ITEM METADATA RECORD
Title: Influence of Planar Heterogeneities on the Fracture Behaviour of Rock (Invloed van vlakke heterogeniteiten op het breukgedrag van gesteente)
Other Titles: Influence of Planar Heterogeneities on the Fracture Behaviour of Rock
Authors: Debecker, Bjorn
Issue Date: 22-Oct-2009
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.
Table of Contents: Acknowledgments i

Abstract (in English) iii

Abstract (in Dutch) v

List of Symbols and Abbreviations vii

Table of Contents xi

1 Introduction 1
1.1 General context 1
1.1.1 Fracturing around planar heterogeneities 1
1.1.2 Research Unit Mining 2
1.2 Aim of the study 3
1.3 Outline of the research 4

2 Literature Survey – State of the Art 7
2.1 Anisotropy and heterogeneity in rock 7
2.1.1 Heterogeneity 8
2.1.2 Anisotropy 9
2.1.3 Areas of relevance 9
2.2 Fracture theory 11
2.2.1 Fracture process in brittle rock 12
2.2.1.1 Microcracks: origin 12
2.2.1.2 Griffith’s theory, fracture modes and stress intensity factors 13
2.2.1.3 Coalescence of fractures into fracture patterns 15
2.2.2 Strength and fracture process in transverse isotropic rock 17
2.2.2.1 Strength models 17
2.2.2.2 Experimental observations 20
2.3 Fracture observational techniques 22
2.3.1 Sample surface observation techniques 22
2.3.1.1 Direct visual observation 22
2.3.1.2 Digital image correlation 23
2.3.1.3 Interferometry 24
2.3.2 Inside observation techniques 25
2.3.2.1 Microscopy 25
2.3.2.2 Microfocus computed tomography 26
2.3.2.3 Acoustic emission 27
2.3.2.4 Ultrasonic wave testing 29
2.3.3 Conclusion 30

2.4 Numerical modelling of fracture process in rock 31
2.4.1 Finite element method (FEM) 32
2.4.2 Finite difference method (FDM) 34
2.4.3 Distinct element method (DEM) 35
2.4.4 Displacement discontinuity boundary element method (DD-BEM) 37
2.4.5 Others 38
2.4.5.1 Lattice Model 38
2.4.5.2 Fuzzy sets 39

3 Experimental Work 41
3.1 Preceding study on fracture patterns in siltstone 41
3.1.1 Description of the rock material and experimental set-up 41
3.1.2 Discussion of the anisotropy of the fracture patterns 44
3.1.3 Analysis of the fracture lengths 48
3.1.4 Influence of alternating mineralogical composition 50
3.1.5 Conclusions 51
3.2 Determination of the rock mechanical parameters of slate 52
3.2.1 Description of the rock material 52
3.2.2 UCS tests 53
3.2.3 Shear loading tests 56
3.2.4 Brazilian tensile tests 58
3.3 Fracture process in diametrically loaded slate discs by image analysis 59
3.3.1 Experimental set-up 59
3.3.2 Discussion on strength anisotropy and fracture patterns 60
3.3.3 Conclusions 69
3.4 Fracture process in uniaxial load tests by image analysis and AE analysis 70
3.4.1 Experimental set-up: image analysis and AE 70
3.4.2 Fracture process observation by image analysis 72
3.4.3 Results of the AE localisation 78
3.4.4 Discussion and concluding remarks 80
3.5 Conclusions on the experimental work 82

4 Numerical Simulations 83
4.1 Description of the numerical codes 83
4.1.1 DIGS 83
4.1.2 UDEC 87
4.1.3 Tessellation 91
4.2 Influence of stiffness on fracture initiation 93
4.2.1 Implementation of the model with one central discontinuity 93
4.2.2 Model of discontinuity activation only (Model 1) 95
4.2.2.1 UDEC (stiffness is modelled) 95
4.2.2.2 DIGS (stiffness is not modelled) 97
4.2.3 Model of discontinuity activation and new crack growth (Model 2) 99
4.2.3.1 UDEC (stiffness is modelled) 99
4.2.3.2 DIGS (stiffness is not modelled) 101
4.2.4 Comparison of the results from both codes 103
4.2.5 Conclusions 104
4.3 The fracture process in layered slate during uniaxial compression 105
4.3.1 Description of the model 105
4.3.2 Simulation of a uniaxial load test 107
4.3.2.1 Strength and fracture process 107
4.3.2.2 Deformation of the discrete elements 110
4.3.3 Influence of natural variability on parameters 111
4.3.3.1 Influence of spatial variability 111
4.3.3.2 Influence of strength anisotropy 112
4.3.4 Conclusions 114
4.4 Fracture process in layered rock during diametrical load tests 116
4.4.1 Description of the model 116
4.4.2 Influence of inclination angle on the fracture pattern in slate 119
4.4.3 Investigation of tensile failure in the schistosity direction 126
4.4.4 Influence of strength anisotropy 131
4.4.5 Summary of results 134
4.5 Conclusions on the numerical work 135

5 Conclusions and Recommendations for Future Research 137
5.1 Conclusions 137
5.2 Recommendations for future research 139

Appendix A: Algorithm Construction for AE-localisation in Anisotropic Media 141
A.1 Determination of the direction dependent wave velocities in 3D 141
A.2 A model for position estimation 143
A.3 Validation of the model in 2D 145
A.4 Sensitivity of the localisation to the velocity 148

Appendix B: Mesh Quality 149
B.1 Relevance of variation of element size 149
B.2 Model A (initial algorithm) 150
B.3 Model B and Model C (modified algorithm) 153

References 155

List of Publications 167
ISBN: 978-94-6018-132-0
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Natural Resources Section

Files in This Item:
File Status SizeFormat
PhD Bjorn Debecker.pdf Published 7447KbAdobe PDFView/Open Request a copy

These files are only available to some KU Leuven Association staff members

 




All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.