Orientation nature of the damage-memory effect under triaxial cyclic nonproportional compression of a sandstone

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper describes the mechanisms and conditions for the damage-memory effect (Kaiser effect) in rocks subjected to a three-dimensional nonproportional cyclic loading with changes in the rocks' shape and orientation of the Lamé-ellipsoid. The experiments with the cubic samples taken from polymictic sandstone were conducted on Triaxial Independent Loading Testing System with continuous recording of an acoustic emission signals. The results of a nonproportional triaxial compression under the developed protocol, it is 9-cycle loading program, have shown that a dominate mechanism of the damage-memory effect in each ensemble of cracks (vectored differently) is the development of micro-cracks of opening fracture mode oriented subnormally to the minimum main stress. It was found that the Kaiser damage-memory effect is detected not so much to the fact of opening cracks, friendly oriented, as to a discrete growing (increase of length) of already existing and newly emerging micro-cracks. The obtained results can be considered as a trigger for models development oriented to strain and destruction of rocks, taking into account the anisotropic nature of damage accumulation.

About the authors

Ivan A. Panteleev

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

Email: pia@icmm.ru
ORCID iD: 0000-0002-7430-3667
SPIN-code: 8675-4288
Scopus Author ID: 6842391700
ResearcherId: N-6353-2016
http://www.mathnet.ru/person51894

Cand. Phys. & Math. Sci., Head of Laboratory of Digitalization of Mining Processes

Russian Federation, 1, Academician Korolev st., Perm, 614013

Alexey V. Zaitsev

Perm State National Research Polytechnical University

Email: a-zaitsev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0578-7917
SPIN-code: 7020-2997
Scopus Author ID: 7201772149
ResearcherId: AAU-4865-2020
http://www.mathnet.ru/person41585

Cand. Phys. & Math. Sci., Associate Professor, Dept. of Mechanics of Composite Material and Structures

Russian Federation, 29, Komsomolskiy pr., 614990, Perm

Konstantin B. Ustinov

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: ustinov@ipmnet.ru
ORCID iD: 0000-0001-5852-3355
SPIN-code: 4532-6073
Scopus Author ID: 6507787696
ResearcherId: N-4162-2015
http://www.mathnet.ru/person145882

Dr. Phys. & Math. Sci., Chief Researcher, Lab. of Geomechanics

Russian Federation, 101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526

Virginia A. Mubassarova

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

Email: mubassarova.v@icmm.ru
ORCID iD: 0000-0001-7593-6776
SPIN-code: 7938-6440
Scopus Author ID: 51764041500
ResearcherId: AAZ-1485-2021
http://www.mathnet.ru/person179655

Cand. Phys. & Math. Sci. Researcher, Lab. of Thermomechanics of Solids

Russian Federation, 1, Academician Korolev st., Perm, 614013

Nikolai I. Shevtsov

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: red3991@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0792-2262
SPIN-code: 8083-9540
Scopus Author ID: 57219449026
http://www.mathnet.ru/person146354

Junior Researcher, Lab. of Geomechanics

Russian Federation, 101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526

Valerii V. Khimulia

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: valery.khim@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2116-6483
SPIN-code: 2115-7318
Scopus Author ID: 57224741664
ResearcherId: ACJ-7411-2022
http://www.mathnet.ru/person145828

Cand. Phys. & Math. Sci.Junior Researcher, Lab. of Geomechanics

Russian Federation, 101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526

Vladimir I. Karev

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: wikarev@ipmnet.ru
ORCID iD: 0000-0003-3983-4320
SPIN-code: 5583-0529
Scopus Author ID: 6701681891
ResearcherId: F-5769-2014
http://www.mathnet.ru/person112318

Dr. Techn. Sci., Professor, Deputy Director for Science, Chief Researcher, Lab. of Geomechanics

Russian Federation, 101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526

Yurii F. Kovalenko

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: perfolinkgeo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6128-1737
SPIN-code: 2579-2525
Scopus Author ID: 7006619014
http://www.mathnet.ru/person145638

Dr. Phys. & Math. Sci., Professor, Head of Laboratory, Lab. of Geomechanics

Russian Federation, 101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526

References

  1. Kaiser J. An Investigation into the Occurrence of Noises in Tensile Tests or a Study of Acoustic Phenomena in Tensile Tests, Ph.D. Thesis, Tech. Hosch. Munchen, Munich, Germany, 1950.
  2. Holcomb D. J., Costin L. S. Detecting damage surfaces in brittle materials using acoustic emissions, J. Appl. Mech., 1986, vol. 53, no. 3, pp. 536–544. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3171807.
  3. Lockner D. The role of acoustic emission in the study of rock fracture. International loading rates, Mech. Materials, 1993, vol. 33, no. 11, pp. 669–677.
  4. Villaescusa E., Seto M., Baird G. Stress measurements from oriented core, Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 2002, vol. 39, no. 5, pp. 603–615. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00059-x.
  5. Zang A., Stephansson O. Stress Field of the Earth’s Crust. Dordrecht, Springer, 2010, xix+324 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8444-7.
  6. Lehtonen A., Cosgrove J. W., Hudson J. A., Johansson E. An examination of in situ rock stress estimation using the Kaiser effect, Eng. Geol., 2012, vol. 124, pp. 24–37. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2011.09.012.
  7. Heimisson E. R., Einarsson P., Sigmundsson F., Brandsdóttir B. Kilometer-scale Kaiser effect identified in Krafla volcano, Iceland, Geophys. Res. Lett., 2015, vol. 42, no. 19, pp. 7958–7965. DOI: https://doi.org/10.1002/2015gl065680.
  8. Rasskazov M. I., Tereshkin A. A., Tsoi D. I. Estimate of the stress-strain state of the rock mass in the pioner deposit based on acoustic emission memory effect of rocks, Problems of Subsoil Use, 2019, no. 2(21), pp. 62–67 (In Russian). EDN: NTILVU. DOI: https://doi.org/10.25635/2313-1586.2019.02.062.
  9. Belyutyukov N. L. Features of Kaiser effect use to estimate stress state of the rock mass, Gornoe Ekho, 2019, no. 3(76), pp. 24–31 (In Russian). EDN: UCRGVR. DOI: https://doi.org/10.7242/echo.2019.3.7.
  10. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V. About using the Kaiser effect in epoxy resin with quartz filler to estimate stresses in the rock mass, Mining Informational and Analytical Bulletin, 2012, no. S1, pp. 97–104 (In Russian).
  11. Nikolenko P. V., Shkuratnik V. L., Chepur M. D. Koshelev A. E. Using the Kaiser effect in composites for stressed rock mass control, J. Min. Sci., 2018, vol. 54, no. 1, pp. 21–26. EDN: FFEHBR. DOI: https://doi.org/10.1134/S1062739118013282.
  12. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V. Spectral characteristics of acoustic emission in carbon fiber-reinforced composite materials subjected to cyclic loading, Adv. Mat. Sci. Eng., 2018, 1962679. DOI: https://doi.org/10.1155/2018/1962679.
  13. Kilburn C. Precursory deformation and fracture before brittle rock failure and potential application to volcanic unrest, J. Geophys. Res., 2012, vol. 117, no. B2, B02211. DOI: https://doi.org/10.1029/2011JB008703.
  14. Faulkner D. R., Mitchell T. M., Healy D., Heap M. J. Slip on ‘weak’ faults by the rotation of regional stress in the fracture damage zone, Nature, 2006, vol. 444, no. 7121, pp. 922–925. DOI: https://doi.org/10.1038/nature05353.
  15. Gudmundsson A., Philipp S. L. How local stress fields prevent volcanic eruptions, J. Volcanol. Geotherm. Res., 2006, no. 3–4, pp. 257–268. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2006.06.005.
  16. Karaoğlu Ö., Browning J., Bazargan M., Gudmundsson A. Numerical modelling of triple-junction tectonics at Karlova, Eastern Turkey, with implications for regional magma transport, Earth Planet. Sci. Lett., 2016, no. 452, pp. 157–170. DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.07.037.
  17. Lavrov A. V. The Kaiser effect in rocks: principles and stress estimation techniques, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2003, vol. 40, no. 2, pp. 151–171. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00138-7.
  18. Lavrov A., Vervoort A., Wevers M., Napier J. A. L. Experimental and numerical study of the Kaiser effect in cyclic Brazilian tests with disk rotation, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2002, vol. 39, no. 3, pp. 287–302. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00038-2.
  19. Chen Z. H., Tham L. G., Xie H. Experimental and numerical study of the directional dependency of the Kaiser effect in granite, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2007, vol. 44, no. 7, pp. 1053–1061. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2006.09.009.
  20. Li C., Nordlund E. Experimental verification of the Kaiser effect in rocks, Rock Mech. Rock Engng., 1993, vol. 26, no. 4, pp. 333–351. DOI: https://doi.org/10.1007/bf01027116.
  21. Pestman B. J., Van Munster J. G. An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstracts, 1996, vol. 33, no. 6, pp. 585–593. DOI: https://doi.org/10.1016/0148-9062(96)00011-3.
  22. Pestman B. J., Kenter C. J., Van Munster J. G. Estimation of in-situ stress magnitudes from measurements on cores, SPE/ISRM Rock Mechanics in Petroleum Engineering, 1998 (Trondheim, Norway, July 1998), SPE-47239-MS. DOI: https://doi.org/10.2118/47239-ms.
  23. Pestman B. J., Holt R. M., Kenter C. J., Van Munster J. G. Field application of a novel core-based in-situ stress estimation technique, SPE/ISRM Rock Mechanics Conference, 2002 (Irving, Texas, October 2002), SPE-78158-MS. DOI: https://doi.org/10.2118/78158-ms.
  24. Shkuratnik V. L., Lavrov A. V. Effekty pamiati v gornykh porodakh. Fizicheskie zakonomernosti, teoreticheskie modeli [Memory Effects in Rocks. Physical Laws, Theoretical Models]. Moscow, Akad. Gornykh Nauk, 1997, 159 pp. (In Russian)
  25. Lavrov A. V., Shkuratnik V. L., Filimonov Yu. L. Akustoemissionnyi effekt pamiati v gornykh porodakh [Acoustic Emission Memory Effect in Rocks]. Moscow, Moscow State Mining University, 2004, 456 pp. (In Russian). EDN: SDSUPF.
  26. Browning J., Meredith P. G., Stuart C. E., Healy D., Harland S., Mitchell T. M. Acoustic characterization of crack damage evolution insandstone deformed under conventional and true triaxial loading, J. Geophys. Res. Solid Earth, 2017, vol. 122, no. 6, pp. 4395–4412. DOI: https://doi.org/10.1002/2016jb013646.
  27. Browning J., Meredith P. G., Stuart C., Harland S., Healy D., Mitchell T. M. A directional crack damage memory effect in sandstone under true triaxial loading, Geophys. Res. Lett., 2018, vol. 45, no. 14, pp. 6878–6886. DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL078207.
  28. Karev V. I., Klimov D. M., Kovalenko Yu. F., Ustinov K. B. Fracture of sedimentary rocks under a complex triaxial stress state, Mech. Solids, 2016, vol. 51, no. 5, pp. 522–526. EDN: YVFUNL. DOI: https://doi.org/10.3103/S0025654416050022.
  29. Klimov D. M., Karev V. I., Kovalenko Yu. F. Experimental study of the influence of a triaxial stress state with unequal components on rock permeability, Mech. Solids, 2015, vol. 50, no. 6, pp. 633–640. EDN: WPQWWR. DOI: https://doi.org/10.3103/S0025654415060047.
  30. Shevtsov N., Zaitsev A., Panteleev I. Deformation and destruction of rocks on the true tri-axial loading system with continuous acoustic emission registration, In: Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. Cham, Springer, 2019, pp. 424–432. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-11533-3_42.
  31. Panteleev I. A., Mubassarova V. A., Zaitsev A. V., Shevtsov N. I., Kovalenko Yu. F., Karev V. I. Kaiser effect in sandstone in polyaxial compression with multistage rotation of an assigned stress ellipsoid, J. Min. Sci., 2020, vol. 56, no. 3, pp. 370–377. EDN: LHZOJI. DOI: https://doi.org/10.1134/S1062739120036653.
  32. Panteleev I. A., Mubassarova V. A., Zaitsev A. V., Karev V. I., Kovalenko Yu. F., Ustinov K. B., Shevtsov N. I. The Kaiser effect under multiaxial nonproportional compression of sandstone, Dokl. Phys., 2020, vol. 65, no. 11, pp. 396–399. EDN: SPBANH. DOI: https://doi.org/10.1134/S1028335820110075.
  33. Shevtsov N. I., Zaitsev A. V., Panteleev I. A. Studying the relationship between the stress-strain state of the rock mass and acoustic emission flux using triaxial independent loading test system, Protsessy v geosredakh, 2019, no. 1(19), pp. 129–136 (In Russian). EDN: RQBKMG.
  34. Panteleev I. A., Kovalenko Yu. F., Sidorin Yu. V., Zaitsev A. V., Karev V. I., Ustinov K. B., Shevtsov N. I. Damage evolution under complex nonuniform compression of sandstone according to acoustic emission data, Phys. Mesomech., 2019, vol. 22, no. 4, pp. 56–63 (In Russian). EDN: QXJPUS. DOI: https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-14006.
  35. Healy D., Blenkinsop T. G., Timms N. E., Meredith P. G., Mitchell T. M., Cooke M. L. Polymodal faulting: Time for a new angle on shear failure, J. Struct. Geol., 2015, vol. 80, pp. 57–71. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsg.2015.08.013.
  36. Panteleev I., Lyakhovsky V., Browning J., Meredith P. G., Healy D., Mitchell T. M. Non-linear anisotropic damage rheology model: Theory and experimental verification, Eur. J. Mech., A/Solids, 2021, vol. 85, 104085. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2020.104085.
  37. Lyakhovsky V., Panteleev I., Shalev E., Browning J., Mitchell T. M., Healy D., Meredith P. G. A new anisotropic poroelasticity model to describe damage accumulation during cyclic triaxial loading of rock, Geophys. J. Int., 2022, vol. 230, no. 1, pp. 179–201. EDN: FEJKUL DOI: https://doi.org/10.1093/gji/ggac062.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Loading program of the 9-cycle nonproportional compression and the average total sum of acoustic emission (AE)

Download (294KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Time dependences of axial strains \(\varepsilon_{xx}\), \(\varepsilon_{yy}\), and \(\varepsilon_{zz}\) (i.e. strain path) the relative average total sum of AE \((\Sigma N)/N_{\max}\)

Download (401KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Time dependences for increment of compression strain \(\Delta\varepsilon_{xx}\), \(\Delta\varepsilon_{yy}\), and \(\Delta\varepsilon_{zz}\) (solid line) in three mutually orthogonal directions and the relative average total sum of AE \(\Sigma N\) (black line) for the first (a), the second (b), and the third (c) triple of cycles. Dotted line — a loading program

Download (748KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».