A new loading apparatus was fabricated and used to conduct true-triaxial compression tests on KTB amphibolite, a crystalline basement rock. Tests in dry jacketed samples reveal that the intermediate principal stress has a significant effect on the onset of dilatancy and on rock strength, contrary to the implicit assumption made by Mohr-type failure criteria. Failure is induced through a shear fracture that dips steeply in the direction of the least principal stress. Experimental results lead to a new generalized strength criterion in terms of all three principal stresses. Unjacketed KTB amphibolite specimens, exposed to confining fluid, are considerably weaker than the jacketed ones, despite the negligible porosity and permeability. Failure is facilitated by several closely spaced subparallel tensile cracks normal to the least stress direction. SEM analysis suggests that microcracks developed upon dilatancy onset are penetrated and extended by the confining fluid, bringing about the unexpected rock failure mechanism at reduced stress levels.

Un nouveau dispositif à chargement fut fabrique et utilise afin de realiser un vrai essai de compression tri-axial sur KTB amphibolite, une roche cristalline du sous-sol. Les essais effectues sur echantillons enveloppes et secs revèlent que les contraintes principales intermediaires affectent considerablement le debut de la dilatance et la resistance de la roche, contrairement à la supposition fondee sur le critère de rupture de Mohr. La rupture est produite grace à une cassure de cisaillement très incliner en direction où la contrainte principale est moindre. Ces resultats experimentaux indiquent un nouveau critère de rupture general en fonction des trois contraintes principales. Les echantillons de KTB amphibolites sans enveloppe, exposes à un liquide confine, sont considerablement plus faibles que ceux enveloppes, malgre la porosite et la permeabilite negligeable. La rupture est facilitee par plusieurs fissures de traction adjacentes et sub-parallèles, normales à la plus petite contrainte principale. L'analyse SEM suggère que les micro-fissures developpent suivant le debut de la dilatance, elles sont penetrees et agrandies par le liquide confine, produisant un mecanisme de rupture de roche inattendu, ceci à un niveau de contrainte reduit.

Ein neuer Ladungsapparat wurde hergestellt um real - triaxiale Druckfestigkeitsversuche in KTB Amphibolit, einem kristallinen Grundgebirgsgestein, durchzufuehren. Messungen in trockenen, bedeckten Proben zeigen that die mittlere Hauptspannung eine bedeutende Wirkung auf das Einsetzen von Dilatanz und auf die Starke des Gesteins hat, im Gegensatz zu der impliciten Annahme auf Grund von Mohr-ahnlichen Versagungskriterien. Versagen ist induziert durch eine Scherfraktur die sich steil in die Richtung der geringsten Haupspannung nach unten senkt. Messergebnisse fuehren zu einem neuen, verallgemeinerten Starke Kriterium dass auf alle drei Hauptspannungen basiert ist. Unbedeckte KTB Amphibolit Proben, die unmittelbar den umgebenden Fluiden ausgesetzt sind, sind wesentlich schwacher als bedeckte, trotz geringfuegiger Permeabilitat und Porositat. Versagen wird gefördert durch mehrere, nebeneinander liegende, sub-parallele Spannungsbrueche, normal zu der geringsten Spannungsrichtung. SEM Analyse lasst vermuten dass Mikrobrueche, die sich beim Überschreiten der Dilatanzschwelle entwickeln, durch die umgebenden Fluiden fortgepflanzt und weiter verbreitet werden, und unerwartet, auf Grund der reduzierten Spannungswerte, den Versagungsmechanismus des Gesteins einleiten

Introduction

It has long been recognized that the intermediate principal stress σ2 is an important contributor to rock strength (Murrell, 1963; Handin et al, 1967; Wiebols and Cook, 1968). However, this information has largely gone unnoticed by rock mechanics practitioners in considering the strength of crustal rocks. This is in part due to the difficulties of multi-axial rock testing, and because of the simplicity of the Mohr-based criteria. Criteria presently used in applications such as design of rock structures or geophysics research are based on the Mohr hypothesis that compressive failure is unaffected by the intermediate principal stress σ2. Some examples of these strength criteria are: Mohr-Coulomb (Jaeger & Cook, 1979), Griffith (1924), and Hoek and Brown (1997), which describe rock strength σ1,peak as a function of only one variable, the minimum principal stress σ3. The common way of obtaining such criteria is to conduct a series of conventional triaxial tests in a pressure vessel where cylindrical specimens are subjected to constant confining pressure (σ23) and increasing axial stress (σ1) until a peak σ1value is reached at which failure occurs. Yet, it is well documented that the state of stress in the earth crust is practically always anisotropic.

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