Effects of initial damage on time-dependent behavior of sandstone in uniaxial compressive creep test

Time-dependent behavior of rock mass is important for long-term stability analysis in rock engineering. Extensive studies have been carried out on the creep properties and rheological models for variable kinds of rocks, however, the effects of initial damage state on the time-dependent behavior of rock has not yet been taken into consideration. In the present study, the authors proposed a creep test scheme with controlled initial damage to investigate the influence of initial damage on the time-dependent behavior of sandstone. In the test scheme, the initial states of damage were first determined via unloading the specimen from various stresses. Then, the creep test was conducted under different stress levels with specific initial damage. The experimental results show that there is a stress threshold for the initial damage to influence the behavior of the rock in the uniaxial compressive creep tests, which is the stress threshold of dilatancy of rock. When the creep stress is less than the stress threshold, the effect of the initial damage seems to be insignificant. However, if the creep stress is higher than the stress threshold, the initial damage has an important influence on the time-dependent deformation, especially the lateral and volumetric deformation. Moreover, the initial damage also has great influence on the creep failure stress and long-term strength, i.e., higher initial damage leading to lower creep failure stress and long-term strength. The experimental results can provide valuable data for the construction of a creep damage model and long-term stability analysis for rock engineering.

Przebieg czasowy zachowania górotworu jest zagadnieniem kluczowym w analizie stabilności systemu w ujęciu długoterminowym. Przeprowadzono szerokie badania modeli reologicznych i właściwości procesów pełzania dla rozmaitych typów skał; jednakże w badaniach nie uwzględniano wpływu uszkodzeń początkowych na zachowanie górotworu i jego przebieg czasowy. W artykule autorzy zaproponowali nowy sposób przeprowadzania próby pełzania, z uwzględnieniem kontrolowanych uszkodzeń początkowych, tak by wpływ obecności uszkodzeń początkowych na przebieg czasowy zmian zachowania piaskowca mógł zostać uwzględniony. W metodzie tej w pierwszej fazie określono zakres początkowych uszkodzeń poprzez odprężenie próbki w celu wyeliminowania rożnego rodzaju naprężeń. Następnie przeprowadzono próbę pełzania w warunkach zmiennych obciążeń przykładanych do próbki o określonym poziomie uszkodzeń początkowych. Wyniki eksperymentu wskazują na istnienie pewnej wartości progowej naprężenia powyżej której obecność uszkodzeń początkowych będzie mieć wpływ na zachowanie próbki skalnej w trakcie próby jednoosiowego pełzania; jest to poziom progowy dla powstawania dylatacji. Gdy naprężenie pełzania ma wartość niższą od wartości progowej, wpływ uszkodzeń początkowych wydaje się nieznaczny. Jednakże, dla naprężeń pełzania powyżej wartości progowej, wpływ uszkodzeń początkowych na przebieg odkształceń jest znaczący, zwłaszcza w odniesieniu do odkształceń poprzecznych i objętościowych. Ponadto, istnie-nie uszkodzeń początkowych ma także wpływ na poziom naprężeń rozrywających przy próbie pełzania i wytrzymałość próbki w ujęciu długoterminowym. Wykazano, że im większe uszkodzenia początkowe, tym niższa wartość naprężenia zrywającego przy próbie pełzania i niższa wytrzymałość długoterminowa. Wyniki eksperymentu dostarczyć mogą cennych danych niezbędnych do skonstruowania modelu uszkodzeń skał wskutek pełzania oraz do analiz stabilności konstrukcji inżynierskich w ujęciu długoterminowym.