Locked in stresses, creep and dilatancy of rocks, and constitutive equations

Summary

Locked in Stresses, Creep and Dilatancy of Rocks, and Constitutive Equations

A micro rheological analysis is presented of the deformation characteristics of rocks based on the multi mineral and polycrystalline structure of igneous metamorphic and some sedimentary rocks; in addition the polygranular structure of sandstone-type rocks is also considered. Due account is taken with the history of rock formation and tectonics.

Torsional creep test results on Ichang sandstone are presented and analysed. A new method of testing is introduced whereby the sample is subjected to a step wise loading function and the deformation measured as a function of the time. In this manner the creep as a function of stress and time can be obtained very easily from tests on only one sample.

A hypothesis is presented on the origin and formation of “locked in” stresses the release of internal strain energy is studied at the hand of some typical test results. The practical importance of these stress pockets is discussed and it is stressed that creep and “locked in” stresses are fundamental factors in the behaviour of rocks which must be carefully studied in practice.

On the basis of experimental results and physical reasoning constitutive equations are set up, which are three dimensional generalisations of the experimental Griggs equation:γ =a +b logt +ct, whereby the material parameters are scalar functions of the stress invariants.

Zusammenfassung

Restspannungen, Kriechen und Dilatation von Gesteinen, und Ausgangsgleichungen

Es wird eine Analyse der rheologischen Verformungseigenschaften von Fels gezeigt, die auf dem Mineral- und Kristallgefüge von metamorphen Erstarrungs-und einigen Sedimentgesteinen beruht; außerdem wird das Korngefüge von Gesteinen mit einem Aufbau ähnlich dem von Sandsteinen berücksichtigt. Ebenso werden Gebirgsbildungsvorgänge und Tektonik beachtet.

Ergebnisse von Torsionskriechversuchen an Ichang-Sandstein werden vorgelegt und analysiert. Eine neue Versuchsmethode wird vorgestellt, wobei der Probekörper einer stufenweise gesteigerten Belastung unterworfen wird und die Verformungen als Funktion der Zeit gemessen werden. Auf diese Weise wird durch Versuche mit nur einem Probekörper das Kriechen als Funktion der Belastung und der Zeit ermittelt.

Es wird eine Hypothese über den Ursprung und die Bildung von Restspannungen vorgelegt. An Hand von typischen Versuchsergebnissen wird die Freiwerdung von innerer Verzerrungsenergie untersucht und die praktische Bedeutung von Kriechvorgängen und Restspannungen betont.

Basierend auf Versuchsergebnissen und physikalischen Gesetzen werden Ausgangsgleichungen aufgestellt, die Verallgemeinerungen der experimentell von Griggs gefundenen Gleichungγ =a +b logt +ct in 3 Dimensionen darstellen. Dabei sind die Materialparameter skalare Funktionen der Invarianten des Spannungszustandes.

Résumé

Fluage et dilatation des roches, contraintes figées dans le massif et relatiens de comportement

On présente une analyse micro-rhéologique des caractéristiques de déformation des roches, basée sur la structure multiminérale et polycristalline des roches ignées ou métamorphiques et de quelques roches sédimentaires. La structure polygranulaire des roches du type des grès est aussi envisagée. On prend en compte l'histoire de la formation des roches et de la tectonique.

Des résultats d'essais de fluage en torsion sur des grès d'Echang sont données et analysés. On présente une nouvelle méthode d'essais où l'échantillon est soumis à un chargement par échelon et où la déformation est mesurée en fonction du temps. De cette façon, le fluage en fonction des contraintes et du temps peut être obtenu très facilement à partir d'essais sur un seul échantillon.

On présente une hypothèse sur l'origine et la fonction des contraintes figées dans le massif et le relachement de l'énergie de déformation est étudié au moyen de résultats d'essais typiques. L'importance pratique de ces noyaux de contraintes est discutée et l'on montre que le fluage et les contraintes figées sont des facteurs fondamentaux du comportement des roches qui doivent être étudiés avec soin dans la pratique.

A partir de résultats expérimentaux et au moyen de raisonnements physiques, on établit les relations de comportement et la généralisation à trois dimensions de l'équation expérimentale de Griggsγ =a +b logt +ct où les paramètres du matériau sont des fonctions scalaires des invariants des contraintes.