Abstract

The aim of the research presented is to study the effect of complex loading schemes on the fracturing process during loading and/or unloading. A first set of experiments was done using a poly-axial cell. These experiments in combination with numerical simulations showed a difference in micro-fracturing (shear and tensile cracks), but not in macro-failure between various loading/ unloading schemes. The second set of experiments was based on the three-point bending test and several cycles with or without rotation between cycles were applied. If the specimen was rotated by 90° or 180° about its long axis between the first and second cycle, no Kaiser effect was observed.

RESUME

Le but de la recherche presentee est d'etudier l'effet de schemas de charge complexe sur le processus de fracturation durant la phase de charge et de decharge. Une première serie d'experiences etait realisee utilisant une cellule polyaxiale. Ces experiences combinees avec des simulations numeriques ont montre une difference de micro-fracturation (fissures de cisaillements et de traction) pour les differents schemas de charge et decharge, mais en ce qui concerne la macro-fracturation ce n'est pas le cas. La deuxième serie d'experiences etait basee sur des essais de flexion trois points avec plusieurs cycles, avec ou sans rotation entre les cycles. Si l'echantillon est tourne de 90° ou 180° selon le grand axe entre le premier et le second cycle, l'effet Kaiser n'est pas observe.

ZUSAMMENFASSUNG

Der Zweck der vorliegenden Forschung bestand darin, den Einfluß von komplizierten Beanspruchungsschemen auf den Bruchprozess im Laufe von Belastung und/oder Entlastung von Gesteinen zu untersuchen. Der erste hier beschriebene Satz von Experimenten wurde mit einer dreiaxialen Belastungsmaschine angestellt. Diese Experimenten zusammen mit dazugehörigen numerischen Simulationen zeigten Unterschiede zwischen Be- und Entlastungsbeanspruchungen in Bezug auf mikrobruchmechanische Mechanismen (d.h. Scheroder Zugrisse) an, aber nicht in Bezug auf den Makrobruchprozess. Der zweite Satz von Experimenten umfasste Gesteinsbeanspruchung in mehreren Zyklen von Drei-Punkt-Biegung, indem die Gesteinsproben zwischen den Zyklen um einen angegebenen Winkel (0°, 90° oder 180°) gedreht wurden. Falls die Probe um 90° oder 180° gedreht wurde, wurde kein Kaiser-Effekt im zweiten Zyklus beobachtet.

Introduction

Prior to an excavation, the in situ rock is in equilibrium under a true tri-axial stress state, which is in most cases anisotropic. The orientation of one of the principal stress components corresponds mostly with the vertical direction, but the vertical stress is not necessary the major principal stress. As an approaching excavation begins to influence the considered volume of rock, the stress state changes and this for all types of excavations, e.g. a tunnel, a large cavern or a borehole (with or without mud drilling). This change can be complex. First, there is a continuous rotation of the principal stresses while excavating. For example for a conventional tunnel, the final principal stress orientations at the tunnel wall evolve to the axial, radial and tangential directions. However, around the face itself there is a rather curved orientation of the major principal stress1. Second, the absolute values change. This can be either an increase or a decrease.

The main task of a rock mechanical engineer is to estimate beforehand the behaviour of the rock mass around an excavation. For this task, the rock behaviour characteristics have to be quantified.

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