- Tytuł:
-
Method for determination of the range of failure zone around macrocracks surface in rock medium
Metoda badania zasięgu strefy zniszczenia wokół powierzchni makropęknięć w ośrodku skalnym - Autorzy:
- Wadas, M.
- Powiązania:
- https://bibliotekanauki.pl/articles/219147.pdf
- Data publikacji:
- 2013
- Wydawca:
- Polska Akademia Nauk. Czytelnia Czasopism PAN
- Tematy:
-
ciśnienie okólne
górotwór
powierzchnia poślizgu
mikropęknięcia
naprężenie
odkształcenie
confining pressure
rock mass
slip surface
microcracks
stress
strain - Opis:
-
In this work a method, developed by the author, of microscopic investigations of deformation structures occurring in rock medium is presented. This method is based on adoption of multi-stage complex procedure encompassing numerous diverse examinations and measurements. As a result of following this method, information about geometrical features of microfractures and microfissures distribution (coordinates, length, occurrence frequency and directions of propagation) is obtained, which in turn allow to determine the range and intensity of destruction zones around macroscopic fissures in investigated samples. Testing was performed on selected three samples of the Tumlin Sandstone (three microscopic sections), representing the following states of stress-strain: sample no. 1 (σ3 = 200 MPa confining pressure and ε1 = 5% longitudinal strain) sample no. 2 (σ3 = 300 MPa confining pressure and ε1 = 10% longitudinal strain) sample no. 3 (σ3 = 300 MPa confining pressure and ε1 = 15% longitudinal strain) On the basis of conducted research it has been stated that increasing confining pressure σ3 = σ2 results in the increase of number and range of microfissures occurrence. At confining pressure σ3 = σ2 200 MPa and longitudinal strain ε1 = 5% a zone of intensive fracturing is noticeable, reaching about 6mm from the surface of macroscopic fracture. However, at higher confining pressure and higher longitudinal strains (σ3 = σ2 300 MPa and ε1 = 10% as well as σ3 = σ2 300 MPa and ε1 = 15%) microcracks and microfissures cover almost whole volume of the sample.
W artykule przedstawiono opracowaną przez autora metodę badań mikroskopowych struktur deformacji występujących w ośrodku skalnym. Metoda ta polega na zastosowaniu wieloetapowej złożonej procedury obejmującej wiele różnorodnych badań i pomiarów. W wyniku jej przeprowadzenia uzyskuje się informacje o geometrycznych cechach rozkładu mikrospękań i mikroszczelin (współrzędne, długość, częstość występowania i kierunki rozprzestrzenienia), które z kolei pozwalają na określenie zasięgu i intensywności strefy zniszczenia wokół pęknięć makroskopowych w badanych próbkach. Do badań zastosowano grubo ławicowy dolno triasowy piaskowiec pochodzący z północnej części obrzeżenia Gór Świętokrzyskich z okolic Tumlina. Piaskowiec charakteryzuje się zmienną barwą, od czerwono-brunatnej do jasnobrązowej, drobnym i średnim uziarnieniem oraz spoiwem krzemionkowo-żelazisto-ilastym. Głównym składnikiem skały są dobrze obtoczone miejscami ostrokrawędziste ziarna kwarcu o średnicy od 0,1 do 1,0 mm (średnio 0,5 mm). Badania właściwości mechanicznych piaskowca tumlińskiego wykonano w Pracowni Odkształceń Skał Instytutu Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie. Badania piaskowca przeprowadzono na próbkach cylindrycznych o średnicy 22,5 mm i dwukrotnie większej wysokości w trójosiowym stanie naprężeń, pod zmiennym ciśnieniem okólnym w zakresie od 0 do 400 MPa. Próbki piaskowca początkowo poddano działaniu wszechstronnego hydrostatycznego naprężenia σ1 = σ2 = σ3, które odpowiadało zadanemu ciśnieniu okólnemu, a następnie przy stałej wartości tego ciśnienia, próbki obciążano siłą osiową do zadanej z góry wartości odkształcenia podłużnego. Badania wykonano w kilkunastu cyklach. Jeden cykl obejmował przeprowadzenie badań dla czterech próbek piaskowca pod stałym ciśnieniem okólnym i zadanym z góry zmiennym odkształceniem podłużnym dla każdej próbki innym wynoszącym 5%, 10%, 15% i 20%. Po uzyskaniu przez próbkę wymaganego odkształcenia podłużnego, odciążano ją do wartości zerowej naprężenia różnicowego następnie wyciągano ją z komory ciśnieniowej aparatu, szczegółowo oglądano i fotografowano. Z uzyskanych podczas badań przebiegu krzywych w układzie naprężenie różnicowe względem odkształcenia podłużnego i poprzecznego (rys. 2.) wynika, iż przy zwiększającym się ciśnieniu okólnym wzrasta wytrzymałość próbki oraz odpowiadające jej odkształcenia podłużne i poprzeczne. Poniżej wartości 200 MPa ciśnienia okólnego próbki pękały krucho, a pęknięcie poprzedzone było odkształceniami sprężystymi i niewielkimi odkształceniami trwałymi. Pęknięcie to było raptowne i towarzyszyły mu efekty akustyczne. Dla ciśnień okólnych - powyżej 200 MPa - próbki charakteryzowały się ciągliwym charakterem niszczenia, lecz zanim zaczęły pękać, osiągały znaczne odkształcenia. Próbki piaskowca po wykonanych badaniach w trójosiowym stanie naprężeń spojono w żywicy epoksydowej w celu utrwalenia powstałych deformacji (pęknięć i szczelin). Żywica epoksydowa zabarwiona kolorem niebieskim, migrując przez strukturę próbek skalnych, wypełniła pustki - pory i szczeliny powstałe podczas badań trójosiowych. Spojony piaskowiec pocięto na fragmenty - plastry (grubości kilku milimetrów), równolegle do osi pionowej próbek z których przygotowano szlify mikroskopowe. Badania mikroskopowe szerokiej gamy szlifów, autor przeprowadził przy pomocy mikroskopu optycznego firmy „Olympus” zintegrowanym z cyfrowym aparatem fotograficznym. Dla charakterystycznych obszarów w obrębie szlifów mikroskopowych wykonano serie kolorowych zdjęć fotograficznych w 25 i 100 krotnym powiększeniu. Na podstawie przeprowadzonej analizy rozwoju mikroskopowych struktur deformacji w próbkach piaskowca wyróżniono dwa typy niszczenia materiału skalnego. W pierwszym typie zniszczenia, części materiału nie objęte pęknięciem są wolne od zniszczeń, jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie strefy pęknięcia (powierzchni ścinania) występują mikropęknięcia i mikroszczeliny. Próbka jest ścinana skośnie do podstawy, a kąt nachylenia powierzchni pęknięcia względem podstawy próbki wykazuje tendencję malejącą ze wzrostem ciśnienia okólnego. W drugim typie zniszczenia, powstały intensywnie spękane strefy. Skupienia mikropęknięć i mikroszczelin wyraźnie rozprzestrzeniają się w znacznej objętości próbki. Różnica między dwoma typami zniszczenia uwidoczniła się także w liczebności i zasięgu mikropęknięć i mikroszczelin występujących w sąsiedztwie powierzchni pęknięć oraz intensywnie spękanych stref (pasm). Do badań mikroskopowych struktur deformacji metodą komputerowej analizy obrazu fotograficznego, wytypowano trzy próbki piaskowca (trzy szlify mikroskopowe piaskowca) odpowiadające następującym stanom naprężeniowo-odkształceniowym: próbka nr 1 (σ3 = 200 MPa ciśnienia okólnego i ε1 = 5% odkształcenia podłużnego) próbka nr 2 (σ3 = 300 MPa ciśnienia okólnego i ε1 = 10% odkształcenia podłużnego) próbka nr 3 (σ3 = 300 MPa ciśnienia okólnego i ε1 = 15% odkształcenia podłużnego) Na podstawie przeprowadzonych obserwacji mikroskopowych wydzielono dla w/w szlifów obszary z charakterystycznymi strefami rozwoju spękań i wykonano dla nich serię kolorowych zdjęć fotograficznych, tworzących profile pomiarowe. W profilach pomiarowych zarejestrowano wszystkie mikroszczeliny. Zdjęcia wykonano w powiększeniu 100-krotnym, prostopadle do osi pionowej próbki, tak aby stykając się ze sobą obejmowały ciągłe przejście z obszarów pozbawionych pęknięć lub obszarów nieznacznie zniszczonych, w strefy ze spękaniami obejmującymi powierzchnie poślizgu. Profile pomiarowe obejmowały swym zasięgiem fragment powierzchni szlifu mikroskopowego o długości około 11 mm i wysokości 1,0 mm. Przygotowanie danych wejściowych do analizy komputerowej wykonano w dwóch etapach. W etapie pierwszym zeskanowano zdjęcia z profili pomiarowych, a następnie za pomocą programu Photo Shop wydzielono struktury deformacji. W etapie drugim zastosowano program Scion Image, za pomocą którego dla ogółu wydzielonych mikroszczelin określono następujące parametry: • numer porządkowy mikroszczeliny, • współrzędne x, y środka mikroszczeliny, • długość mikroszczeliny, • wartość kąta zawartego pomiędzy kierunkiem rozprzestrzenienia się mikroszczeliny a powierzchnią poślizgu W efekcie przetwarzania danych, program Scion Image nadaje każdej wydzielonej mikroszczelinie numer porządkowy. Program skanuje powierzchnie przetworzonego obrazu, następnie zlicza wydzielone mikroszczeliny przyporządkowując im kolejny numer. Program oblicza współrzędne środka x, y, długość i kąt nachylenia każdej wydzielonej mikroszczeliny. Następnie za pomocą arkusza kalkulacyjnego, oznaczono odległość każdej wydzielonej mikroszczeliny od makroskopowej powierzchni pęknięcia, stanowiącej początek profilu pomiarowego. Określono również kąt nachylenia dla każdej wydzielonej mikroszczeliny względem powierzchni pęknięcia makroskopowego. Na podstawie uzyskanych danych wykonano zbiorcze wykresy liczebności, długości i kierunków rozprzestrzenienia mikroszczelin w funkcji długości profilów pomiarowych. W oparciu o analizę wyników badań stwierdzono co następuje: 1. Zwiększające się ciśnienie okólne σ3 = σ2 i odkształcenie podłużne próbki ε1 powoduje wzrost liczby mikroszczelin. 2. W próbce nr 1 (σ3 = σ2 = 200 MPa i ε1 = 5%) zarejestrowana liczba mikroszczelin w początkowej części profilu pomiarowego (bezpośrednie sąsiedztwo powierzchni poślizgu) jest znacznie większa niż w dalszej jego części. 3. W próbce nr 2 i nr 3 (σ3 = σ2 = 300 MPa i ε1 = 10% oraz σ3 = σ2 = 300 MPa i ε1 = 15%) mikropęknięcia i mikroszczeliny rozprzestrzeniają się i obejmują znaczną objętość próbki, toteż ich liczebność w funkcji długości profilu pomiarowego nie wykazuje większego zróżnicowania. 4. Zwiększenie ciśnienia okólnego i skrócenia osiowego próbek wpływa na wzrost sumarycznej długości pomierzonych mikroszczelin. 5. Kierunki rozprzestrzenienia mikroszczelin względem powierzchni poślizgu w trzech seriach pomiarowych są do siebie zbliżone. - Źródło:
-
Archives of Mining Sciences; 2013, 58, 1; 269-282
0860-7001 - Pojawia się w:
- Archives of Mining Sciences
- Dostawca treści:
- Biblioteka Nauki
Artykuł