Investigation of influence of stress state parameters of fault zones on peculiarities of their mechanical response under shear loading

Abstract


The paper is devoted to theoretical investigation of the influence of stress state parameters of healed fault zones fragments on the characteristics of their mechanical response under shear deformation in the conditions of nonequiaxial compression. Investigation was based on computer-aided simulation by the movable cellular automaton method. Dimensionless parameter, named the degree of nonequiaxiality of compression was used as the basic parameter of stress state of the medium. This parameter characterizes the ratio of lateral and normal stresses in the plane of deformation. The main objective of the paper was to analyze the dependences of the shear strength, ultimate shear strain and value of volume changing (dilatancy) on the degree of compression nonequiaxiality at the initial stage of activization of the fault zone fragment. It is shown that the degree of compression nonequiaxiality of the medium is an important factor affecting the conditions under which healed fault zone could be activated. Here, the value of the shear stresses acting in a fragment of the medium, as well as corresponding ultimate values of shear strain and dilatancy, at which the fault zone could be activated, are essentially dependent on the ratio and dynamics of change of the local values of some stress tensor invariants. Among them are pressure and stress intensity (von Mises stress). This is due to the fact that these parameters determine the ability to operate in the geological medium of one of a key deformation mechanism that is associated with the formation and evolution of damages at the interface of the structural elements in the block structure medium. In particular, the decrease in the pressure in the medium fragment at relatively low levels of stress intensity can lead to an increase in ultimate shear strain and dilatancy at the beginning stages of activization of the fault zone. At the same time a significant increase in the stress intensity while decreasing the pressure could lead to a decrease in the shear strength of the geomedium.

About the authors

S V Astafurov

Instutute of Strength Physics and Materials Science SB, RAS

Email: svastafurov@gmail.com
36, Lenina av., 634050, Tomsk, Russian Federation

E V Shilko

Instutute of Strength Physics and Materials Science SB, RAS

Email: shilko@ispms.tsc.ru
36, Lenina av., 634050, Tomsk, Russian Federation

S G Psakhie

Instutute of Strength Physics and Materials Science SB, RAS

Email: sp@ms.tsc.ru
36, Lenina av., 634050, Tomsk, Russian Federation

References

  1. Кочарян Г.Г., Павлов Д.В. Нарушение и залечивание зон локализации деформаций в массиве горных пород // Физическая мезомеханика. - 2007. - Т. 10, №1. - С. 5-18.
  2. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. - М.: Академкнига, 2003. - 423 с.
  3. Гольдин С.В. Макро- и мезоструктуры очаговой области землетрясения // Физическая мезомеханика. - 2005. - Т. 8, № 1. - С. 5-14.
  4. Адушкин В.В., Цветков В.М. Напряженное состояние и его связь со структурой горного массива // Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях. - М.: Изд-во РАН, 1996. - С. 111-116.
  5. Николаевский В.Н. Трещиноватость земной коры как ее генетический признак // Геология и геофизика. - 2006. - Т. 47, № 5. - С. 646-656.
  6. Астафуров С.В., Шилько Е.В., Псахье С.Г. Влияние стесненных условий на характер деформирования и разрушения блочных сред при сдвиговом нагружении // Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12, № 6. - С. 23-32.
  7. Исследование влияния неравноосности сжатия на дилатансионные процессы в блочной среде в условиях сдвигового деформирования / С.В. Астафуров, Е.В. Шилько, А.В. Андреев, С.Г. Псахье // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т. 14, № 2. - С. 47-55.
  8. Ребецкий Ю.Л. Напряженное состояние слоя при продольном горизонтальном сдвиге блоков его фундамента // Поля напряжений и деформаций в земной коре. - М.: Наука, 1987. - С. 41-57.
  9. Ревуженко А.Ф. Механика упругопластических сред и нестандартный анализ. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000. - 428 с.
  10. Косых В.П. Исследование особенностей сдвигового деформирования сыпучих материалов в стесненных условиях // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2006. - № 6. - С. 63-67.
  11. Бишоп А.У. Параметры прочности при сдвиге ненарушенных и перемятых образцов грунта // Определяющие законы механики грунтов / под ред. В.Н. Николаевского. - М.: Мир, 1975. - С. 7-75.
  12. Нелинейная механика геоматериалов и геосред / П.В. Макаров, И.Ю. Смолин, Ю.П. Стефанов [и др.]. - Новосибирск: Гео, 2007. - 235 с.
  13. Макаров П.В., Еремин М.О. Модель разрушения хрупких и квазихрупких материалов и геосред // Физическая мезомеханика. -2013. - Т. 16, № 1. - С. 5-26.
  14. Стефанов Ю.П., Бакеев Р.А., Смолин А.Ю. О закономерностях локализации деформации в горизонтальных слоях среды при разрывном сдвиговом смещении основания // Физическая мезомеханика. -2009. - Т. 12, № 1. - С. 83-88.
  15. Структура и стадии формирования разломной зоны в слое геосреды при разрывном горизонтальном сдвиге основания / Ю.П. Стефанов, Р.А. Бакеев, Ю.Л. Ребецкий, В.А. Конторович // Физическая мезомеханика. - 2013. - Т. 16, № 5. - С. 41-52.
  16. Development of a formalism of movable cellular automaton method for numerical modeling of fracture of heterogeneous elastic-plastic materials / S. Psakhie, E. Shilko, A. Smolin, S. Astafurov // Fracture and Structural Integrity. - 2013. - No. 24. - Р. 26-59. doi: 10.3221/IGF-ESIS.24.04
  17. Развитие подхода к моделированию деформирования и разрушения иерархически организованных гетерогенных, в том числе контрастных, сред / С.Г. Псахье, Е.В. Шилько, А.Ю. Смолин [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т. 14, № 3. - С. 27-54.
  18. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М.: Наука, 1988. - 712 с.
  19. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. - М.: Высш. шк., 2002. - 400 с.
  20. Ben-Zion Y., Sammis C.G. Characterization of fault zones // Pure and Applied Geophysics. - 2003. - Vol. 160. - No. 3-4. - P. 677-715. doi: 10.1007/PL00012554
  21. Шерман С.И. Тектонофизический анализ сейсмического процесса в зонах активных разломов литосферы и проблема среднесрочного прогноза землетрясений // Геофизический журнал. - 2005. - Т. 27, № 1. - С. 20-38.
  22. Wibberley C.A.J., Yielding G., Toro G. Recent advances in the understanding of fault zone internal structure: a review // The internal structure of fault zones: implications for mechanical and fluid-flow properties / eds. C.A.J. Wibberley, W. Kurz, J. Imber, R.E. Holdsworth, C. Collettini. - London, Geological Society, Special Publications, 2008. - P. 5-33. doi: 10.1144/SP299.2
  23. Bell F.G. Engineering properties of soils and rocks. 4th ed. - Wiley-Blackwell, 2000. - 482 p.
  24. Aadnoy B., Looyeh R. Petroleum rock mechanics: drilling operations and well design. - Oxford, Gulf Professional Publishing, 2011. - 376 p
  25. Kahraman S., Alber M. Triaxial strength of a fault breccia of weak rocks in a strong matrix // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. - 2008. - Vol. 67. - No. 3. - P. 435-441. doi: 10.1007/s10064-008-0152-3
  26. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Псахье С.Г. Физическая мезомеханика: достижения за два десятилетия развития, проблемы и перспективы // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - Спец. вып. Ч 1. - С. I-25-I-40.
  27. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е. Основы физической мезомеханики структурно-неоднородных сред // Известия РАН. Механика твердого тела. - 2010. - № 4. - С. 8-29.
  28. Thermo-mechanical model of the Dead Sea Transform / S.V. Sobolev, A. Petrunin, Z. Garfunkel, A.Y. Babeyko // Earth and Planetary Science Letters. - 2005. - Vol. 238. - P. 78-95. doi: 10.1016/j.epsl.2005.06.058
  29. Gerya T.V., Yuen D.A. Robust characteristics method for modelling multiphase visco-elasto-plastic thermo-mechanical problems // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2007. - Vol. 163. - P. 83-105. doi: 10.1016/j.pepi.2007.04.015
  30. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород / В.Н. Опарин, Б.Д. Аннин, Ю.В. Чугуй [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - 320 с.
  31. Садовский М.А. О естественной кусковатости горных пород // Доклады АН СССР. - 1979. - Т. 247, № 4. - C. 829-831.
  32. Mas D., Chemenda A.I. Dilatancy factor constrained from the experimental data for rocks and rock-type material // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. - 2014. - Vol. 67. - P. 136-144. doi: 10.1016/j.ijrmms.2013.12.014.
  33. Ребецкий Ю.Л. Дилатансия, поровое давление флюида и новые данные о прочности горных массивов в естественном залегании // Флюид и геодинамика. - М.: Наука, 2006. - С. 120-146.
  34. Onasch C.M., Farver J.R., Dunne W.M. The role of dilation and cementation in the formation of cataclasite in low temperature deformation of well cemented quartz-rich rocks // Journal of Structural Geology. - 2010. - Vol. 32. - No. 12. - P. 1912-1922. doi: 10.1016/j.jsg.2010.04.013.
  35. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность природных массивов. - М.: Академкнига, 2007. - 406 с.
  36. Ребецкий Ю.Л., Кучай О.А., Маринин А.В. Напряженное состояние и деформации земной коры алтае-саянской горной области // Геология и геофизика. - 2013. - Т. 54, № 2. - С. 271-291.
  37. Schmitt D.R., Currie C.A., Zhang L. Crustal stress determination from boreholes and rock cores: Fundamental principles // Tectonophysics. - 2012 - Vol. 580. - P. 1-26. doi: 10.1016/j.tecto.2012.08.029.
  38. Zang A., Stephansson O. Stress Field of the Earth's Crust. - London: Springer, 2010. - 322 p.

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 23

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2014 Astafurov S.V., Shilko E.V., Psakhie S.G.

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

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies