Własności odkształceniowe piaskowców fliszowych w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania

Własności odkształceniowe piaskowców fliszowych w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania Autor: P. Łukaszewski W artykule scharakteryzowano proces deformacji w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania wybranych piaskowców fl iszowych na podstawie charakterystyk naprężenie różnicowe – odkształcenie osiowe, obwodowe i objętościowe. Z całego kompleksu skał fl iszowych wybrano do badań trzy typy fl iszowych skał klastycznych różniące się przede wszystkim uziarnieniem. Typ I stanowiły słabo zdiagenezowane, różnoziarniste skały klastyczne, typ II – grubo- i średnioziarniste skały klastyczne, a typ III – drobnoziarniste skały klastyczne. Do słabo zdiagenezowanych, różnoziarnistych skał klastycznych zaliczono piaskowce istebniańskie z Woli Komborskiej oraz piaskowce ciężkowickie z Ciężkowic. Pod względem petrografi cznym są to arenity, czyli piaskowce, w których udział spoiwa jest poniżej 15%. Do grubo- i średnioziarnistych skał zaliczono piaskowce godulskie z Brennej, piaskowce magurskie z Barcic oraz piaskowce krośnieńskie z Mucharza. Pod względem petrografi cznym są to waki, czyli skały, które mają od 20 do 35% spoiwa. Do III typu, czyli do drobnoziarnistych skał klastycznych, zaliczono piaskowce cergowskie z Klęczan, piaskowce istebniańskie z Rabego oraz z warstw lgockich piaskowce przechodzące w mułowiec z Targanicy. Badania wytrzymałościowe w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania przeprowadzono w laboratorium Zakładu Geomechaniki Uniwersytetu Warszawskiego za pomocą sztywnej prasy MTS 815 wyposażonej w komorę trójosiową typu MTS 656.05. Były to badania przy ciśnieniach okólnych równych 30, 60 i 90 MPa. Ciśnienia te zadawano ze stałą prędkością równą 3.3 MPa/s. Po zadaniu określonego ciśnienia okólnego próbki skalne obciążano ze stałą prędkością przesuwu tłoka równą 0,05 mm/min. Na podstawie zależności między naprężeniem różnicowym a odkształceniem osiowym, obwodowym i objętościowym dla każdej badanej próbki wyznaczono parametry przedstawione na rysunku 2. Chcąc w pełni przeanalizować wpływ ciśnienia okólnego na przebieg procesu deformacji wyniki badań w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania uzupełniono o wyniki testów jednoosiowego ściskania. Wyniki testów wytrzymałościowych dla przedstawicieli trzech wydzielonych typów skał klastycznych, czyli dla próbek piaskowców z Ciężkowic, z Mucharza oraz z Klęczan przedstawiono na krzywych naprężenie różnicowe – odkształcenie dla kolejnych wartości ciśnienia okólnego (rys. 3-5). Badane fl iszowe skały klastyczne wykazują wyraźny wzrost granicznego największego naprężenia głównego wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego (rys. 6). Wzrost ten jest obserwowany zarówno dla trzech wydzielonych typów skał klastycznych, jak i dla wszystkich ośmiu analizowanych odsłonięć. Największą wytrzymałością charakteryzują się drobnoziarniste skały klastyczne (typ III), a najmniejszą słabo zdiagenezowane, różnoziarniste skały klastyczne (typ I). Bardzo ciekawą zależność uzyskano, gdy analizie poddano te same wartości granicznego największego naprężenia głównego i ciśnienia okólnego, ale znormalizowane względem wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie (rys. 7). Największe znormalizowane względem σC wartości σ1 na granicy wytrzymałości uzyskano dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, a najmniejsze dla drobnoziarnistych skał klastycznych. Wyniki badań trójosiowych (rys. 7) aproksymowano warunkiem wytrzymałościowym Hoeka i Browna. Wartości występującej w tym warunku stałej empirycznej m wynoszą 12,8 dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, 12,0 dla grubo- i średnioziarnistych skał klastycznych i 13,3 dla drobnoziarnistych skał klastycznych. Dla badanych skał zaobserwowano również wzrost krytycznego odkształcenia osiowego wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego (rys. 8). Wzrost ten zaobserwowano zarówno dla analizowanych trzech typów skał klastycznych, jak i dla ośmiu pojedynczych odsłonięć. Największe wartości krytycznego 373 odkształcenia osiowego charakterystyczne są dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, a najmniejsze – dla drobnoziarnistych skał klastycznych, tych charakteryzujących się największą wytrzymałością. Podobne zależności uzyskano dla krytycznych odkształceń obwodowych. W warunkach jednoosiowego ściskania (p = 0 MPa) największe wartości znormalizowanego naprężenia różnicowego na granicy liniowości odkształceń osiowych (σ1 – σ3)E/(σ1 – σ3)max uzyskano dla drobnoziarnistych skał klastycznych, a najmniejsze dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych (rys. 10). Po zadaniu ciśnienia do 30 MPa zaobserwowano wyraźny spadek tego parametru dla typu II i III oraz wyraźny wzrost dla typu I. Natomiast wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego z 30 do 90 MPa zaobserwowano już spadek tego parametru dla wszystkich trzech analizowanych typów skał klastycznych. W warunkach jednoosiowego ściskania (p = 0 MPa) największe wartości znormalizowanego naprężenia różnicowego na progu dylatancji właściwej (σ1 – σ3)D/(σ1 – σ3)max uzyskano również dla drobnoziarnistych skał klastycznych, a najmniejsze dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych (rys. 11). Wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego dla drobnoziarnistych skał klastycznych zaobserwowano wyraźny spadek tego parametru, podczas gdy dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych zaobserwowano wyraźny wzrost tego parametru. Dla grubo- i średnioziarnistych skał klastycznych parametr ten wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego nie zmienia się. Analiza porównawcza odkształceń osiowych i objętościowych w procesie deformacji skał w warunkach jednoosiowych i w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania (rys. 12) wskazuje, że w zaawansowanym stanie deformacji, szczególnie po przekroczeniu krytycznych wartości naprężeń, proces deformacji przebiega odmiennie. W warunkach jednoosiowych znacznym odkształceniom obwodowym towarzyszy stabilizacja odkształceń osiowych, krzywa zależności pomiędzy odkształceniami objętościowymi i odkształceniami osiowymi opada prawie pionowo tworząc z osią odkształceń osiowych kąt zbliżony do 90o. W warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania dla p = 90 MPa znacznym odkształceniom obwodowym towarzyszą natomiast tylko nieznacznie mniejsze odkształcenia osiowe, a opadająca krzywa εV = f(εa) nachylona jest pod kątem wynoszącym od 63° dla skał typu III, przez 59° dla skał typu II, po 50° dla skał typu I. Należy jednak zwrócić uwagę, że – w odróżnieniu od testów trójosiowych – sygnałem sterującym pracą maszyny wytrzymałościowej podczas testów jednoosiowych nie było przemieszczenie tłoka lecz odkształcenie obwodowe próbki skalnej; próby na jednoosiowe ściskanie prowadzone były ze stałą prędkością tego odkształcenia, równą 6·10–5 s–1. Przedstawione wyniki badań wytrzymałościowych klastycznych skał fl iszowych, pomimo monotonnego składu petrografi cznego analizowanych skał, wykazują stosunkowo duże zróżnicowanie procesu deformacji dla wydzielonych trzech typów skał. Słabo zdiagenezowane, różnoziarniste, porowate skały klastyczne charakteryzujące się niską wytrzymałością cechują się dużą odkształcalnością, a drobnoziarniste masywne skały klastyczne o wysokiej wytrzymałości cechuje z kolei mała odkształcalność. Analizując razem wytrzymałość i odkształcalność analizowanych skał na podstawie zależności między krytycznym naprężeniem różnicowym a krytycznymi odkształceniami osiowymi i objętościowymi (rys. 13) wyraźnie widać wpływ stopnia diagenezy i uziarnienia na uzyskane wyniki. Dla trzech analizowanych typów skał uzyskano wyraźne współkształtne zależności o charakterze logarytmicznym. Analizując wyniki dla danego pojedynczego ciśnienia okólnego wyraźnie również widać, że dla skał typu I duże odkształcenia odpowiadają małym wytrzymałościom, podczas gdy dla skał typu III mniejszym odkształceniom odpowiadają z kolei większe wytrzymałości.

 

« poprzedni artykuł		następny artykuł »