Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00306 008796 11222631 na godz. na dobę w sumie
Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia - ebook/pdf
Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia - ebook/pdf
Autor: Liczba stron:
Wydawca: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-235-1976-8 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> naukowe i akademickie >> geologia i geografia
Porównaj ceny (książka, ebook, audiobook).

W monografii przedstawiono charakterystykę procesu deformacji wybranych skał klastycznych polskiej części fliszu karpackiego w złożonym stanie naprężenia. W skałach tego regionu obserwuje się powiązania geomechaniczno-tektoniczne wynikające z nieodległych w czasie geologicznym ruchów fałdowych, formujących struktury powstałe na skutek kruchego pękania oraz tworzące się w wyniku długotrwałych odkształceń. Procesy takie modelowano w laboratorium w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania przy zastosowaniu komór trójosiowych. Prezentowane wyniki mają istotne znaczenie praktyczne w zastosowaniach geotechnicznych w budownictwie podziemnym, m.in. przy adaptacji podziemnych wyrobisk górniczych na cele magazynowe. Działania te wymagają szerokiej wiedzy o mechanizmach niszczenia skał i parametrach geomechanicznych, co jest przedmiotem niniejszej pracy.

Publikacja adresowana jest do studentów, badaczy i specjalistów w dziedzinie geomechaniki, ale także geologii strukturalnej, tektoniki i tektonofizyki.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Paweł Łukaszewski W monografii przedstawiono charakterystykę procesu deformacji wybranych skał klastycznych polskiej części fliszu karpackiego w złożonym stanie naprężenia. W ska- łach tego regionu obserwuje się powiązania geomechaniczno-tektoniczne wynikające z nieodległych w czasie geologicznym ruchów fałdowych, formujących struktury powstałe na skutek kruchego pękania oraz tworzące się w wyniku długotrwałych odkształceń. Procesy takie modelowano w laboratorium w warunkach konwencjo- nalnego trójosiowego ściskania przy zastosowaniu komór trójosiowych. Prezentowane wyniki mają istotne znaczenie praktyczne w zastosowaniach geotechnicznych w bu- downictwie podziemnym, m.in. przy adaptacji podziemnych wyrobisk górniczych na cele magazynowe. Działania te wymagają szerokiej wiedzy o mechanizmach nisz- czenia skał i parametrach geomechanicznych, co jest przedmiotem niniejszej pracy. Publikacja adresowana jest do studentów, badaczy i specjalistów w dziedzinie geo- mechaniki, ale także geologii strukturalnej, tektoniki i tektonofizyki. Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia PAWEŁ ŁUKASZEWSKI jest adiunktem w Zakładzie Geomechaniki Instytutu Hydrogeo- logii i Geologii Inżynierskiej na Wydziale Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Jego zainteresowania badawcze koncentrują się na zagadnieniach związanych z właści- wościami wytrzymałościowo-odkształceniowymi skał oraz zróżnicowaniem procesu deformacji ośrodków skalnych w warunkach jednoosiowego i trójosiowego stanu naprężenia. Jest współautorem serii monograficznej składającej się z 12 tomów, poświęconej geomechanicznej charakterystyce skał „Właściwości wytrzymałościowe i odkształceniowe skał Polski”. Uczestniczył w realizacji 8 projektów badawczych KBN/MNiSW oraz w ramach 5 Programu Ramowego Unii Europejskiej. Jest autorem szeregu opracowań, opinii i ekspertyz z zakresu geologii inżynierskiej i naftowej oraz budownictwa. Praca zawiera bardzo wartościowe naukowo wyniki badań właściwości fizycznych, w tym odkształceniowych i wytrzymałościowych fliszu karpackiego. Dr hab. Mirosława Bukowska prof. Głównego Instytutu Górnictwa Praca jest bardzo wartościową monografią. Prezentuje oryginalne i bardzo intere- sujące, nie tylko jakościowe, ale również ilościowe, wyniki badań doświadczalnych charakterystyk deformacyjnych piaskowców fliszowych. Przedstawione w pracy wyniki są uzyskane na drodze systematycznych rozważań i badań oraz poddane analizie w funkcji parametrów/miar strukturalnych badanych skał. Dr hab. inż. Dariusz Łydżba prof. Politechniki Wrocławskiej P a w e ł Ł u k a s z e w s k i l O d k s z t a ł c a n o ś ć p a s k o w c ó w i f l i s z o w y c h w z ł o ż o n y m s t a n e n a p r ę ż e n a i i Paweł Łukaszewski Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia www.wuw.pl/ksiegarnia/ P. 22 indd.indd 1 P. 22 indd.indd 1 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2013-02-03 22:14:29 2013-02-03 22:14:29 Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Paweł Łukaszewski Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Recenzenci dr hab. Miroslawa Bukowska, prof. Gło´wnego Instytutu Go´rnictwa, dr hab. Dariusz Łydz˙ba, prof. Politechniki Wrocławskiej Redaktor prowadza˛cy Małgorzata Yamazaki Redakcja i korekta Barbara Nowak Redakcja techniczna Zofia Kosin´ska Projekt okładki Katarzyna Jarnuszkiewicz Skład i łamanie Logoscript Publikacja dofinansowana przez Wydział Geologii i Rektora Uniwersytetu Warszawskiego # Copyright by Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2013 ISBN 978-83-235-1160-1 Wydanie I Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego 00-497 Warszawa, ul. Nowy S´wiat 4 http://www.wuw.pl; e-mail: wuw@uw.edu.pl Dział Handlowy: tel. 22 55 31 333 e-mail: dz.handlowy@uw.edu.pl Ksie˛garnia Internetowa: http://www.wuw.pl/ksiegarnia ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== SPIS TRES´CI 1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Historia badan´ oraz aktualny stan wiedzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Historia badan´ oraz aktualny stan wiedzy o badaniach wytrzymało- s´ciowych w warunkach jednoosiowego i tro´josiowego s´ciskania. . . . . . . 2.2. Włas´ciwos´ci fizykomechaniczne skał fliszu karpackiego w s´wietle danych archiwalnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Ogo´lna charakterystyka badanego materiału skalnego . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Ogo´lna charakterystyka geologiczno-facjalna Karpat fliszowych . . . . . . 3.2. Wybo´r odsłonie˛c´ do poboru materiału skalnego do badan´ . . . . . . . . . . 3.3. Charakterystyka strukturalna badanego materiału skalnego . . . . . . . . . 3.4. Zro´z˙nicowanie frakcjonalne badanych skał . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Analiza stopnia zwie˛złos´ci skał . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Wydzielenie typo´w badawczych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Charakterystyka włas´ciwos´ci identyfikacyjnych skał fliszu karpackiego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Charakterystyka wybranych włas´ciwos´ci fizycznych piaskowco´w fliszowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Charakterystyka dynamicznych wspo´łczynniko´w spre˛z˙ystos´ci piaskowco´w fliszowych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Proces deformacji piaskowco´w fliszowych w warunkach jednoosiowego s´ciskania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Metodyka badan´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Napre˛z˙eniowa i odkształceniowa charakterystyka piaskowco´w fliszowych 6. Badania wytrzymałos´ciowe w tro´josiowym stanie napre˛z˙enia . . . . . . . . 6.1. Stanowisko badawcze do badan´ wytrzymałos´ciowych w warunkach konwencjonalnego tro´josiowego s´ciskania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 12 12 37 43 43 44 45 51 56 58 61 61 63 74 74 77 93 93 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 6 SPIS TRES´CI 6.2. Zastosowane metody badawcze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Ogo´lna charakterystyka napre˛z˙eniowo-odkształceniowa w zakresie cis´nien´ oko´lnych do 90 MPa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Analiza wyniko´w badan´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Analiza technik badawczych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Analiza zro´z˙nicowania strukturalnego piaskowco´w fliszowych . . . . . . . 7.3. Analiza anizotropii wytrzymałos´ci i odkształcalnos´ci piaskowco´w 95 102 119 119 127 fliszowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 8. Analiza procesu deformacji piaskowco´w fliszowych w warunkach konwencjonalnego tro´josiowego s´ciskania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Wpływ cis´nienia oko´lnego na deformacje˛ piaskowco´w fliszowych. . . . . 8.2. Wpływ zro´z˙nicowania strukturalnego (frakcjonalnego) na proces 147 147 deformacji piaskowco´w fliszowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.3. Wpływ chropowatos´ci powierzchni zniszczenia na proces deformacji piaskowco´w fliszowych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9. Obwiednie wytrzymałosci skał fliszu karpackiego na tle kryterio´w Coulomba–Mohra, Fairhursta oraz Hoeka–Browna . . . . . . . . . . . . . . . . . . Podsumowanie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 200 206 210 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. WPROWADZENIE Poste˛p technologiczny ostatnich kilkudziesie˛ciu lat, rozwo´j infrastruktury dro- gowej kraju oraz rosna˛ce potrzeby energetyczne i koniecznos´c´ magazynowania we˛glowodoro´w zwie˛kszaja˛ zainteresowanie budownictwem podziemnym. Po- wstaja˛projekty tuneli drogowych i kolejowych, na cele magazynowe adaptuje sie˛ podziemne wyrobiska i szyby, a takz˙e buduje sie˛ podziemne zbiorniki do skła- dowania i/lub magazynowania ropy naftowej oraz gazu ziemnego. Szacowane bogate zasoby niekonwencjonalnych zło´z˙ gazu spowodowały wzrost liczby głe˛- bokich wiercen´, a potencjalna ich eksploatacja narzuca koniecznos´c´ stosowania zabiego´w udraz˙niaja˛cych go´rotwo´r w postaci szczelinowania hydraulicznego. Wspo´łczesna geomechanika wymaga zatem dokonania charakterystyki procesu deformacji skał w złoz˙onym stanie napre˛z˙enia, odwzorowuja˛cym warunki rze- czywiste w go´rotworze. Zachowanie sie˛ skał podczas badan´ jednoosiowego s´ciskania jest dos´c´ dobrze rozpoznane, do czego znacza˛co przyczyniło sie˛ rozpowszechnienie pras o duz˙ej sztywnos´ci, pozwalaja˛cych rejestrowac´ nie tylko przedkrytyczna˛, ale takz˙e i pokrytyczna˛ s´ciez˙ke˛ deformacji. W warunkach tro´josiowego s´ciskania, w złoz˙onym stanie napre˛z˙enia, opis deformacji skał jest jednak cia˛gle niepełny i aby był wiarygodny, musi uwzgle˛dniac´ zaro´wno wysokie cis´nienie panuja˛ce na znacznych głe˛bokos´ciach, jak i zmieniaja˛ca˛ sie˛ w skorupie ziemskiej temperature˛. Konieczne staje sie˛ zatem stosowanie w badaniach geo- mechanicznych komo´r tro´josiowych (termocis´nieniowych), dzie˛ki kto´rym jest moz˙liwe modelowanie (w przybliz˙eniu) warunko´w panuja˛cych na ro´z˙nych głe˛- bokos´ciach. Pierwsze testy wytrzymałos´ciowo-odkształceniowe skał w podwyz˙szonym cis´nieniu wykonywano juz˙ na pocza˛tku XX w., jednak dopiero w latach 80. Mie˛dzynarodowe Towarzystwo Mechaniki Skał (ISRM) wydało zalecenia doty- cza˛ce badan´ w warunkach tro´josiowego s´ciskania. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 8 1. WPROWADZENIE Literatura naukowa z tej dziedziny wskazuje, z˙e w warunkach niskiego cis´- nienia oko´lnego skały pe˛kaja˛ krucho. Zjawisku temu towarzyszy wyzwolenie sie˛ energii spre˛z˙ystej m.in. w postaci efektu akustycznego. Wzrost cis´nienia oko´lnego powoduje jednak, z˙e po przekroczeniu charakterystycznego dla danej odmiany litologicznej poziomu skały zaczynaja˛ odkształcac´ sie˛ cia˛gliwie, nabie- raja˛c zdolnos´ci do przenoszenia duz˙ych odkształcen´ trwałych bez efekto´w kru- chego pe˛kania. Wyznaczenie progu, przy kto´rym skała przechodzi ze stanu kruchego w stan cia˛gliwy, jest jednym z aktualnych zadan´ geomechaniki. Obserwowane w laboratorium w skali mikro zjawiska kruchego pe˛kania skał sa˛ odpowiednikiem zjawisk rzeczywistych – tektonicznych trze˛sien´ ziemi, maja˛- cych cze˛sto tragiczne skutki w zaludnionych obszarach globu. Odkształcenia plastyczne (zachowanie cia˛gliwe) odpowiadaja˛ natomiast deformacjom cia˛głym, np. fałdowym, przebiegaja˛cym w czasie i nie maja˛cym gwałtownego, katastro- ficznego przebiegu. Poznanie mechanizmo´w zniszczenia skał jest wie˛c bardzo istotnym problemem naukowym, nie tylko w zakresie geomechaniki, ale takz˙e ma znaczenie dla geologii strukturalnej, tektoniki i tektonofizyki. Podstawa˛ oceny geomechanicznej os´rodko´w skalnych sa˛ przede wszystkim klasyczne badania jednoosiowego s´ciskania, wykonywane powszechnie w labora- toriach na całym s´wiecie. W zalez˙nos´ci od moz˙liwos´ci technicznych, stopnia zaawansowania aparatury badawczej i złoz˙onos´ci procedur, badania te pozwa- laja˛ w ro´z˙nym stopniu scharakteryzowac´ proces deformacji materiału skalnego w tzw. warunkach normalnych – przy cis´nieniu atmosferycznym i temperaturze pokojowej. Opis zachowania sie˛ skał w takich warunkach jest wie˛c bardzo sze- roki i wielowa˛tkowy, obejmuje ro´z˙ne grupy litologiczne i cze˛sto ma bardzo szczego´łowy charakter. Gło´wnym celem naukowym tego opracowania jest jednak charakterystyka odkształcalnos´ci (deformacji) skał w złoz˙onym stanie napre˛z˙enia, w warunkach osiowo-symetrycznego stanu napre˛z˙en´ s´ciskaja˛cych (s1 4 s2 = s3 = p). Jako przedmiot badan´ geomechanicznych wybrano piaskowce fliszu karpac- kiego, kto´re w swej stosunkowo niedawnej historii geologicznej były poddawane działaniu sił tektonicznych. Na obszarze ich wyste˛powania obecne sa˛ struktury geologiczne, zaro´wno niecia˛głe – łuski, uskoki, powstałe na skutek pe˛kania kru- chego, jak i struktury cia˛głe – fałdy, tworza˛ce sie˛ w wyniku długotrwałych odkształcen´. Geneza skał fliszowych jest zwia˛zana z dynamika˛ pra˛do´w zawiesi- nowych transportuja˛cych zro´z˙nicowany materiał klasyczny w głe˛bokim, dos´c´ monotonnym zbiorniku morskim, w tym przypadku w okresie kredy i paleogenu. Pod wpływem rucho´w tektonicznych w neogenie zostały one odkłute od pod- łoz˙a, podzielone na płaszczowiny i naste˛pnie przesunie˛te na odległos´c´ od kilku- dziesie˛ciu do kilkuset kilometro´w na po´łnoc. Po´z´niejsze procesy wietrzeniowe spowodowały, z˙e sfałdowane, drobnoziarniste osady, takie jak mułowce i iłowce, sa˛ obecnie znane przede wszystkim z wiercen´, a na powierzchni terenu odsła- niaja˛ sie˛ praktycznie tylko w oknach tektonicznych. Wyraz´nie dominuja˛ tutaj ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. WPROWADZENIE 9 bardziej odporne na wietrzenie piaskowce, tworza˛c wyniesienia i pasma go´rskie. Sa˛ one eksploatowane i wykorzystywane jako surowce skalne na potrzeby bu- downictwa, drogownictwa i innych dziedzin gospodarki. W s´cianach kamienio- łomo´w odsłaniaja˛ sie˛ w stanie niezwietrzałym i włas´nie dzie˛ki ułatwionej doste˛pnos´ci te˛ grupe˛ skał wybrano do badan´. Piaskowce fliszu karpackiego były wielokrotnie badane pod ka˛tem ich włas´ci- wos´ci fizyczno-mechanicznych, przede wszystkim jednak w warunkach jedno- osiowego s´ciskania, zatem istnieje wiele opracowan´ na ten temat. W warunkach konwencjonalnego tro´josiowego s´ciskania analizy wytrzymałos´ciowo-odkształ- ceniowe tych skał były znacznie rzadziej wykonywane i tym samym liczba publikowanych materiało´w, dotycza˛cych zalez˙nos´ci mie˛dzy napre˛z˙eniem a od- kształceniem osiowym, obwodowym i obje˛tos´ciowym w złoz˙onym stanie napre˛- z˙enia, jest ograniczona. Badania włas´ciwos´ci wytrzymałos´ciowych i odkształceniowych skał regionu karpackiego w warunkach jednoosiowego s´ciskania, prowadzone w ramach dwo´ch projekto´w badawczych, zakon´czonych w 2003 r. pod kierunkiem autora i w 2004 r. pod kierunkiem Joanny Pinin´skiej (2004) w S´rodowiskowym Labo- ratorium Badania Os´rodko´w Skalnych Zakładu Geomechaniki Uniwersytetu Warszawskiego, wykazały, z˙e mimo znacznego podobien´stwa mineralnego w poszczego´lnych odmianach litologicznych wyste˛puja˛duz˙e ro´z˙nice w przebiegu „s´ciez˙ek” deformacji. Do charakterystyki tego procesu powszechnie stosowany system wydzielen´ rodzajo´w skał, oparty tylko na analizie petrograficznej, nie jest wystarczaja˛cy, podobnie jak kryterium nawia˛zuja˛ce jedynie do uziarnienia. Piaskowce fliszowe wykazuja˛ bowiem duz˙e zro´z˙nicowanie frakcyjne oraz słabe wysortowanie materiału. Do badan´ prezentowanych w niniejszej pracy dobierano materiał skalny pod wzgle˛dem jego zmiennos´ci facjalnej i na tej podstawie lokalizowano miejsca pobierania pro´bek. Przyje˛ty naste˛pnie, jako zasadniczy, podział na trzy gło´wne typy badawcze został ustalony na podstawie charakterystycznych cech skał fliszowych: stopnia diagenezy, wielkos´ci uziarnienia i składu mineralnego. Charakterystyke˛ odkształcalnos´ci piaskowco´w fliszowych przeprowadzono na podstawie własnych badan´ geomechanicznych: . wste˛pnych badan´ identyfikacyjnych włas´ciwos´ci fizycznych oraz pomiaro´w pre˛dkos´ci fal ultradz´wie˛kowych; . badan´ wytrzymałos´ciowych w jednoosiowym stanie napre˛z˙enia; . badan´ wytrzymałos´ciowych w tro´josiowym stanie napre˛z˙enia; . badan´ chropowatos´ci powierzchni zniszczenia uzyskanych z badan´ wytrzy- małos´ciowych. Badania cech fizycznych miały na celu przede wszystkim ustalenie ge˛stos´ci obje˛tos´ciowej i porowatos´ci całkowitej niezbe˛dnej do wste˛pnej charakterystyki badanego materiału skalnego oraz weryfikacji przyje˛tego podziału litologicznego, czemu słuz˙yły ro´wniez˙ nieniszcza˛ce badania ultradz´wie˛kowe. Ich wyniki stano- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 10 1. WPROWADZENIE wiły jednoczes´nie wste˛pna˛ prognoze˛ przebiegu deformacji (odkształcalnos´ci) piaskowco´w fliszowych pod obcia˛z˙eniem. Zmiennie ukierunkowane pomiary umoz˙liwiły takz˙e ustalenie stopnia anizotropii badanych os´rodko´w skalnych, za- ro´wno na podstawie rejestrowanych zmian pre˛dkos´ci fali podłuz˙nej i poprzecznej, jak ro´wniez˙ poprzez ustalone na ich podstawie dynamiczne stałe spre˛z˙ystos´ci. Testy wytrzymałos´ciowe w jednoosiowym stanie napre˛z˙en´ stanowiły pierw- szy wariant badan´ w złoz˙onym stanie napre˛z˙enia, gdy cis´nienie oko´lne było ro´wne zero (p = 0 MPa) i przeprowadzono je gło´wnie dla celo´w poro´wnawczych. Ich wyniki posłuz˙yły takz˙e do wyznaczenia zwia˛zko´w empirycznych w postaci zalez˙nos´ci funkcyjnych mie˛dzy podstawowymi parametrami geomechanicznymi. Zasadnicza˛ charakterystyke˛ wytrzymałos´ciowo-odkształceniowa˛ analizowa- nych piaskowco´w fliszowych przeprowadzono na podstawie badan´ w warunkach konwencjonalnego tro´josiowego s´ciskania, na podstawie kto´rych wyznaczono: . maksymalne napre˛z˙enie ro´z˙nicowe i progowe wartos´ci napre˛z˙enia na progu liniowos´ci odkształcen´ osiowych oraz na progu dylatancji włas´ciwej; . krytyczne odkształcenia osiowe, obwodowe i obje˛tos´ciowe; . statyczne stałe spre˛z˙ystos´ci – moduł Younga i wspo´łczynnik Poissona; . wielkos´c´ energii krytycznej (niezbe˛dnej do zniszczenia) oraz energii dylatan- cji (niezbe˛dnej do zainicjowania pe˛kania niestabilnego na progu dylatancji włas´ciwej). Obok charakterystyki wytrzymałos´ciowo-odkształceniowej badanych skał, duz˙o miejsca pos´wie˛cono cze˛s´ci metodycznej, maja˛cej istotne znaczenie dla poprawnos´ci wykonywanych testo´w w tro´josiowym stanie napre˛z˙enia i doboru odpowiedniego wariantu badawczego. Wykorzystuja˛c moz˙liwos´ci techniczne sto- sowanej aparatury, badania prowadzono trzema metodami, odmiennie w kaz˙dej z nich osia˛gaja˛c punkt krytyczny i doprowadzaja˛c do ostatecznego zniszczenia pro´bki. Wykonywano pojedyncze testy klasyczne przy niezmiennym cis´nieniu oko´lnym oraz testy wielokrotnego i cia˛głego zniszczenia, zwie˛kszaja˛c poziomy cis´nienia oko´lnego w trakcie badania. Wyniki wykonanych w ten sposo´b badan´ pozwoliły ustalic´ znaczenie wariantu badawczego dla ro´z˙nicowania sie˛ deforma- cji badanych piaskowco´w fliszowych przy ro´z˙nych s´ciez˙kach obcia˛z˙enia. Stosuja˛c w badaniach zmienne poziomy cis´nien´ oko´lnych, starano sie˛ ustalic´ wpływ wartos´ci s2 = s3 = p na przebieg procesu dylatancji. Analizowano zalez˙- nos´ci mie˛dzy odkształceniami osiowymi i obwodowymi (podłuz˙nymi i po- przecznymi) a wywołuja˛cymi je zmianami napre˛z˙enia tak, aby moz˙liwie dokładnie ustalic´ znaczenie wartos´ci cis´nienia oko´lnego dla inicjacji i rozwoju spe˛kan´. W ocenie ilos´ciowej wykorzystano ro´wniez˙ wyznaczona˛ wartos´c´ ener- gii dylatancji odniesionej do energii krytycznej, a zdefiniowany i otrzymany w ten sposo´b nowy wskaz´nik energetyczny kwantyfikuje zro´z˙nicowanie lito- logiczne badanych skał. Wskutek kruchego pe˛kania i zniszczenia pro´bki skalnej w testach tro´josio- wego s´ciskania powstaje jedna gło´wna powierzchnia pe˛kania, wzdłuz˙ kto´rej na- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. WPROWADZENIE 11 ste˛puje wzajemne przemieszczanie sie˛ s´cianek bocznych szczeliny. Istotnego znaczenia nabieraja˛ wo´wczas siły tarcia powierzchniowego, przeciwstawiaja˛ce sie˛ dalszej dezintegracji skały. Wielkos´c´ tarcia zalez˙y od kształtu, formy i morfo- logii powierzchni kontaktu, im jest ona bardziej „szorstka”, tym bardziej siła tarcia wzrasta. Uzyskane w badaniach wytrzymałos´ciowych powierzchnie s´cie˛cia poddano ocenie chropowatos´ci w profilometrze, uzyskuja˛c ich parametryczna˛ charakte- rystyke˛. Ustalono w ten sposo´b wpływ cis´nienia oko´lnego na zmiany morfologii szczelin, a co za tym idzie, na wielkos´c´ sił tarcia przeciwstawiaja˛cego sie˛ zniszczeniu. W przeprowadzonych badaniach odniesiono sie˛ takz˙e do naturalnej dla skał fliszu karpackiego anizotropii, rejestrowanej wczes´niej w badaniach ultradz´wie˛- kowych, s´ciskaja˛c w maszynie wytrzymałos´ciowej pro´bki ro´z˙nie zorientowane wzgle˛dem cech strukturalno-teksturalnych. Gło´wnym celem tych badan´ było wyznaczenie uprzywilejowanego kierunku, w kto´rym wytrzymałos´c´ i odkształ- calnos´c´ przyjmuje wartos´ci ekstremalne – minimalne i maksymalne. Do tego typu badan´ wybrano jeden z typo´w litologicznych o stwierdzonej wczes´niej du- z˙ej anizotropii ultradz´wie˛kowej. Podsumowaniem wyniko´w badan´ sa˛ obwiednie wytrzymałos´ci obrazuja˛ce stan graniczny wytrzymałos´ci. Uwzgle˛dniono w nich zro´z˙nicowanie litologiczne materiału i zmienne warunki cis´nieniowe, a takz˙e stosowane w badaniach ro´z˙ne s´ciez˙ki obcia˛z˙enia. Ustalone na podstawie obwiedni wartos´ci ka˛to´w tarcia we- wne˛trznego i spo´jnos´ci odniesiono do stałych materiałowych dla warunku eks- perymentalnego według Coulomba–Mohra, Fairhursta oraz Hoeka–Browna. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY 2.1. Historia badan´ oraz aktualny stan wiedzy o badaniach wytrzymałos´ciowych w warunkach jednoosiowego i tro´josiowego s´ciskania Wytrzymałos´c´ materiału jest jedna˛z podstawowych cech fizycznych okres´laja˛ca˛ jego przydatnos´c´ dla celo´w konstrukcyjnych. I choc´ pocza˛tkowo wykorzys- tywano drewno i kamien´, to jednak pierwsze systematyczne badania naukowe, stanowia˛ce podstawe˛ rozwoju mechaniki os´rodko´w cia˛głych, wykonano dla stali. Na ich podstawie zdefiniowano zasadnicze poje˛cia napre˛z˙enia i odkształcenia, rozwinie˛to teorie˛ spre˛z˙ystos´ci i plastycznos´ci. Zasadniczym badaniem w ocenie wytrzymałos´ci stali jest wytrzymałos´c´ na rozcia˛ganie. Dynamiczny rozwo´j mechaniki grunto´w nasta˛pił na pocza˛tku XX w. Two´r- czo adaptowano wczes´niejsze osia˛gnie˛cia, jednak podstawowe badania musiały byc´ zmienione, gdyz˙ dla grunto´w podstawowa˛ cecha˛ jest wytrzymałos´c´ na s´ci- nanie. W połowie XX w. z kolei nasta˛pił rozwo´j badan´, dla kto´rych zasadniczym badaniem jest wytrzymałos´c´ skał na s´ciskanie. W ocenie wytrzymałos´ci materiało´w dominuja˛ dwie koncepcje, umownie nazywane mechaniczna˛ i kinetyczna˛. Według koncepcji mechanicznej rozpad na cze˛s´ci jest skutkiem utraty stabilnos´ci ciała stałego znajduja˛cego sie˛ w polu napre˛z˙en´, a wzory na wytrzymałos´c´ materiało´w sa˛ wyprowadzane z rozwia˛zan´ energetycznych. W koncepcji kinetycznej rozerwanie ciała naste˛puje w czasie pod wpływem zmian termicznych i napre˛z˙en´ mechanicznych, a trwałos´c´ ciała oblicza sie˛ na podstawie wzoro´w wia˛zan´ atomo´w, rozkładu istnieja˛cych de- fekto´w, wła˛cznie z dyslokacjami. Uwzgle˛dnienie struktury mikroskopowej skał zmieniło pogla˛dy na przebieg procesu zniszczenia i spowodowało odejs´cie od modeli statycznych do modeli, ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.1. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY O BADANIACH... 13 w kto´rych nieustannie trwaja˛drgania atomo´w i przemieszczenia dyslokacji krawe˛- dziowych oraz s´rubowych. S´ledzenie, rejestracja i ocena tych proceso´w sa˛ trudne i wymagaja˛ stosowania ro´z˙nych, cze˛sto bardzo złoz˙onych technik badawczych. Analizy teoretyczne sa˛ podstawa˛ projektowania badan´ modelowych, labora- toryjnych oraz in situ i słuz˙a˛ do interpretacji wyniko´w. Badania modelowe słuz˙a˛ ocenie jakos´ciowej zjawisk dynamicznych, natomiast ilos´ciowa charakterystyka napre˛z˙en´ oraz weryfikacja obliczen´ moz˙liwa jest dopiero na podstawie rzeczy- wistych parametro´w, uzyskanych z badan´ in situ i laboratoryjnych. Metody laboratoryjne zmieniaja˛ sie˛ wraz z poste˛pem wiedzy o budowie skorupy ziemskiej, aby coraz dokładniej odzwierciedlac´ warunki istnieja˛ce na duz˙ych głe˛bokos´ciach. Coraz powszechniej rekonstruuje sie˛ rzeczywiste stany napre˛z˙en´ na podstawie badan´ wytrzymałos´ciowych w warunkach wysokich cis´- nien´ i temperatury. Poprawna charakterystyka skał skorupy ziemskiej powinna uwzgle˛dniac´ jeszcze ich interakcje˛ fizyczna˛i chemiczna˛, zwia˛zana˛z przepływem roztworo´w wodnych lub we˛glowodoro´w przez pory i szczeliny. Istotne zna- czenie dla geomechanicznych badan´ laboratoryjnych ma ro´wniez˙ nienaruszony i nieodpre˛z˙ony stan materiału skalnego. Niezbe˛dna jest synchronizacja labora- toryjnych prac badawczych z poborem rdzeni i monolito´w, ich ochrona przed wpływem czynniko´w zewne˛trznych, moz˙liwie szybkie ich udoste˛pnienie oraz dos´wiadczalne wyznaczenie wskaz´niko´w korekcyjnych, uwzgle˛dniaja˛cych efekty odpre˛z˙enia materiału i „efekt skali”. Mechanika skał zajmuje sie˛ złoz˙onym os´rodkiem i jest działem wiedzy inz˙y- nierskiej, kto´ra korzysta z teoretycznych rozwia˛zan´ mechaniki ciała stałego. Zro- zumienie mechanicznych włas´ciwos´ci os´rodko´w skalnych wymaga zatem znajo- mos´ci podstaw teorii spre˛z˙ystos´ci, plastycznos´ci i kruchego pe˛kania. Mechanika ciała stałego makroskopowo charakteryzuja˛cego sie˛ w normalnych warunkach stabilnos´cia˛ kryształu, w budowie mikroskopowej obejmuje wiedze˛ o strukturze i włas´ciwos´ciach kryształo´w, kto´rych zewne˛trzna symetria jest powia˛zana z mikro- skopowa˛ symetria˛ połoz˙enia atomo´w. W strukturze mikroskopowej kaz˙dy atom wykonuje małe drgania woko´ł ustalonego połoz˙enia ro´wnowagi, co wymaga za- stosowania matematycznych praw symetrii. Pocza˛tkowo badano włas´ciwos´ci idealnych kryształo´w, ale w 2. połowie XX w. zacze˛to badac´ niedoskonałos´ci ich struktury i ich wpływ na włas´ciwos´ci fizyczne, m.in. wytrzymałos´c´, kto´ra w istotny sposo´b zalez˙y od dyslokacji, czyli nieregularnos´ci w rozmieszczeniu atomo´w. W rozwia˛zaniach praktycznych do opisu zachowania sie˛ skał w warunkach obcia˛z˙en´ zewne˛trznych korzysta sie˛ z elemento´w teorii spre˛z˙ystos´ci, teorii plas- tycznos´ci oraz kruchego pe˛kania. Stosuje sie˛ wie˛c poje˛cia tensoro´w odkształcenia eij oraz napre˛z˙enia sij stosowane w teorii spre˛z˙ystos´ci, mierza˛c przemieszczenie punktu w stosunku do przyje˛tego układu odniesienia. Włas´ciwos´ci spre˛z˙yste os´rodka charakteryzuja˛ natomiast moduły spre˛z˙ystos´ci. Przy małych odkształ- ceniach ciała spre˛z˙ystego i przy załoz˙eniu, z˙e odkształcenie zachodzi quasi- -statycznie, składowe napre˛z˙enia i odkształcenia zwia˛zane sa˛szes´cioma ro´wna- niami liniowymi, zgodnie z prawem Hooke’a: ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 14 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY sij = Aijkl  ekl (2.1) gdzie: sij – tensor napre˛z˙enia, ekl – tensor odkształcenia, Aijkl – tensor wspo´ł- czynniko´w materiałowych. Dla ogo´lnego przypadku anizotropii, liczba wspo´łczynniko´w materiałowych wynosi 21, natomiast dla os´rodka jednorodnego, izotropowego redukuje sie˛ do 2. Najbardziej znane stałe materiałowe to: moduł Younga (E), moduł s´cinania (G), moduł odkształcenia obje˛tos´ciowego (K) oraz wspo´łczynnik Poissona (). Wyniki badan´, jak i obserwacje terenowe, wskazuja˛, z˙e zachowanie sie˛ skał w pewnych warunkach nie moz˙e byc´ w pełni wyjas´nione teoria˛ spre˛z˙ystos´ci i bardziej odpowiednie jest zastosowanie teorii plastycznos´ci. Zajmuje sie˛ ona okres´leniem rozkładu napre˛z˙en´ i odkształcen´ w os´rodkach, kto´rym w procesie deformacji towarzysza˛ trwałe odkształcenia. W teorii plastycznos´ci ustala sie˛ zwia˛zek mie˛dzy tensorem napre˛z˙enia a tensorem przyrostu odkształcenia lub tensorem pre˛dkos´ci odkształcenia plastycznego. Analizuja˛c zachowanie sie˛ skał pod obcia˛z˙eniem, jest moz˙liwe wyro´z˙nienie cze˛s´ci spre˛z˙ystej i cze˛s´ci plastycznej odkształcenia. Pełny zakres odkształcenia zawiera wie˛c cze˛s´c´ spre˛z˙ysta˛, zwia˛- zana˛ z napre˛z˙eniami zgodnie z prawem Hooke’a, i cze˛s´c´ plastyczna˛. Obserwo- wany stan napre˛z˙enia i stan odkształcenia zalez˙a˛ w znacznym stopniu od historii obcia˛z˙ania materiału, kto´ry wielokrotnie odcia˛z˙any i ponownie ob- cia˛z˙any wzmacnia sie˛ lub osłabia. Fizyczny mechanizm plastycznos´ci jest wyjas´niany nieodwracalna˛ zmiana˛ połoz˙enia atomo´w, wynikaja˛ca˛ z rozrywania niekto´rych wia˛zan´ mie˛dzyatomo- wych i powstawania nowych. Proces ten zachodzi najszybciej w pobliz˙u istnie- ja˛cych defekto´w struktury lub w miejscach osłabionych powstaniem duz˙ych napre˛z˙en´ lokalnych, czego efektem jest pe˛kanie i kruszenie materiału w wyniku rozwoju i ła˛czenia sie˛ mikrospe˛kan´. Skały, jako os´rodek rzeczywisty, zawieraja˛ defekty, w kto´rych dochodzi do koncentracji napre˛z˙en´. Moga˛ to byc´ spe˛kania, szczeliny, pory, ale takz˙e styki mie˛dzyziarnowe czy dyslokacje krystalograficzne. W miejscach tych moz˙e rozpo- czynac´ sie˛ proces zniszczenia. Według kryterium Griffitha szczelina zacznie sie˛ rozprzestrzeniac´, jes´li pre˛dkos´c´ wyzwalania energii spre˛z˙ystej przekracza wartos´c´ przyrostu energii powierzchniowej. Przy odpowiednim zorientowaniu szczeliny na jej kon´cach koncentruja˛ sie˛ napre˛z˙enia rozcia˛gaja˛ce o znacznych wartos´ciach. Jes´li ich wartos´c´ przekroczy wytrzymałos´c´ materiału na rozcia˛ganie, rozpoczyna sie˛ pe˛kanie prostopadle do kierunku działania napre˛z˙enia rozcia˛gaja˛cego. W latach 50. XX w. zmodyfikowano kryterium Griffitha przez uwzgle˛dnie- nie strefy odkształcen´ plastycznych woko´ł szczeliny dla pe˛kania quasi-kruchego. Z upływem lat podejs´cie dedukcyjne, polegaja˛ce na przechodzeniu od zjawisk ogo´lnych, teoretycznych, do szczego´łowych dos´wiadczen´ zostało zasta˛pione podejs´ciem odwrotnym, indukcyjnym, od zjawisk szczego´łowych – dos´wiadczen´ do ogo´lnych – teoretycznych. Wzrosło znaczenie badan´ dos´wiadczalnych wyko- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.1. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY O BADANIACH... 15 nywanych w laboratorium, dzie˛ki kto´rym najpierw poznaje sie˛ przyczyne˛ pro- cesu, a dopiero po´z´niej jego skutek. Pierwsze, eksperymentalne badania, w kto´rych stopniowe zniszczenie struk- tury materiału skalnego obserwowano na podstawie analizy mikroskopowej pro´bek skalnych, wykonanej dla ro´z˙nych punkto´w charakterystyki napre˛z˙enie– odkształcenie, przedstawili Brace i in. (1966), Bieniawski (1967a, b), Hallbauer i in. (1973) oraz Tapponier i Brace (1976). Wyro´z˙nili oni w procesie deformacji skał na krzywej napre˛z˙enie–odkształcenie pie˛c´ faz, kto´re odpowiadaja˛ kolejnym etapom procesu pe˛kania (rys. 2.1): Rys. 2.1. Wyidealizowane charakterystyki odkształcenia sie˛ skał przy s´ciskaniu (na podstawie: Kwas´niewski, 1986a, 1992) . faza I – nieliniowego odkształcania skały, w kto´rej naste˛puje zamykanie sie˛ pierwotnych szczelin i mikrodefekto´w; odkształcenie skały jest tylko cze˛s´ciowo odwracalne; . faza II – pełnego liniowego odkształcania sie˛ skały; . faza III – liniowos´ci charakterystyki odkształcenia osiowego i nieliniowos´ci odkształcen´ obwodowych i obje˛tos´ciowych, s´wiadcza˛ca o inicjacji mikrope˛- kania; w fazie tej rozpoczyna sie˛ stabilna propagacja szczelin i pojawia sie˛ efekt dylatancji; ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 16 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY . faza IV – nieliniowos´ci wszystkich charakterystyk odkształcenia, s´wiadcza˛ca o zaawansowanym procesie stabilnej propagacji mikroszczelin; . faza V – nieliniowos´ci wszystkich charakterystyk napre˛z˙enie–odkształcenie i znacznego wzrostu obje˛tos´ci pro´bki; naste˛puje niestabilna propagacja spe˛- kan´, co prowadzi do zniszczenia struktury skały, a napre˛z˙enie osia˛ga wartos´ci maksymalne. Poszczego´lne fazy odkształcen´ wyznaczaja˛ graniczne, progowe wielkos´ci napre˛z˙en´: . sI/II – granica kompakcji; . sII/III – granica dylatancji wzgle˛dnej (mikrodylatancji), pocza˛tek rozwoju inicjalnego pe˛kania (pe˛kanie stabilne); . sIII/IV – granica liniowos´ci odkształcen´ osiowych (pe˛kanie stabilne); . sIV/V – granica dylatancji włas´ciwej (makrodylatancja – pe˛kanie niestabilne); . scr – osia˛gnie˛cie maksymalnej wartos´ci napre˛z˙enia, po kto´rym naste˛puja˛fazy pe˛kania pozniszczeniowego. Wyznaczone na podstawie dylatancyjnego modelu deformacji wartos´ci na- pre˛z˙enia dla progo´w dylatancji wzgle˛dnej i włas´ciwej sa˛ swoistymi cechami ma- teriałowymi. Z badan´ (Brace i in., 1966; Scholz, 1968; Borecki i in., 1981, Kwas´niewski 1986a, b) wynika, z˙e wartos´ci progu dylatancji wzgle˛dnej mieszcza˛ sie˛ w przedziale 0,3–0,6 napre˛z˙enia krytycznego, a wartos´c´ progu dylatancji włas´ciwej w przedziale 0,6–0,98 napre˛z˙enia krytycznego. Przedstawione fazy deformacji nawia˛zuja˛ takz˙e do wydzielen´ podanych przez Martina i Simmonsa (1992) na rysunku 2.2. Wawersik i Fairhurst (1970) na wznosza˛cej krzywej napre˛z˙enie–odkształce- nie wydzielili trzy fazy: zaciskania poro´w i szczelin, spre˛z˙ysta˛ oraz zmniejszania ka˛ta nachylenia siecznej do charakterystyki napre˛z˙enie–odkształcenie. Trzy fazy deformacji: „dociskania” (zamykania poro´w i szczelin), odkształcen´ liniowych i pe˛kania wyro´z˙nił ro´wniez˙ Kertesz (1979), a z kolei pie˛c´ faz deformacji, obej- muja˛cych takz˙e etap pozniszczeniowy: zaciskania, odkształcen´ spre˛z˙ystych, spre˛z˙ystych i lepko-spre˛z˙ystych, niszczenia oraz przemieszczen´ po zniszczeniu wydzielił Pacher (1970). Istotne znaczenie s´ciez˙ek obcia˛z˙ania (przebiegu obcia˛z˙enia w funkcji czasu) dla analizy procesu pe˛kania z jednoczesnym uwzgle˛dnieniem kolejnych faz de- formacji podkres´la wielu badaczy, np. Dietze (1958), Gustkiewicz (1975) oraz Thiel (1980). Poprawne ustalenie granic faz deformacji jest bardzo istotne dla włas´ciwego wyznaczania parametro´w spre˛z˙ystos´ci. W praktyce geomechanicznej podstawo- wymi parametrami spre˛z˙ystos´ci sa˛ moduł Younga (E) i wspo´łczynnik Poissona (). Ze wzgle˛du na histereze˛ spre˛z˙ysta˛, jaka˛ wykazuja˛ skały zwie˛złe, Kidybin´ski (1982) rozro´z˙nia moduł spre˛z˙ystos´ci dla przedziału odkształcen´ odwracalnych oraz moduł odkształcenia dla całkowitych odkształcen´ pro´bki przy danym na- pre˛z˙eniu (rys. 2.3). Wartos´ci obu moduło´w moga˛ byc´ ro´wniez˙ wyznaczane jako sieczne lub styczne do odpowiedniego odcinka krzywej napre˛z˙enie–odkształce- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.1. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY O BADANIACH... 17 Rys. 2.2. Krzywa deformacji napre˛z˙enie–odkształcenie (na podstawie: Martin i Simmons, 1992) Rys. 2.3. Schemat okres´lania modułu spre˛z˙ystos´ci (Es) i modułu odkształcenia (Eo) ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 18 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY nie dla całej wysokos´ci pro´bki skalnej lub w połowie jej wysokos´ci (Bukowska i in., 1992). Podobne wielowariantowe podejs´cie zaprezentowane jest w normie ASTM (D 3148-02) i instrukcji ISRM (Ulusay, Hudson, 2007) i zgodnie z ich tres´cia˛ moduł Younga moz˙e byc´ wyznaczony jako (rys. 2.4): Rys. 2.4. Sposo´b wyznaczania modułu Younga zgodnie z norma˛ ASTM (D 3148-02) i zalece- niami ISRM (na podstawie: Ulusay, Hudson, 2007): a) moduł s´redni, b) moduł styczny, c) moduł sieczny . moduł s´redni dla w przybliz˙eniu prostoliniowego fragmentu krzywej napre˛z˙e- nie–odkształcenie, zwykle mie˛dzy 20 a 80 napre˛z˙enia niszcza˛cego; . moduł styczny dla stałego procentowego poziomu napre˛z˙enia, zwykle ok. 50 napre˛z˙enia niszcza˛cego; . moduł sieczny okres´lany zwykle od zera do pewnego stałego poziomu, naj- cze˛s´ciej do 50 napre˛z˙enia niszcza˛cego. Zupełnie inne podejs´cie zaprezentowano w Polskiej Normie PN-EN 14580, gdzie zaleca sie˛ poddawanie pro´bek walcowych cyklom obcia˛z˙enia i odcia˛z˙enia w przedziale 2–20 przewidywanego smax. Moduł Younga (według normy statyczny moduł spre˛z˙ystos´ci) wyznacza sie˛ dla napre˛z˙en´ i odpowiadaja˛cych im odkształcen´ przed trzecim (punkt A) i po trzecim (punkt B) cyklu obcia˛- z˙enia (rys. 2.5). Poro´wnuja˛c wartos´ci modułu spre˛z˙ystos´ci i modułu odkształcenia, prezento- wane w literaturze s´wiatowej, nalez˙y zwracac´ uwage˛ zaro´wno na metode˛, jak i na zakres s i e, dla kto´rego dany moduł został wyznaczony. Na rysunku 2.6 przed- stawiono poro´wnanie wartos´ci moduło´w Younga na podstawie własnych badan´ dolomitu z Siewierzy, uzyskanych zgodnie z normami PN-EN i ASTM oraz według klasycznej interpretacji Hallbauera i in. (1973) dla II i III fazy deformacji. Najwie˛ksze wartos´ci uzyskano dla modułu s´redniego (Eav) i stycznego (Et), a najmniejsze dla modułu siecznego (Es50) i modułu E(n), przy czym moduły Eav i E moga˛ byc´ zawyz˙one i niemiarodajne, poniewaz˙ wykraczaja˛ poza II i III ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.1. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY O BADANIACH... 19 Rys. 2.5. Schemat wyznaczania modułu Younga E(n) według polskiej normy PN-EN 14580 Rys. 2.6. Poro´wnanie wartos´ci moduło´w Younga uzyskanych zgodnie z normami PN-EN i ASTM oraz według klasycznej interpretacji Hallbauera i in. (1973) faze˛ deformacji. Wartos´ci modułu siecznego ES50 ustalonego w przedziale od 0 do 50 smax moga˛ byc´ z kolei zaniz˙one, ze wzgle˛du na bardzo duz˙e od- kształcenia I fazy kompakcji (fazy I). Wartos´ci modułu Younga uzyskane z zastosowaniem metody klasycznej (E) wg Hallbauera i in. (1973) oraz metody siecznej w przedziale 0–100 smax (Es100) maja˛ najbardziej zbliz˙one wartos´ci. Ten najprostszy, przybliz˙ony mo- duł Es100 daje dobre, wiarygodne wyniki. Trwałe zniszczenie struktury materiału skalnego pod wpływem wzrastaja˛- cego obcia˛z˙enia zachodzi stopniowo. Rozwo´j konstrukcji pras sztywnych po- zwolił na kontrolowanie przebiegu tego procesu przy ro´z˙nych s´ciez˙kach obcia˛z˙ania, nie tylko na jego etapie przedkrytycznym, czyli do momentu osia˛g- nie˛cia przez skałe˛ wytrzymałos´ci doraz´nej, ale ro´wniez˙ po jej przekroczeniu (Cook, 1965; Bieniawski, 1970; Wawersik, Fairhurst, 1970; Rummel, Fair- hurst, 1970; Hudson i in., 1972; Okubo, Nishimatsu, 1985; Pinin´ska, Łuka- szewski, 1991; Smołka, 1994; Łukaszewski, 2005c; Pinin´ska, 1997; Kortas, ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 20 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY Nowakowski, 2002; Klisowski i in., 2002; Tajdus´ i in., 2003a; Bukowska, 2003; Bukowska i in., 2007). Moz˙liwy jest tez˙ monitoring przejawo´w koncentracji i relaksacji napre˛z˙en´ w etapie pokrytycznym, gdy materiał skalny poddawany jest wzrastaja˛cemu obcia˛z˙eniu i jako os´rodek spe˛kany dalej przenosi obcia˛z˙enia. Według Salamona (1970) wykazanie istnienia opadaja˛cej cze˛s´ci charakterystyki napre˛z˙eniowo-odkształceniowej jest najwie˛kszym poste˛pem w mechanice skał w latach 70. XX w. Zaleta˛sztywnych maszyn wytrzymałos´ciowych jest nie tylko moz˙liwos´c´ otrzymania pełnej charakterystyki napre˛z˙eniowo-odkształceniowej, ale takz˙e prowadzenie badan´ ze stała˛pre˛dkos´cia˛odkształcenia pro´bki. Maszyny wytrzymałos´ciowe, wyposaz˙one w system serwosteruja˛cy, daja˛moz˙liwos´c´ zapro- gramowania dowolnego schematu obcia˛z˙ania pro´bki. Jako parametr steruja˛cy obcia˛z˙eniem moz˙na stosowac´ wartos´c´ przyrostu siły obcia˛z˙aja˛cej (rys. 2.7a), przesuwu tłoka maszyny (rys. 2.7b), odkształcenia osiowego (rys. 2.7c) oraz odkształcenia obwodowego (rys. 2.7d). Kaz˙dy z tych warianto´w w odmienny sposo´b modeluje proces deformacji pro´bek skalnych (Łukaszewski i in., 1993; Pinin´ska i in., 1993a, b; Cain, 1996; Nowakowski, 1997; Flisiak i in., 2002; Kortas, Nowakowski, 2002; Klisowski i in., 2002; Bukowska, 1997, 2003). Jes´li parametrem steruja˛cym jest siła, otrzymuje sie˛ tylko charakterystyke˛ przed- krytyczna˛ krzywej deformacji. W badaniach, w kto´rych przyrost obcia˛z˙enia wymuszony jest stałym wzrostem odkształcenia osiowego lub przesuwem tłoka, dla skał o stabilnym zachowaniu wzgle˛dem maszyny wytrzymałos´ciowej (Kłeczek, 1994), otrzymuje sie˛ ro´wniez˙ pokrytyczna˛ charakterystyke˛ krzywej deformacji, klasy I według klasyfikacji Wawersika i Fairhursta (1970). Dla skał o niestabilnej wspo´łpracy z maszyna˛wytrzymałos´ciowa˛(Kłeczek, 1994), klasy II według klasyfikacji Wawersika i Fairhursta (1970), zaleca sie˛ stosowanie obcia˛- z˙enia sterowanego stała˛ pre˛dkos´cia˛ odkształcenia obwodowego. Poste˛p obcia˛z˙e- nia nalez˙y w tym przypadku dostosowac´ do poste˛pu deformacji tak, aby nawia˛zywał do czasu reakcji energii spre˛z˙ystej w pro´bce. W takim badaniu w wyniku powtarzaja˛cych sie˛ cykli rozproszenia i wzrostu energii rejestruja˛ sie˛ na krzywej napre˛z˙enie–odkształcenie kolejne pe˛tle deformacji. Znaczenie sposobu sterowania maszyna˛ wytrzymałos´ciowa˛ na przebieg deformacji było ro´wniez˙ przedmiotem badan´ Smołki (1994), Tajdusia, Szumin´- skiego i Olesiaka (2003a) Kortasa i Nowakowskiego (2002) oraz Klisowskiego, Flisiak i Szumin´skiego (2002). Pinin´ska (1995a, b), steruja˛c eksperymentem z zadeklarowana˛ wartos´cia˛ przyrostu odkształcenia obwodowego, scharakteryzowała pokrytyczny etap de- formacji w oparciu o cztery modele krzywych (rys. 2.8): . model I – natychmiastowe zniszczenie w jednej fazie deformacji; . model II – niszczenie stopniowe, manifestowane wyste˛powaniem kilku faz gło´wnych (fg) – makrope˛knie˛c´, złoz˙onych z kilku wyraz´nych faz pojedyn- czych (fi) – mikrope˛knie˛c´; . model III – niszczenie stopniowe, złoz˙one z wielu faz pojedynczego pe˛kania (fi) bez wyraz´nie wykształconej fazy gło´wnej (fg); ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.1. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY O BADANIACH... 21 . model IV – niszczenie stabilne, typowe dla zachowania skał klasy I według klasyfikacji Wawersika i Fairhursta (1970). W modelu II fazy makrope˛kania (fg) i mikrope˛kania (fi) pojawiaja˛ sie˛ cyk- licznie w sposo´b regularny i s´wiadcza˛ o s´ro´dziarnowym pe˛kaniu rozdzielczym ziaren mocniejszych. W modelu III mikrope˛kanie (fi) przebiega nieregularnie i s´wiadczy o mie˛dzyziarnowym pe˛kaniu poła˛czonym ze s´cinaniem, natomiast w modelu IV fazy pe˛kania sa˛słabo zaznaczone, a odkształcenie osiowe wzrasta monotonicznie. Rys. 2.7. Przykłady typowych charakterystyk deformacji (obcia˛z˙enie–przemieszczenie): a) ba- danie sterowane stała˛ pre˛dkos´cia˛ siły obcia˛z˙aja˛cej, b) badanie sterowane stała˛ pre˛dkos´cia˛ przesuwu tłoka, c) badanie sterowane stała˛ pre˛dkos´cia˛ odkształcenia osiowego, d) badanie sterowane stała˛ pre˛dkos´cia˛ odkształcenia obwodowego ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 22 2. HISTORIA BADAN´ ORAZ AKTUALNY STAN WIEDZY Rys. 2.8. Modele deformacji pokrytycznej wg Pinin´skiej przy jednoosiowym s´ciskaniu w wa- runkach stałego przyrostu odkształcenia obwodowego (Pinin´ska, 1995a, b) Bukowska (1997, 2005a) na podstawie eksperymento´w prowadzonych z za- deklarowana˛ wartos´cia˛ przyrostu przesuwu tłoka wyro´z˙niła z kolei 6 typo´w krzywych niszczenia pro´bek skalnych (rys. 2.9). Ro´z˙nia˛ sie˛ one długos´cia˛ fazy zamykania sie˛ mikroszczelinek w etapie przedkrytycznym, wyste˛powaniem lo- kalnych spadko´w napre˛z˙en´ w cze˛s´ci przed- i pokrytycznej, „gładkim” lub „schodkowym” przebiegiem krzywej pokrytycznej oraz moz˙liwos´cia˛ aproksyma- cji cze˛s´ci pokrytycznej zalez˙nos´cia˛ liniowa˛ lub hiperboliczna˛. Zachowanie sie˛ skał w warunkach podwyz˙szonego cis´nienia i temperatury jest jednak inne i bardziej złoz˙one niz˙ w warunkach jednoosiowych. Pierwsze eksperymenty w tro´josiowym stanie napre˛z˙enia przeprowadził von Carman w latach 1911–12 na marmurze z Carrary (Gramberg, 1989). Pod koniec lat 50. i na pocza˛tku 60. ubiegłego wieku nasta˛pił wyraz´ny rozwo´j tego typu badan´. Z tego okresu na uwage˛ zasługuja˛ prace Price’a (1958), Donatha (1961, 1964), ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw==
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Odkształcalność piaskowców fliszowych w złożonym stanie naprężenia
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: