Investigations of rocks under triaxial compression at confining pressure from 0 to 70 MPa

• Autorzy: Krzysztoń D. , Sanetra U.

Warianty tytułu

PL

Badania trójosiowego ściskania skał przy wartości ciśnienia okólnego w zakresie 0-70 MPa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The results of triaxial compression of rock sampIes in a stiff testing machine using a 70 MPa pressure chamber are presented. Experiments were carried out at the constant rate of longitudinal strain of a sampIe (10-5. s-1) and at a constant confining pressure of O, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70 MPa. The sampIes of fine-grained sandstone, siltstone and coal, at atotal of 151 sampIes, were tested. For cach rock type 3 to 5 experiments were conducted at given confining pressure. The following rock properties: critical stress; critical strain, residual stress, residual strain and the modulus of softening were determined at different values of the confining pressure. The average values of thc determined magnitudes are listed in Table 1 and presented in the form of functional dependences in the graphs (Fig. 2 to 6). The angle of internal friction and cohesion were defined by three methods: the method of tangents to Mohr's circles, the method and the method of two tangents to the parabolic envelope of Mohr's circles. The obtained results are listed in Table 2. On the basis of the equation of Mohr's circles parabo!ic envelope, the angle of internal friction, being a function of normal stress, was determined for a compact rock in the pre-critical state and for a fractured rock in the post-critical state. The results of triaxial tests were applied for determining the rock maximum strength according to the Hoek-Brown criterion. The obtained envelopes of maximum strength were compared with the envelopes of Mohr's circles. Then the parameters occurring in Hoek-Brown's criterion (m, s) and the corresponding magnitudes resulting from Mohr's circles envelope (ep, c) were compared. In the conclusions, attention was paid to the increase in the modulus of softening in the low range values of confining pressure (O to 10MPa), and then to the decrease of this modulus with the increase of confining pressure in the range from 10 to 70 MPa. Attention should also be paid to the determination of the angle of internal friction and cohesion by the proposed method of tangents to the parabolic envelope of Mohr's circles (Sanetra 2002). According to this method, the angle of internal friction and cohesion can be determined in the whole range of normal stress, both for compact and fractured rocks.

PL

Przedstawiono wyniki badań trójosiowego ściskania próbek skalnych w sztywnej maszynie wytrzymałościowej przy zastosowaniu komory ciśnieniowej 70 MPa (rys. I ). Eksperyment prowadzono ze stałą prędkością odkształcenia podłużnego próbki wynoszącą 10sup><-5> . ssup<-I>. Stosowano 8 poziomów ciśnienia okólnego: O, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70 MPa. Badano próbki piaskowca drobnoziarnistego, iłowca i węgla o łącznej liczbie 151. Dla każdego rodzaju skały przeprowadzono 3-5 eksperymentów dla zadanego ciśnienia okólnego. Wyniki eksperymentalne uzyskiwano w postaci całkowitej charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej , z ezęścią wznoszącą i opadającą, na podstawie której określano następujące właściwości skał: naprężenie maksymalne zwane naprężeniem krytycznym, odkształcenie krytyczne odpowiadające naprężeniu krytycznemu, moduł odkształcenia podłużnego określany na podstawie stycznej do wznoszącej (przedkry­tycznej) części charakterystyki, naprŤżenie resztkowe przedstawiające minimalną wartość naprężenia w części opadającej (pokrytycznej) charakterystyki, odkształcenie resztkowe odpowiadające naprężeniu resztkowemu, moduł osłabienia określony na podstawie nachylenia stycznej do pokrytycznej części charakterystyki, wyznaczony jako tangens kąta ostrego pomiędzy styczną a osią odkształcenia. Średnic wartości określonych wielkości dla stosowanego ciśnienia okólnego zestawiono w tablicy I i przedstawiono w postaci zależności funkcyjnych na wykresach (rys. 2-6). Wyznaczono kąt tarcia wewnętrznego i spójność trzema metodami: metodą graficzną w układzie współrzędnych, metodą punktową, oraz metodą dwóch stycznych do parabolicznej obwiedni kół Mohra. Uzyskane wyniki zestawiono w tablicy 2. Mając określone równanie parabolicznej obwiedni kół Mohra wyznaczono kąt tarcia wewnętrznego jako funkcję naprężenia normalnego, zarówno dla skały zwięzłej w stanie przedkrytycznym, jak również dla skały spękanej występującej w stanie pokrytycznym (rys. 7a, b, c). Wyniki trójosiowych badań zastosowano do wyznaczenia wytrzymałości skał zwięzłych według kryterium Hoeka-Browna. Uzyskane obwiednie maksymalnej wytrzymałości (rys. 8a, b,e, d) porównano z obwiedniami kół Mohra (Sanetra, Szedel 2000; Sanetra 2002). Przeprowadzono analizę parametrów występujących w kryterium Hoeka-Browna: m, s i odpowiadających wielkości wynikających z obwiedni kół Mohra (tabl. 4). Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano wnioski, które na ogół są zgodne z wynikami wcześniejszych badań (Kwaśniewski 1983, 1986; Tajduś 1990; Sanetra 1994a, b; Krzysztoń i in.1998): Wzrost ciśnienia okólnego powoduje wzrost naprężenia krytycznego, dkształcenia krytycznego, naprężenia resztkowego, odkształcenia resztkowego oraz na ogół zmniejszanie się modułu osłabienia. Ilościowa zmiana poszczególnych wielkości zależy od rodzaju skały i zakresu stosowanego ciśnienia okólnego. Na uwagę zasługuje znacznie większy wzrost naprężenia resztkowego niż naprężenia krytycznego wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego. W zakresie niskich wartości ciśnienia okólnego (5-10 MPa) występuje wzrost modułu osłabienia poprzedzający ogólną tendencję dalszego zmniejszania się modułu. Wzrost modułu osłabienia (odkształcenia) w zakresie niskich wartości ciśnienia okólnego (5-10 MPa) względem wartości uzyskanej w jednoosiowym stanie naprężenia można uzasadniać "pamięcią" materiału skalnego o wzmocnieniu odkształcenia występującego w przedkrytycznej części charakterystyki.Kąt tarcia wewnętrznego zależy od rodzaju skały i zmniejsza się wraz ze wzrostem naprężenia normalnego. Kąt tarcia wewnętrznego skały spękanej jest nieznacznie mniejszy niż skały zwięzłej, natomiast spójność skały spękanej jest wielokrotnie mniejsza niż skały zwięzłej. Bezwymiarowe stałe m i s występujące w kryterium Hoeka-Browna są w przybliżeniu analogiczne odpowiednio do kąta tarcia wewnętrznego i spójności określanych w kryterium zniszczenia Coulomba-Mohra. Stała materiałowa m oraz kąt tarcia wewnętrznego dla skał o strukturze zwięzłej przyjmują znacznie wyższe wartości dla skał mocnych (piaskowiec drobnoziarnisty) niż dla skał słabych (iłowiec, węgiel). Stała materiałowa m dla skał o strukturze zniszczonej (spękanej) przyjmuje zbliżone do siebie wartości zarówno dla skał mocnych, jak i słabych. Spójność c oraz stała materiałowa s skał spękanych znacznie spada w stosunku do tych wartości dla skał zwięzłych (Hoek, Brown 1980; Kidybiński 1982). Analiza ilościowych zmian własności skał pod wpływem ciśnienia okólnego, wzrastającego w zakresie 0-70 MPa, pozwala na wyciągnięcie następujących ogólnych wniosków: spękane struktury skalne mogą spełniać warunek nośności dla określonych wartości ciśnienia okólnego i kąta tarcia wewnętrznego (Krzysztoń 2000); pokrytyczne właściwości skał zależą nie tylko od typu skały (piaskowiec, iłowiec, węgiel) ale również od struktury skały (piaskowiec nr 1 i nr 3); znajomość wartości kąta tarcia wewnętrznego i kohezji dla węgla i skał płonnych może mieć zastosowanie w określaniu wytrzymałości filarów węglowych przy uwzględnieniu warunków kontaktowych w układzie: strop-filar-spąg (Krzysztoń 2002); wzrost modułu osłabienia w zakresie niskich ciśnień okólnych, przejawiający "pamięć" materiału skalnego, świadczy o konieczności uwzględnienia efektów lepkich w konstytutywnym modelu pokrytycznej części charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej (Nawrocki, Mróz 1992).

Słowa kluczowe

EN

rock stress-strain properties; angle of internal friction and cohesion; confining pressure; functional dependences; traxial strength

PL

właściwości naprężeniowo-odkształceniowe skał; kąt tarcia wewnętrznego i spójność; ciśnienie okólne; zależności funkcyjne; trójosiowa wytrzymałość

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 2
• Strony: 231--253
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Krzysztoń D.

• Wydział Górniczy, Akademia Górniczo-Hutnicza, 30-059 Kraków, al. Mickiewicza 30, Poland

autor

Sanetra U.

• Główny Instytut Górnictwa, 40-166 Katowice, Plac Gwarków 1, Poland

Bibliografia

• [1] Bieniawski Z.T., 1969: Deformational behaviour of fractured rock under multiaxial compression. Proc. Int. Conf. Structure, Solid Mechanics and Engineering Design, John Wiley & Son, London, 55/1-55/10.
• [2] Bieniawski Z.T., 1970: Load-deformation behaviour of coal after failure. Proc. 2nd Congrcss Int. Soc. Rock Mech., Belgrade, 1,467-473.
• [3] Bukowska M., Sanetra U., Szedel D., 1998: Wyznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i kohezji dla próbek skalnych badanych w konwencjonalnym ściskaniu w sztywnej maszynie wytrzymałościowej. V Konferencja Naukowo-Techniczna TĄPANIA’98 nt: Bezpieczne prowadzenie robót górniczych, s. 7-14, Ustroń.
• [4] Długosz M., Gustkiewicz J., Wysocki A., 1992: Apparatus for investigation of rocks in a triaxial State of stress. Part II. Some investigation results conceming certain rocks. Archiwum Górnictwa t. 26, z. 1,29-41.
• [5] Hoek E., Brown E.T., 1980: Underground excavations in rock. Institution of Mining and Metallurgy, London.
• [6] Hoek E., 1983: Strength of jointed rock masses. Geotcchnique 33, No 3, 187-223.
• [7] Kidybiński A., 1982: Podstawy geotechniki kopalnianej. Wyd. Śląsk, Katowice.
• [8] Krzysztoń D., Sanetra U., Szedel D., 1998: Krytyczne i pokrytyczne własności próbek skalnych badanych w konwencjonalnym trójosiowym ściskaniu w sztywnej maszynie wytrzymałościowej. Prace Naukowe GIG. Seria Konferencje nr 26, V Konferencja Naukowo-Techniczna Tąpania’98 nt.: Bezpieczne prowadzenie robót górniczych. Ustroń 18-20 listopada 1998, s. 69-80.
• [9] Krzysztoń D., 2000: Projektowanie filarów węglowych. VII Konferencja Naukowo-Techniczna Tąpania 2000 nt.: Profilaktyka tąpaniowa w warunkach zagrożeń skojarzonych. Katowice, s. 141-151.
• [10] Krzysztoń D., Bukowska M„ Sanetra U., Gawryś J., Wadas M., 2002: Pokrytyczne własności skał w trójosiowym stanie naprężenia sygnalizowane emisją akustyczną. Projekt badawczy KBN nr 9T 12A 033 18, Katowice, GIG.
• [11] Krzysztoń D., 2002: Wpływ warunków kontaktowych w układzie strop-filar-spąg na wytrzymałość filarów węglowych. Górnictwo, R. 26, z. 3, 173-185.
• [12] Kwaśniewski M., 1983: Odkształceniowe i wytrzymałościowe własności trzech strukturalnych odmian piaskowców karbońskich w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania. Archiwum Górnictwa t. 28, z. 4, s. 524-550.
• [13] Kwaśniewski M., 1986: Wpływ stanu naprężenia, temperatury i prędkości odkształcania na mechaniczne własności skał. Archiwum Górnictwa t. 31, z. 2, s. 383-415.
• [14] Nawrocki P. A., Mróz Z., 1992: Constitutive model for rocks accounting for viscoplastic deformation and damage. Proc. 33rd U.S. Symposium on Rock Mechanics. J.R. Tillerson & W.R.Wawersik (cd.), A.A.Balkema, Rotterdam, 691-700.
• [15] Pacześniowski K., 2002: Wyznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i kohezji metodą stycznych do obwiedni (w postaci paraboli) kół Mohra. Praca niepublikowana.
• [16] Rumme1 F., Fairhurst C., 1970: Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine. Rock Mechanics 2, 189-204.
• [17] SanctraU., 1994a: Wpływ ciśnienia bocznego na własności mechaniczne skał Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach trójosiowego ściskania. Prace Naukowe Instytutu Geotcchniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej nr 65, seria Konferencje nr 33, s. 183-191.
• [18] Sanetra U., 1994b: Wpływ prędkości odkształcania i ciśnienia bocznego na własności mechaniczne skał, Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach trójosiowego ściskania. Sympozjum Naukowo-Techniczne Tąpania’94 nt.: Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań, s. 183-191.
• [19] Sanetra U., Szede1 D., 2000: Zastosowanie kryterium wytrzymałościowego Hoeka-Browna do wyników trójosiowego ściskania próbek skalnych. Konferencja Naukowo-Techniczna Budownictwo Podziemne 2000, Kraków, s. 443-455.
• [20] Sanetra U., 2002: Kąt tarcia wewnętrznego i spójność skał zwięzłych i spękanych. Wyd. IGSMiE PAN. Warsztaty górnicze nt. Problematyka inżynierska z zakresu ochrony terenów górniczych. Sympozja i Konferencje nr 55, Ustroń 27-29 maj 2002.
• [21] Smółka J., Bukowska M., Sanetra U., Wadas M., 1994: Badania własności węgli i skał w zróżnicowanych układach obciążeniowych. Projekt badawczy KBN nr 900779101, GIG, Katowice.
• [22] Tajduś A., 1990: Utrzymanie wyrobisk korytarzowych w świetle wpływu czasu na naprężenia, odkształcenia i strefy zniszczenia w górotworze. Zeszyty Naukowe AGH, Górnictwo z. 154.
• [23] Tsuyoshi K., Tetsuro E., Nobuhiro K., Tadshi N., 1987: Experimental and theoretical studies on strain softening behavior of rocks. 28,h US Symposium on Rock Mechanics, Tueson, 197-202.
• [24] Volk W., 1973: Statystyka stosowana dla inżynierów. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• [25] Yoshinaka R.,Osada M.,Tran T.V., 1996: Deformation behavior of soft rocks during consolidated-undrained cyclic triaxial testing. Int .J Rock Mech. Min. Sci.& Gcomech. Abstr. Vol. 33, No. 6, 557-572.