrębnino ciśnienie okólne równe 150 MPa jako pewne ciśnienie charakterystyczne dla badanej skały (po). Stwierdzono, że dla tego ciśnienia następuje w piaskowcu Tumlin zamknięcie spękań planarnych. Z kolei obserwacje mikrostrukturalne, mineralogiczne i porozymetryczne pokazują, że jedynymi spękaniami planarnymi obecnymi w tej skale są mikroszczeliny między płytkami ilitu wypełniającymi granice ziarn. Wydaje się, że jedynie te mikrospękania oraz pojedyncze pęknięcia o bardziej złożonym kształcie, losowo rozmieszczone w materiale, są pęknięciami mogącymi ulegać zamknięciu po osiągnięciu ciśnienia po. Ma to znaczący wpływ na podstawowy mechanizm deformacji podczas wzmocnienia odkształceniowego próbki, do którego dochodzi bezpośrednio przed pęknięciem. Makroskopowe obserwacje stref zniszczenia dowodzą, że dla piaskowca Tumlin ciśnienie przejścia między kruchym pękaniem a ciągliwym płynięciem (pt) kształtuje się na poziomie 300 MPa. Proponuje się, by uznać stabilizację kąta y, mierzonego między powstającymi podczas deformacji próbki sprzężonymi płaszczyznami zniszczenia, za wskaźnik wejścia próbki w zakres deformacji w pełni ciągliwych. Dla badanego piaskowca stan ten odpowiada ciśnieniom okólnym miedzy 350 a 400 MPa. Dla ciśnień okólnych niższych niż 350 MPa wzrost ciśnienia okólnego powoduje wzrost tego kąta. Wpływ odkształcenia osiowego na wygląd stref zniszczenia jest szczególnie zauważalny dla ciśnień okólnych między 200 a 250 MPa. Jeśli odkształcenie osiowe próbki jest większe niż 15-20% liczba płaszczyzn ścinania, a co za tym idzie szerokość strefy zniszczenia, rośnie. Po przekroczeniu tych wartości obserwujemy stabilizację sprężystej składowej odkształcenia i ciągły wzrost składowej trwałej co sugeruje ciągły wzrost stopnia zniszczenia badanego materiału (rys. 8).

Słowa kluczowe

EN

microstructure; plane cracks; rupture; shear surface; triaxial compression; compressibility

PL

mikrostruktura; spękania; pękanie; płaszczyzna zniszczenia; trójosiowe ściskanie; ściśliwość

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 4
• Strony: 505--534
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gustkiewicz J.

autor

Gamond J. F.

autor

Carrio-Schaffhauser E.

• Stratamechanics Research Institute, Polish Academy of Sciences, Ul. Reymonta 27, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Bésuelle P., Desrues J., Raynaud S., 2000. Experimental characterisation of the localisation phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 37, 1223-1237.
• Brace W.F., 1965. Some new measurements of linear compressibility of rocks. Journal of Geophysical Research 70, 391-398.
• Dlugosz M., Gustkiewicz J., Wysocki A., 1981. Apparatus for investigation of rock in a triaxial state of stress, Part 1. Characteristics of the apparatus and of the investigation method. Archive of Mining Sciences 26, 17-28.
• Fabre D., Gustkiewicz J., 1997. Poroelastic properties of limestone and sandstone under hydrostatic conditions. International journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 34, 127-134.
• Gustkiewicz J., 1989. Synoptic view of mechanical behaviour of rocks under triaxial compression. In: Maury V., Fourmaintraux D. (Eds.), Rock at Great Depth. Balkema, Rotterdam, p. 3-10.
• de Jong G.d.J., 1959. Statics and kinematics in the failable zone of a granular material. Thesis, Techn. University, Delft.
• Logan J.M., 1987. Porosity and the brittle-ductile transition in sedimentary rocks. In: Banavar J.R., Kaplik J., Winkler K.W. (Eds.), Physics and Chemistry of Porous Media II, AIP conf. Proc., American Institute of Physics, New York, p. 229-242.
• Mair K., Main I., Elphick S., 2000. Sequential growth of deformation bands in the laboratory. Journal of Structural Geology, 22, 25-42.
• Mandl G., 1988. Mechanics of tectonic faulting. Elsevier.
• Mogi K., 1965. Deformation and fracture of rocks under confining pressure (2) Elasticity and plasticity of some rocks. Bulletin of the Earthquake Research Institute of the Tokyo University 43, 349-379.
• Nowakowski A., Nurkowski J., 1995. A new method of measuring circumferential displacement in a triaxial cell, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 32, 65-70.
• Rychlewski J., 1965. Note on the beginning of plastic deformation in a body under uniform pressure. Archiwum Mechaniki Stosowanej 17, 405-412.
• Scott T.E., Nielsen K.C., 1991. The effects of porosity on the brittle-ductile transition in sandstones. Journal of Geophysical Research 96, 405-414.
• Walsh J.B., 1965a. The effect of cracks on the compressibility of rock. Journal of Geophysical Research 70, 381-389.
• Walsh J.B., 1965b. The effect of cracks on the uniaxial elastic compression of rocks. Journal of Geophysical Research 70, 399-411.
• Wong T.F., David C., Zhu W., 1997. The transition from brittle faulting to cataclastic flow in porous sandstones: Mechanical deformation. Journal of Geophysical Research 102, 3009-3025.
• Yoshinaka R., Osada M., Tran T.V., 1996. Deformation behaviour of soft rocks during consolidated-undrained cyclic triaxial testing. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 33, 557-572.