Influence of anisotropy on rock physical and mechanical properties.

Abstract

Vliv anizotropie na fyzikální a mechanické vlastnosti hornin. Disertační práce je zaměřena především na studium anizotropie základních mechanických a fyzikálních vybraných hornin. Studie byla provedena v laboratorních podmínkách s cílem testovat variabilitu vlastností hornin a jejich vzájemné vztahy. Pro pochopení vlivu anizotropního charakteru hornin na jejich fyzikální a mechanické vlastnosti byly realizována série následujících měření a analýz: měření velikosti horninových zrn, rychlosti šíření ultrazvukových vln, měření permeability pro kapaliny, zkoušky pevnosti v prostém tlaku, brazilská zkouška, zkoušky lomové houževnatosti a triaxiální pevnosti. Testovány byly 4 typy anizotropních hornin. Pro dosažení výše uvedeného cíle byly odebrány vzorky sedimentárních, metamorfovaných a magmatických hornin z lokalit na různých kontinentech (Česká republika, Japonsko, Jižní Korea, Jižní Afrika. Na každém z vybraných vzorků byly definovány základní osy anizotropie, označení jako Axis-1, Axis-2 and Axis-3. Roviny kolmé ke každé z os byly definovány jako Plane-1, Plane-2 and Plane-3. Pro účely této práce byla obdobně definována i použitá válcová tělesa, získaná orientovaným jádrovým vrtáním horninových bloků. Tělesa vrtaná kolmo na vrstevnatost nebo foliaci byla označena jako Type-1 and tělesa vrtaná paralelně, jako Type-3. Anizotropie stavby hornin, daná orientací zrn a mikrotrhlin, byla úspěšně vyhodnocena na mikroskopických výbrusech odebraných z horninových bloků ve třech navzájem kolmých rovinách. K tomu byl použit optický polarizační mikroskop. Anizotropie hornin byla vyšetřována také metodou měření rychlosti šíření ultrazvukových vln materiálem, kde byly určeny rozdíly v rychlosti ultrazvuku ve třech definovaných směrech. Výsledky z ultrazvukových testů jsou v dobré korelaci s měřením orientace zrn a mikrotrhlin. ...

The main focus of this thesis is to study some basic rock mechanical and physical anisotropic properties of selected rocks. The study is mainly conducted in laboratory conditions to examine property variation in rocks and their inter-relationships. In order to present a clear contribution in understanding the influence of anisotropic characteristics of rocks on physical and mechanical properties, a series of average grain diameter examination, ultrasonic wave velocity test, fluid permeability test, uniaxial compressive strength test, Brazilian test, fracture toughness and triaxial compression test were conducted on four rock types known to be anisotropic. In order to achieve the mentioned experimental goals, sedimentary, metamorphic and igneous rock samples were randomly collected from different continent around the globe (Czech Republic, Japan, South Korea and South Africa). In each selected sample, a definition scheme was introduced based on directionality as Axis-1, Axis-2 and Axis-3 and planes perpendicular to each axis were defined as Plane-1, Plane-2 and Plane-3. In this thesis, classification scheme for cored samples obtained from directional coring was also introduced; samples from perpendicular direction are called Type-1 and those from Parallel direction are called Type-3. The anisotropic grain size distribution and micro-cracks orientation are successful describe by estimaing the average grain diameter distribution with microcracks orientation and propagation by observation made on thin sections in three perpendicular planes. This was performed for separate rock block using a polarization microscope. The rock blocks were also found to possess stronger degree of anisotropy of elastic wave velocity when compared between tested samples. With strong anisotropic wave velocity, I was able to determine the direction of higher and lesser propagation of wave. The results obtained from ultrasonic wave velocity test are in strong correlation with grain size distribution at measured axis orientation...