Συσχέτιση παραμέτρων διατμητικής συμπεριφοράς ασυνεχειών και άρρηκτου πετρώματος

Abstract

Τhe mechanical behavior of a rockmass depends on both the mechanical characteristics of the intact material and the mechanical characteristics of the discontinuities. The understanding of the mechanical behavior of the intact rock under various stress conditions as well as the verification of the mathematical and numerical prediction models of this behavior, is achieved mainly through laboratory tests. The most common stress state of a rock mass is the triaxial compression and therefore the most reliable description of the mechanical properties of intact rock is studied through laboratory triaxial compression tests. Through these tests it becomes clear that for low values of confining pressure the rocks behave in a brittle manner, with the development of a shear failure surface. In contrast, under high values of confining pressure, the behavior of the rocks becomes ductile, without the development of a macroscopically distinct flat failure surface, but with uniform deformation of the specimen. On the other hand, the understanding of the mechanical behavior of rock discontinuity surfaces is better studied through direct shear tests on samples of critical rock mass discontinuities. The objective of this dissertation is the investigation of the correlation between the parameters of shear strength of rock discontinuities and intact rock. The research hypothesis is based on the finding that the failure in triaxial compression of an intact rock takes place in shear in the entire brittle field and therefore the shear strength parameters of the resulting failure surface along which the shear displacement occurs are related with the corresponding shear strength characteristics of the of a pre-fractured surface (discontinuity) of the same rock. The experimental part of the thesis consists of two independent laboratory test programs involving a series of direct shear tests on artificial rock discontinuities generated by tensile splitting or bending fracturing and a second series of triaxial compression tests on cylindrical specimens from intact samples of the same rock.The aim of the thesis is to better understand and interpret the shear mechanism in the two stresses conditions and to consider them from the same perspective, as well to express mathematically the shear strength. This expression is mainly based on physical properties and parameters that affect the failure of the two stress conditions. The experimental verification was performed through the results of two independent laboratory test programs that include a series of direct shear tests on artificial rock discontinuities generated by tensile splitting and a series of triaxial compression tests on cylindrical specimens of the same rock. For the implementation of the experimental part of the dissertation, fourteen different rocks were collected from different sampling sites and tested, including Sandstones (2), Graywacke, Siltstone, Limestones (2), Marbles (3), Amphibolite, Diorites (2), Granodiorite and Metadolerite. The properties and the number of tests performed for the determination of their values are: Porosity and dry density: 141, Brinell hardness tests: 439, Point load strength: 110, Uniaxial compressive strength: 29, Indirect tensile strength (Brazilian test): 125, Triaxial compression of intact rock: 144, Direct shear tests on discontinuities: 488, Thin section: 15, X-Ray Diffractometry: 15. For all the rocks examined, triaxial compression tests were performed at confining pressures 0-70 MPa in order to determine the shear strength parameters and in particular the constant mi of the Hoek-Brown criterion. In addition, the failure behavior was analyzed with emphasis on the brittle - ductile transition as this state occurs under non-dilational shearing. In the same rocks, direct shear tests were performed under conditions of constant normal load (CNL) in the range of normal stress 0-3 MPa, in artificial discontinuities with a total relative shear displacement of at least 5%. Significant attention was paid to the detailed recording of the dilation of the specimen, which was used to separate the total shear strength into a frictional component (non-dilational) and a geometrical component (dilation). A special part of this research was devoted to the determination of the Brinell penetration hardness, since its application to the examined rocks contributes to the understanding and the interpretation of the adhesion theory to rock materials.The main findings of the thesis are summarized as follows: a) The value of the critical ratio of the major principal stress (σ1) to the confining pressure (σ3) corresponding to the brittle-ductile transition depends on the mineralogical composition of the tested rocks. In particular, the mean value of this ratio was 5.57 and 4.07 for carbonate and silicate rocks respectively. b) The value of the average transition pressure divided by the unconfined compressive strength σci is more than three times higher for silicate rocks than for carbonate rocks (2.37 and 0.73 respectively). c) The values of the non-dilational friction angle resulted from the direct shear tests of discontinuities are practically equal to the values of the friction angle resulted from the stress state of the intact rock in the brittle - ductile transition. d) The constant mi of the Hoek-Brown criterion increases linearly with the value of the Brinell penetration hardness and decreases linearly with the value of the non-dilational friction angle. The value of mi is found to increase with the ratio of the brittle-ductile transition pressure to the unconfined compressive strength. e) The non-dilational friction angle decreases linearly with the hardness value. The above correlations are the innovative elements of this dissertation. The results of the dissertation are believed to be a useful and practical tool in the hands of scientists involved in the study of technical projects.

Η μηχανική συμπεριφορά της βραχόμαζας εξαρτάται τόσο από τα μηχανικά χαρακτηριστικά του άρρηκτου υλικού όσο και από τα μηχανικά χαρακτηριστικά των ασυνεχειών. Η συνηθέστερη εντατική κατάσταση της βραχόμαζας είναι η τριαξονική θλίψη και ως εκ τούτου η πλέον αξιόπιστη περιγραφή των μηχανικών χαρακτηριστικών του άρρηκτου πετρώματος επιτυγχάνεται μέσω εργαστηριακών δοκιμών τριαξονικής θλίψης. Από την άλλη πλευρά, η κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς των επιφανειών των ασυνεχειών του πετρώματος μελετάται πληρέστερα μέσω δοκιμών άμεσης διάτμησης σε δείγματα των κρίσιμων ασυνεχειών της βραχόμαζας. Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της συσχέτισης των τιμών των παραμέτρων διατμητικής αντοχής ασυνεχειών πετρωμάτων και άρρηκτου πετρώματος. Η ερευνητική υπόθεση βασίζεται στη διαπίστωση ότι η αστοχία σε καταπόνηση τριαξονικής θλίψης πραγματοποιείται με διατμητική μορφή μέχρι το όριο ψαθυρής-όλκιμης συμπεριφοράς ενός άρρηκτου πετρώματος και επομένως οι παράμετροι διατμητικής αντοχής της προκύπτουσας επιφάνειας του πετρώματος κατά μήκος της οποίας πραγματοποιείται διατμητική μετακίνηση, σχετίζεται με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά της διατμητικής αντοχής μιας προ-ρηγματωμένης επιφάνειας (ασυνέχειας) του ιδίου πετρώματος. Το πειραματικό μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκε μέσω της εκτέλεσης δυο ανεξάρτητων προγραμμάτων εργαστηριακών δοκιμών που περιλαμβάνουν μια σειρά δοκιμών άμεσης διάτμησης σε ασυνέχειες πετρωμάτων που προέκυψαν με εφελκυστική διάρρηξη ή με κάμψη και μία σειρά δοκιμών τριαξονικής θλίψης σε κυλινδρικά δοκίμια άρρηκτων δειγμάτων από τα ίδια πετρώματα. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση και ερμηνεία του μηχανισμού διάτμησης στις δυο καταπονήσεις και η θεώρησή τους κάτω από το ίδιο πρίσμα, καθώς και η μαθηματική έκφραση προσδιορισμού της διατμητικής αντοχής. Η έκφραση αυτή βασίζεται κυρίως σε φυσικές ιδιότητες και παραμέτρους που επηρεάζουν την αστοχία στις δυο καταπονήσεις. Για την υλοποίηση του πειραματικού μέρους της διατριβής εξετάστηκαν δεκατέσσερα διαφορετικά πετρώματα στα οποία περιλαμβάνονται Ψαμμίτες (2), Γραουβάκης, Ιλυόλιθος, Ασβεστόλιθοι (2), Μάρμαρα (3), Αμφιβολίτης, Διορίτες (2), Γρανοδιορίτης και Μεταδολερίτης. Συνολικά, λήφθηκαν βραχώδη δείγματα από δεκατέσσερις διαφορετικές θέσεις δειγματοληψίας, από τα οποία διαμορφώθηκαν και εξετάστηκαν ως προς τις φυσικές, και μηχανικές τους ιδιότητες. Αναλυτικά, στο εργαστηριακό μέρος της διατριβής υλοποιήθηκαν: 141 δοκιμές προσδιορισμού πορώδους και ξηρής πυκνότητας, 29 δοκιμές μονοαξονικής θλίψης, 144 δοκιμές τριαξονικής θλίψης, 110 δοκιμές σημειακής φόρτισης, 125 δοκιμές έμμεσου εφελκυσμού, 439 δοκιμές σκληρότητας διείσδυσης Brinell, 488 δοκιμές άμεσης διάτμησης ασυνεχειών, 15 λεπτές τομές 15 περιθλασιογράμματα XRD. Για όλα τα εξεταζόμενα πετρώματα πραγματοποιήθηκαν δοκιμές τριαξονικής θλίψης σε πλευρικές πιέσεις 0-70 MPa με σκοπό τον προσδιορισμό των παραμέτρων διατμητικής αντοχής και ιδιαίτερα της σταθεράς mi του κριτηρίου Hoek-Brown. Επιπλέον, αναλύθηκε η συμπεριφορά της αστοχίας με έμφαση στο όριο μεταξύ ψαθυρής και όλκιμης συμπεριφοράς καθώς αυτή η αστοχία αυτή σχετίζεται με τη μη-διαστολική γωνία τριβής. Στα ίδια πετρώματα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές άμεσης διάτμησης υπό συνθήκες σταθερής ορθής τάσης στο εύρος 0-3 MPa, σε τεχνητές ασυνέχειες με συνολική ανηγμένη διατμητική μετατόπιση τουλάχιστον 5%. Σημαντική προσοχή δόθηκε στη λεπτομερή καταγραφή της διαστολής του δοκιμίου, με τη βοήθεια της οποίας διαχωρίστηκε η συνολική διατμητική αντοχή σε μια συνιστώσα τριβής (μη-διαστολική) και σε μια γεωμετρική συνιστώσα (διαστολή). Ιδιαίτερο τμήμα της έρευνας αποτέλεσε ο προσδιορισμός της σκληρότητας διείσδυσης με τη δοκιμή Brinell καθώς η εφαρμογή της στα εξετασθέντα πετρώματα συνεισφέρει στην κατανόηση και ερμηνεία της θεωρίας πρόσφυσης των υλικών. Τα κυριότερα ευρήματα της διατριβής συνοψίζονται στα ακόλουθα: α) Η τιμή του κρίσιμου λόγου της κύριας αξονικής τάσης προς την πλευρική πίεση που αντιστοιχεί στη μετάβαση από όλκιμη σε ψαθυρή συμπεριφορά εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση των πετρωμάτων. Ειδικότερα, η μέση τιμή του λόγου αυτού προέκυψε ίση με 5,57 και 4,07 για τα ανθρακικά και τα πυριτικά πετρώματα αντίστοιχα, β) Η μέση τιμή του λόγου της πίεσης μετάβασης στην όλκιμη περιοχή προς την αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη είναι περισσότερο από τρεις φορές υψηλότερη για πυριτικά πετρώματα από ό,τι για ανθρακικά πετρώματα, γ) Οι τιμές της μη διαστολικής γωνίας τριβής που προκύπτουν από τις δοκιμές άμεσης διάτμησης ασυνεχειών πρακτικά ταυτίζονται με τις τιμές της γωνίας τριβής που προκύπτουν από την εντατική κατάσταση του άρρηκτου πετρώματος στη μετάβαση από την ψαθυρή στην όλκιμη συμπεριφορά, δ) Η σταθερά mi του κριτηρίου Hoek-Brown αυξάνεται γραμμικά με την τιμή της σκληρότητας διείσδυσης Brinell, ενώ αντίθετα μειώνεται γραμμικά με την τιμή της μη-διαστολικής γωνίας τριβής. Η σταθερά mi του κριτηρίου Hoek-Brown και η ανεμπόδιστη θλιπτική αντοχή αλληλεξαρτώνται από την πίεση μετάβασης στην όλκιμη περιοχή, ε) Η μη διαστολική γωνία τριβής μειώνεται γραμμικά με την τιμή της σκληρότητας. Οι παραπάνω συσχετίσεις αποτελούν τα καινοτόμα στοιχεία της παρούσας διατριβής. Τα αποτελέσματα της διατριβής, πιστεύεται ότι θα αποτελέσουν ένα χρήσιμο και πρακτικό εργαλείο στα χέρια των επιστημόνων που ασχολούνται με τη μελέτη τεχνικών έργων.