Lomová houževnatost a její zjišťování pro geomechanické hodnocení hornin a horninového masívu

Abstract

Předložená doktorská disertační práce se zabývá problematikou stanovení lomové houževnatosti základních typů hornin s ohledem na jejich mineralogické složení, fyzikální a mechanické vlastnosti a texturní anizotropii. Pozornost je věnována také studiu mechanismu šíření trhliny a popisu základních geometrických charakteristik trhlin v jednotlivých studovaných horninách metodou počítačové RTG tomografie (RTG CT). Lomová houževnatost představuje důležitou charakteristiku, vypovídající o křehkosti horninového materiálu, ale také o odolnosti hornin proti šíření trhlin a může tak významně rozšířit dosavadní poznatky o horninovém prostředí. V podmínkách České republiky ovšem lomově mechanické parametry představují stále dosud poměrně málo studovanou oblast vlastností hornin a horského masívu. Základním impulsem pro zahájení výzkumu byla snaha o zařazení měření lomové houževnatosti hornin mezi standardně prováděné zkoušky v laboratořích Ústavu geoniky AV ČR, v.v. i. v Ostravě. Disertační práce byla vypracována jako součást řešení projektu Institutu čistých technologií těžby a užití energetických surovin, reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0082, který je podporován Operačním programem Výzkum a vývoj pro inovace, financovaným ze strukturálních fondů Evropské unie a ze státního rozpočtu České republiky. Prvotní výsledky měření lomové houževnatosti hornin byly získány rovněž v rámci řešení projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost SPOMECH – Spolehlivé řešení úloh mechaniky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/20.0070 a projektu DECOVALEX 2011 - Development of Coupled Models and their Validation Against Experiments. Disertační práce je rozdělena do čtyř hlavních celků, představujících zároveň základní časové fáze řešení. V první fázi řešení práce se autorka zaměřila na studium teorie lomové mechaniky a vlastních metodik měření lomové houževnatosti a správnou interpretaci výsledných dat. V další fázi byly pro laboratorní testování vybrány vhodné typy vyvřelých, sedimentárních a metamorfovaných hornin se známými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi. Jedním z dílčích úkolů práce totiž bylo zjistit, zda a jakým způsobem tyto parametry ovlivňují lomové chování studovaných hornin. Vzorky vybrané pro experimenty jsou představovány zástupci všech tří základních skupin hornin (magmatogenní, sedimentární a metamorfované), z nichž nejobsáhlejší je skupina sedimentárních hornin, konkrétně pískovců. U všech vybraných hornin se provedl petrografický rozbor a připravila se zkušební tělesa pro měření fyzikálně-mechanických parametrů a pro stanovení lomové houževnatosti. Sledovanými fyzikálními vlastnostmi byly objemová hmotnost, nasákavost a celková a zdánlivá pórovitost. Z mechanických parametrů se sledovala rychlost zatěžování vzorku, pevnost v prostém tlaku a zejména pevnost v příčném tahu. Přípravné práce, měření i analýzy se prováděly v laboratořích Ústavu geoniky AV ČR, v.v.i. v Ostravě. Zvolená metodika měření lomové houževnatosti hornin vychází z příslušného doporučení International Society for Rock Mechanics. Náplní v pořadí třetí fáze disertační práce je porovnání výsledků získaných metodou CB, používanou na řešitelském pracovišti s výsledky měření lomové houževnatosti totožných hornin metodou SCB v partnerských laboratořích X-Earth Center na Kumamoto University v Japonsku. Závěrečnou fází výzkumu bylo studium mechanismu šíření trhlin ve vybraných typech hornin metodou RTG CT. Sledovány byly rovněž geometrické parametry vzniklé trhliny, tj. délka, šířka a úhel odklonu ze zóny iniciační trhliny. Z výsledků získaných během měření vyplývá, že hodnoty lomové houževnatosti vybraných hornin jsou ovlivňovány sledovanými fyzikálně-mechanickými parametry, především celkovou pórovitostí a rychlostí zatěžování vzorku. Následná analýza šíření trhlin pomocí RTG CT vyústila v návrh jednotné metodiky popisu trhliny, což představuje jeden ze zásadních výstupů disertační práce. Výsledky studia mohou být použity např. pro modelování fragmentace hornin v procesu jejich rozpojování.

The presented doctoral thesis focuses on the determination of the fracture toughness of rocks in relation to their mineralogical composition, physical and mechanical properties, and texture anisotropy. In addition, the study of crack propagation mechanism and subsequent description of basic geometric characteristics of cracks in selected studied rocks using the X-Ray computed tomography (X-Ray CT) was realised. The fracture toughness is a very important rock characteristic which provides information about the fragility of a rock material, as well as about the resistance of a rock against the crack propagation. The knowledge so far concerning the rock mass can be thus significantly enriched. In the Czech Republic, parameters of the fracture mechanics is relatively less explored area of the research into properties of rocks and rock mass. The basic incentive to start the research was the effort to include measurements of rock fracture toughness into the standard testing processes realised in the laboratories of the Institute of Geonics ASCR, v. v. i. in Ostrava, Czech Republic. The PhD thesis was realised within the scope of a project of the Institute of Clean Technologies for Mining and Utilisation of Raw Materials for Energy Use (ICT), reg. no. CZ.1.05/2.1.00/03.0082, which is supported by the Research and Development for Innovations Operational Programme financed by the Structural Funds of the European Union and the state budget of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic. The initial results of the fracture toughness measurements were also obtained within the scope of projects of SPOMECH - Creating a Multidisciplinary R&D Team for Reliable Solution of Mechanics Problems, reg. no. CZ.1.07/2.3.00/20.0070, and DECOVALEX 2011 - Development of Coupled Models and their Validation Against Experiments. The submitted PhD thesis is divided into four parts corresponding to the different phases of the problem solving. In the first part, the author focuses on the study of the fracture toughness theory and particular methodologies for measurements of fracture toughness and finally, the correct interpretation of final results. In the second part, suitable samples of igneous, sedimentary, and metamorphic rocks with defined physical and mechanical properties were selected for the experimental testing. One of the partial objectives of the thesis was to determine, if and to what extend the aforementioned parameters influence the fracture behaviour of the studied rocks. Samples selected for experiments are representatives of all three major groups of rocks (igneous, sedimentary, and metamorphic), from which the sediments, namely the sandstones, are the largest group. The petrographic description of all selected rocks was made and rock samples for measurements of physical and mechanical properties and determination of the fracture toughness were prepared. The observed physical rock properties were the bulk density, water absorption capacity and total and apparent porosity. As the mechanical properties are concerned, the loading rate of samples, uniaxial compressive strength and splitting tensile strength in particular were studied. Preparatory works, measurements and analyses were realised in the laboratories of the Institute of Geonics AS CR, v. v. i. in Ostrava. The applied methodology for the fracture toughness measurement is based on the recommendation of the International Society for Rock Mechanics. The third part focuses on the comparison of results obtained by the CB method, applied at the Institute of Geonics, with results of fracture toughness measurements of the same rocks using the SCB method used in partner laboratories of the X-Earth Center at Kumamoto University in Japan. In the final part, cracks propagation using the X-Ray CT in selected types of rocks was studied. Geometric parameters of a resulting crack, i.e. its length, width and tilt angle from the zone of the crack initiation, were observed. Based on the measurement results, it can be concluded that fracture toughness values of selected rocks are influenced by physical and mechanical properties, in particular by the total porosity and loading rate of a tested sample. The realised study resulted in the proposal of a unified methodology of crack description which represents one of the significant outputs of the presented PhD thesis. Results of the study can be further used, for instance, for the modelling of rock fragmentation during the process of rock disintegration.