Author:

Keywords:

rock mechanics, numerical simulations, fracture mechanics

Abstract:

Breukpatronen in gesteente zijn meestal een complexe combinatie van breu ken langs bestaande vlakke heterogeniteiten en breuken in andere richtin gen. Voor gelaagd anisotroop gesteente is het meeste onderzoek in de lit eratuur beperkt tot het bepalen van de anisotrope sterkteparameters op l aboschaal. Deze studie relateert de anisotrope sterkte op microschaal aa n de sterkte op laboschaal. Daarenboven wordt de anistropie van de sterk te ook in verband gebracht met het vervormingsgedrag en met het breukpat roon. Het werk in dit doctoraat is gebaseerd op twee complementaire benadering en. Ten eerste is er het experimentele gedeelte waarbij verschillende be lastingstesten gecombineerd worden met observatietechnieken. In het twee de gedeelte worden numerieke simulaties van deze testen besproken en ger elateerd aan de experimentele resultaten. Zo krijgt men een gedetailleer de kennis van de achterliggende breukmechanismen. Het doel van deze studie is tweeledig. De voornaamste betrachting is een verdere bijdrage te leveren aan de kennis over de fundamentele breukpro cessen in gelaagd gesteente. De verschillende aspecten van het breukgedr ag in gelaagd gesteente worden geïdentificeerd en beschreven. Met deze k ennis kan een schema worden opgesteld dat de verschillende parameters in gelaagd gesteente met elkaar in verband brengt. Het tweede doel van dit doctoraat is om een methodologie te ontwerpen en te valideren voor de simulatie van breukgedrag rond vlakke heterogenite iten. Hiervoor is een numeriek model opgesteld dat breukgroei in willeke urige richtingen alsook langsheen gelaagdheden kan simuleren. De conclusies van dit werk komen uit de twee onderdelen (experimenten en simulaties), en met de gecombineerde kennis kan een algemeen schema wor den opgesteld. Ten eerste, in het experimenteel gedeelte is de analyse van digitale vid eo-opnames van breukpatronen geschikt voor het bepalen van de groeiricht ing van de verschillende breuken. Deze beelden volstaan niet om rechtstr eeks de faalmodes van de verschillende breuken te bepalen. Om dit te doe n, neemt men ook de oriëntatie van de breuken en de oriëntatie van de be lastingsrichting tegenover de gelaagdheid in rekening. Daarnaast kan er een duidelijke correlatie gemaakt worden tussen het ontstaan van afzonde rlijke breukjes en variaties in de externe belasting. Er is ook een algoritme ontwikkeld voor Akoestische Emissie (AE) – lokal isatie in een gelaagd medium, waar de snelheiden transversaal isotroop z ijn. De resultaten van de lokalisatie stemmen overeen met de visuele obs ervaties en leveren ook informatie over de binnenkant van het monster. E r is echter nog ruimte om de kwaliteit van deze lokalisatie te verbetere n. Ten tweede, in het gedeelte van de numerieke simulaties, is het breukged rag met succes gesimuleerd. Een eerste studie van een monster met een en kele vlakke heterogeniteit toont het belang van de stijfheid van de gela agdheid aan. Daarbij wordt ook de invloed hiervan op de spanningsverdeli ng en het breukgedrag duidelijk. De input parameters bij de simulaties van gelaagd gesteente zijn gebasee rd op experimentele resultaten. De resultaten van experimenten en simula ties komen goed overeen. De numerieke simulaties bevestigen ook de faalm odes. Er worden eveneens gedetailleerde illustraties gegenereerd van bre ukpatronen. Deze afbeeldingen tonen duidelijk de verschillende kenmerken van het breukgedrag, die ook in de experimenten worden waargenomen (bij v. verandering van faalmode, vergruizen van het monster,…) Tenslotte, met de gecombineerde kennis van simulaties en experimenten wo rdt er een schema opgesteld dat de belangrijkste eigenschappen in gelaag d gesteente met elkaar in verband brengt. Afhankelijk van de graad van a nisotropie op microschaal, zijn sterkte en breukpatroon bepaald door ene rzijds de belastingsconfiguratie en anderzijds de sterkte op microschaal in de richting van de gelaagdheid en/of in andere richtingen. Verder zi jn er ook nog twee zones waar het dominante breukmechanisme verandert in functie van de belastingsconfiguratie. Het breken van gesteente komt veelvuldig voor rond uitgravingen en rond boorgaten, en creëert daar gevaarlijke situaties. Daarom is de kennis va n breukprocessen in gesteente essentieel voor ingenieurstoepassingen in dit gebied. De resultaten van deze studie kunnen gebruikt worden in toek omstige toepassingen in gelaagd gesteente of rond vlakke heterogeniteite n.