Abstract

The article is devoted to the experimental observation of naturally fractured rock samples' deformation while applied to triaxial loading. Multi-stage loading tests are carried out for a number of rock samples. The concept of critically stressed fractures is used describing the analyzed process. Each stress state is considered using Mohr diagram and characterized by calculated parameter which stands for the relative amount of fractures along which the sliding process is possible. These fractures are referred to as “critically stressed” and the described parameter is fraction of critically stressed fractures. Series of tests were performed for samples of two collections (granite and carbonate samples). For both collections it is shown that the relationship between specifically introduced bulk elastic modulus and fraction of critically stressed fractures shows signs of self-similar behavior. The bulk modulus vs. fraction of critically stressed fractures curves obtained for different values of radial stress overlap. That means that fraction of critically stressed fractures is a self similar parameter which increases the value of information obtained from multi-stage tests and contributes to the actual problem of stress state estimation from effective elastic moduli of the medium.

Keywords

Geomechanics, stress state, critically stressed fractures,

Reference

  •  1) Dubinya N.V., Ezhov K.A. Utochnenie profiley gorizontalnyh napryazheniy, deystvuyuschih v okrestnosti skvazhin, po geometricheskim harakteristikam treschin v porodah okoloskvazhinnogo prostranstva // Geofizicheskie issledovaniya. 2017. T. 18. № 2. S. 5-26.

  •  2) Barton C.A., M.D. Zoback and D. Moos. 1995. Fluid flow along potentially active faults in crystalline rocks. Geology. 23, 8: 683-686.

  •  3) Bieniawsky Z.T. Propagation of Brittle Fracture in Rock. Republic of South Africa Council of Science and Industrial Research // Report MEG 664 - 1968.

  •  4) David E.C., N. Brantut, A. Schubnel, R.W. Zimmerman, 2012. Sliding crack model for nonlinearity and hysteresis in the uniaxial stress-strain curve of rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 52: 9-17.

  •  5) Dubinya N.V. and I.V. Fokin. Critically stressed fractures and their relation to elastic moduli. In Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. PMMEEP 2017, pages 35-44. Springer Geology, 2018.

  •  6) Hoek E. Brittle Fracture of Rock // Rock Mechanics in Engineering Practice, K. G. Stagg, ed., John Wiley, New York. 1968. Pp. 99-124.

  •  7) Kemeny J.M. 1991. A model for non-linear rock deformation under compression due to subcritical crack growth. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 28, 3: 459-467.

  •  8) Kim M.M., H.Y. Ko. Multistage triaxial testing of Rocks // Geotechnical Testing. 1979. Vol. 2. P. 98-105.

  •  9) Lawn B.R. and D.B. Marshall. 1998. Nonlinear stress-strain curves for solids containing closed cracks with friction. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1: 85-113.

  •  10) Lee H. and S. Jeon. 2011. An experimental and numerical study of fracture coalescence in pre-cracked specimens under uniaxial compression. International Journal of Solids and Structures. 48, 6: 979-999.

  •  11) Sarfarazi, V. and H. Haeri, 2016. A review of experimental and numerical investigations about crack propagation. Computers and Concrete. 18, 2: 235-266.

  •  12) Prudencio, M. and M. Van Sint Jan, 2007. Strength and failure modes of rock mass models with non-persistent joints. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 44, 6: 890-902.

  •  13) Tran D.T., A. Pagoulatos and C.H. Sonderge. 2010. Quantify Uncertainty of Rock Failure Parameters From Laboratory Triaxial Testings Using Conventional And Multistage Approaches. In Proceedings of 44th U.S. Rock Mechanics Symp., June 27-30, 2010, Salt Lake City, Utah.

  •  14) Wong L.N.Y. and H.H. Einstein. 2009. Systematic evaluation of cracking behavior in specimens containing single flaws under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 46: 239-249.

О связи модуля объемного сжатия трещиноватой среды с текущим напряженно деформированным состоянием

Дубиня Н.В. Фокин И.В. Русина О.А.

Аннотация

Работа посвящена экспериментальному исследованию процесса деформирования трещиноватых образцов горных пород в условиях псевдотрехосного сжатия. Проведены многостадийные тесты по нагружению образцов. Для описания изучаемого процесса использована концепция критически напряженных трещин: напряженное состояние рассматривается с помощью плоскости Мора, в каждый момент нагружения рассчитывается определенный параметр, на качественном уровне характеризующий относительное количество трещин в образце, вдоль берегов которых может происходить скольжение. Такие трещины называются критически напряженными, а рассматриваемый параметр - долей критически напряженных трещин. На образцах горных пород из двух коллекций (граниты и карбонаты) продемонстрировано, что зависимость модуля упругости, характеризующего связь между изменением объемной деформации образца и изменением осевого напряжения, от доли критически напряженных трещин носит автомодельный характер. Кривые, характеризующие зависимости объемного упругого модуля от доли критически напряженных трещин, построенные для различных значений радиального напряжения, накладываются друг на друга. Показано, что в качестве автомодельного параметра может быть использована доля критически напряженных трещин, что позволяет повысить информативность многостадийных тестов и вносит вклад в возможности методов решения обратной задачи реконструкции параметров напряженного состояния среды по ее эффективным упругим свойствам.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00448.

Ключевые слова

Геомеханика, напряженное состояние, критически напряженные трещины,

Информация об авторах

Библиографическая ссылка

Дубиня Н.В. Фокин И.В. Русина О.А. О связи модуля объемного сжатия трещиноватой среды с текущим напряженно деформированным состоянием // Геофизика. 2018. № 3. С. 28-32.

Список литературы

  •  1) Дубиня Н.В., Ежов К.А. Уточнение профилей горизонтальных напряжений, действующих в окрестности скважин, по геометрическим характеристикам трещин в породах околоскважинного пространства // Геофизические исследования. 2017. Т. 18. № 2. С. 5-26.

  •  2) Barton C.A., M.D. Zoback and D. Moos. 1995. Fluid flow along potentially active faults in crystalline rocks. Geology. 23, 8: 683-686.

  •  3) Bieniawsky Z.T. Propagation of Brittle Fracture in Rock. Republic of South Africa Council of Science and Industrial Research // Report MEG 664 - 1968.

  •  4) David E.C., N. Brantut, A. Schubnel, R.W. Zimmerman, 2012. Sliding crack model for nonlinearity and hysteresis in the uniaxial stress-strain curve of rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 52: 9-17.

  •  5) Dubinya N.V. and I.V. Fokin. Critically stressed fractures and their relation to elastic moduli. In Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. PMMEEP 2017, pages 35-44. Springer Geology, 2018.

  •  6) Hoek E. Brittle Fracture of Rock // Rock Mechanics in Engineering Practice, K. G. Stagg, ed., John Wiley, New York. 1968. Pp. 99-124.

  •  7) Kemeny J.M. 1991. A model for non-linear rock deformation under compression due to subcritical crack growth. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 28, 3: 459-467.

  •  8) Kim M.M., H.Y. Ko. Multistage triaxial testing of Rocks // Geotechnical Testing. 1979. Vol. 2. P. 98-105.

  •  9) Lawn B.R. and D.B. Marshall. 1998. Nonlinear stress-strain curves for solids containing closed cracks with friction. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1: 85-113.

  •  10) Lee H. and S. Jeon. 2011. An experimental and numerical study of fracture coalescence in pre-cracked specimens under uniaxial compression. International Journal of Solids and Structures. 48, 6: 979-999.

  •  11) Sarfarazi, V. and H. Haeri, 2016. A review of experimental and numerical investigations about crack propagation. Computers and Concrete. 18, 2: 235-266.

  •  12) Prudencio, M. and M. Van Sint Jan, 2007. Strength and failure modes of rock mass models with non-persistent joints. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 44, 6: 890-902.

  •  13) Tran D.T., A. Pagoulatos and C.H. Sonderge. 2010. Quantify Uncertainty of Rock Failure Parameters From Laboratory Triaxial Testings Using Conventional And Multistage Approaches. In Proceedings of 44th U.S. Rock Mechanics Symp., June 27-30, 2010, Salt Lake City, Utah.

  •  14) Wong L.N.Y. and H.H. Einstein. 2009. Systematic evaluation of cracking behavior in specimens containing single flaws under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 46: 239-249.