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Relazione tra comportamento deformativo di rocce ed emissioni acustiche per la previsione dei rockburst
No full textI rockburst sono fenomeni di rottura istantanea e violenta che si manifestano sul contorno di cavità sotterranee, sottoposte ad elevati livelli di sollecitazione, indotti dalla realizzazione delle cavità stesse. La rottura avviene per innesco, propagazione e coalescenza di microfessure, in perfetta analogia con il modello di comportamento di un provino di roccia sottoposto a compressione. Ai fini della previsione del danno indotto nell’ammasso durante lo scavo, è indispensabile, quindi, conoscere il valore di sollecitazione critica di innesco e di propagazione instabile delle microfessure dei materiali rocciosi interessati dall’opera. Questi ultimi, infatti, coincidono con la resistenza in situ a breve e lungo termine.
Nella nota, dopo aver descritto il comportamento a rottura di rocce fragili sottoposte a stati di compressione e l’inadeguatezza dei metodi adottati per determinare la sollecitazione critica di innesco e quella di propagazione instabile delle microfessure, si propone un nuovo approccio per la loro determinazione basata sulla contemporanea misura delle deformazioni e delle emissioni acustiche dei provini. Il metodo proposto si basa su una nuova funzione, la sentry function ,che dà un’indicazione della quota parte di energia elastica immagazzinata dalla roccia, che viene rilasciata come energia acustica a seguito di deformazioni inelastiche localizzate.
I primi risultati sperimentali su rocce petrograficamente diverse, analizzati con la sentry function, mettono in evidenza la diversa tendenza dei vari tipi di roccia a rilasciare energia acustica ed ad immagazzinare energia di deformazione prima e dopo le due soglie di innesco delle microfessure (sCI) e di propagazione instabile delle microfessure (sCD)
Influence of Marble’s Texture on its Mechanical Behavior
No full textThis research work studied the influence of texture on the mechanical properties of crystalline rocks at the scale of the laboratory sample. The experiments were performed on a marble varying in texture, so that the study was conducted on homogeneous (entirely xenoblastic or totally granoblastic) and heterogeneous (mix of the two textures) specimens. The mechanical behavior of the homogeneous and heterogeneous samples was investigated with static and dynamic, destructive and nondestructive tests, in natural conditions, at the laboratory temperature, and at higher temperatures. The specimens were heated to 100, 200, and 300 C, in order to examine the effect of heating temperature on the elastic modulus and P-waves velocity. As a result, the pure granoblastic marble exhibits values of the elastic modulus, P-waves velocity, and strengths, both in natural conditions and on heated specimens, lower than xenoblastic samples. Such different behavior can be explained by a higher grain boundaries porosity of the granoblastic marble. On heterogeneous samples, only the Rock Impact Hardness Number (RIHN) appears able to highlight the dependence of the mechanical properties on the rock texture. In particular, the impact strength improves with increasing the percentage of xenoblastic texture inside the specimen
From nano to macroscale: A new experimental approach to mechanical characterization of rock materials
No full textIn crystalline rocks, micro-cracks play a key role in determining the rock’s mechanical response under loading conditions. The present research suggests an innovative multiscale approach in rock material characterization to correlate the rock behavior at the scale of the laboratory sample to the cracking observed at the micro-cracks scale (nano and micro scale). The rock under investigation, a marble, exhibits two textures (granoblastic and xenoblastic), differing in micro-cracks porosity, mainly extending along the grains contacts. The investigated marble’s behavior under states of stress was investigated involving portions of the rock’s sample varying in size from nano to micro and macro-scale through also innovative techniques in the Rock Mechanics field. The nano and microscale investigations allowed to identify different crack initiation, propagation, coalescence and failure mechanisms in the two textures. Furthermore, the observed cracking justified the behavior of the two investigated marbles in terms of strength and deformability and stress-strain relationship, at the scale of the laboratory sample (macro scale)
Caratterizzazione meccanica delle rocce tramite il Rock Impact Hardness Number
No full textDal 1985 l'Università di Bologna è impegnata in un programma di ricerca finalizzato alla determinazione della resistenza dei materiali rocciosi con test di semplice esecuzione, rapidi e meno costosi delle tradizionali prove di laboratorio.
Nel presente articolo si illustrano alcuni risultati della campagna di indagini sperimentali sviluppata per verificare il livello di singificatività del Rock Impact Hardness Number (R.I.H.N.) come indice di resistenza delle rocce. Le prove di laboratorio sono state condotte su campioni di marmo e di arenarie, impiegati nel settore delle rocce ornamentali.
I risultati hanno fornito utili indicazioni sulle modalità operative che contribuiscono a restringere il campo di variabilità dei risultati e a migliorare il livello di correlazione tra i valori di R.I.H.N. e quelli di resistenza ottenibili con le prove di laboratorio standardizzate.
Infine, lo studio dell'influenza della procedura di prova sul valore di R.I.H.N. ha permesso di definire un nuovo approccio che consente di stimare la distribuzione spaziale e la variabilità dei valori puntuali di resistenza in materiali rocciosi eterogenei
Soluzioni ingegneristiche introdotte dalla NIR 41
No full textLa NIR 41 contiene soluzioni di ingegneria degli scavi e organizzative del cantiere rivolte, le une e le altre, ad eliminare, nella costruzione di gallerie, il pericolo che i lavoratori, impegnati nella zona limitrofa al fronte, siano colpiti dagli elementi di roccia o di terreno che si dovessero staccare dalle superfici “fresche di scavo”. La NIR considera solo gallerie di sezione molto ampia (sono tipici esempi quelle autostradali e quelle ferroviarie), scavate con tecnica tradizionale e con metodo a piena sezione.
Questi cantieri sono caratterizzati dal limitato numero di lavoratori, dalla disponibilità di ampi spazi operativi, dalla presenza di potenti e voluminose macchine operatrici, dalla notevole altezza delle cavità che rende problematico l’esame visivo da terra delle pareti e del fronte potenziale sede dei distacchi.
In breve, i cantieri considerati dalla NIR 41 sono, per dimensioni, molto diversi da quelli del manuale “Lavoro sicuro in galleria”, edito nel 1989 e curato dalla Società Italiana Gallerie (SIG) che, a sua volta, ha adattato all’esperienza italiana il manuale “Safe working in tunneling”, redatto nello stesso anno dalla Tiefbau – Berufsgenossenschaft (TBG) e dalla Research Association for Underground Transportation (STUVA).
Per centrare l’obiettivo di ridurre drasticamente le possibilità che si verifichino gravi incidenti, causati da caduta di porzioni di terreno o roccia, durante la realizzazione di queste opere, sono state introdotte dalla NIR 41 alcune importanti soluzioni di ingegneria degli scavi.
Nella presente memoria si esamina il contesto che ha portato alla redazione della NIR 41, i principi su cui si basano le soluzioni tecniche ed i risultati conseguiti
Approccio innovativo alla caratterizzazione meccanica di rocce cristalline: dalla macro alla nanoscala
No full textLa nota discute i risultati di prove di indentazione, condotte con l’obiettivo di fare luce sui meccanismi di rottura di rocce cristalline.
Le indagini sono state sviluppate su un marmo che presenta una marcata variabilità della tessitura (granoblastica, xenoblastica) anche alla scala dei centimetri e una composizione mineralogica pressoché costante, monominerale. Gli effetti dell’interazione tra indentazioni e microdiscontinuità della roccia sono stati analizzati con tecniche di indentazione statiche non strumentate Vickers e Knoop e strumentate Berkovich in modalità Continuous Stiffness Measurement (CSM), del tutto innovative nel settore della meccanica delle rocce. Tali tecniche hanno permesso, tra l’altro, di determinare indici riconducibili alle proprietà meccaniche dei grani di calcite delle due tessiture.
Lo studio ha reso del tutto evidente l’influenza delle microfessure sulle caratteristiche micromeccaniche della roccia e ha fornito elementi di conoscenza sui meccanismi che determinano la rottura di rocce cristalline
Approccio multi-scala alla caratterizzazione meccanica in laboratorio di rocce cristalline
No full textLa nota presenta alcuni risultati di una ricerca pluriennale mirata a studiare, con approccio deterministico, i legami tra la tessitura di una roccia cristallina e le sue proprietà meccaniche alla scala cui si ricorre per la caratterizzazione dei materiali rocciosi. L'approccio alla caratterizzazione meccanica ha considerato più livelli di scala: macroscala (ordine del cm), mesoscala (diversi grani) e microscala (ordine del micrometro e centinaia di nm).
I risultati della ricerca hanno confermato, con evidenze sperimentali, il ruolo delle microfessure sulla risposta meccanica della roccia a qualsiasi scala di osservazione e hanno fornito elementi di conoscenza sui meccanismi che determinano la rottura di rocce cristalline
Modeling of complex geological rock mixtures under triaxial testing conditions
No full textComplex geological mixtures of rock inclusions randomly distributed in a weaker matrix can raise challenging issues for a proper geomechanical characterization.
These materials, also referred as bimrocks, are widespread all around the world and can be recognized in a vast range of geological formations. Although most of these formations are assumed to be controlled by the matrix mechanical properties, several studies, instead, showed that the overall behavior is strongly influenced by the presence of the rock fragments and, in particular, by their volumetric content.
In the present study, the overall mechanical behavior and strength characteristics of rock mixtures during triaxial tests were studied using a 3-D finite element.
A script routine was specifically developed for the 3-D model generation. Given a specific volumetric content and preferred inclusion orientation, the routine generates cylindrical specimens with ellipsoidal inclusions. Ellipsoidal surface intersections are governed by applying an algebraic separation condition which states the contact condition between two inclusions (i.e., separated, overlapped, or overlapped at a single point).
The preliminary FEM analysis on specimens with spherical inclusions indicated a marked influence of the inclusion’s volumetric content on the mechanical properties of the bimrock. Different behaviors were observed for welded and unwelded specimens.
Further studies will focus on the effect of ellipsoidal inclusions
Determination of relationship between textural and mechanical characteristics by means of rock impact hardness number test
No full textThe first results of a research program based on a large number of laboratory tests show that the R.I.H.N. can be utilized to investigate the variability of strength values in an apparently homogeneous rock material.
Until now the tests have been performed on a marble quarried in Tuscany and used to feed lime kilns after a crushing process. In this area a contact metamorphism involved the rock mass with intensity variable from one zone to another, whose minimum volume can measure even few cubic centimeters. Although the rock mass appears to be homogeneous, the feed subjected to temperatures of about 1100 °C inside the kiln shows a high heterogeneity in response to static stress imposed by overlying material column. In fact, there are some marble pieces that retain their original grain sizes and other ones that are reduced to powder during calcination.
This heterogeneity may be found also when lumps apparently similar on the basis of a visual examination are taken at close distance from each other.
Preliminary results seem to indicate that such variability in terms of strength is due to local texture which can be determined only by observation of thin-sections using transmitted light microscopy.
Two different textures can be recognized: granoblastic and xenoblastic ones. The transition from one texture to another is progressive.
In order to examine this inhomogeneity, the following tests are carried out on rock specimens sampled directly from quarry faces:
o Point load tests on 544 irregular lumps of various sizes;
o Uniaxial Compressive Strength (UCS) tests on 21 core samples, having a diameter of 25 mm and a height – to – diameter ratio of 2. The adopted diameter is smaller than one suggested by standards, to compare the results obtained from UCS and R.I.H.N. tests on samples of the same volume;
o R.I.H.N. tests on 128 irregular lumps.
Unlike the first two, the R.I.H.N. test is not standardized and consists of breaking a certain number of irregular lumps (four to five) of the same rock material, one by one (charge). A charge of about 25 cm3 is placed into a mortar and impacted by a drop weight. Afterwards, a larger or lower number of blows is given to fresh charges and a graph of percentage of particles smaller than 0,5 mm against number of blows is established. The R.I.H.N. is defined as the number of blows required to produce 25% of particles smaller than 0,5 mm . This test procedure gives an average R.I.H.N. value for the rock material taking into account that four to five heterogeneous charges are used.
A new R.I.H.N. test procedure is being adopted, by utilizing the same specimen as charge for sequential tests each conducted at a certain number of blows. In this case, the R.I.H.N. value is representative of the local strength of rock material.
Analyzing the statistical distribution of experimental data, it seems that R.I.H.N. and UCS tests can classify the rock material according to textural characteristics, unlikely point load test. The distribution of point load strength index values appears normal with mean value of 3,05 MPa and a high variation coefficient of 36% which highlights the rock material heterogeneity.
UCS tests identify two classes of strength, with mean values, respectively, of 64,0 MPa and 99,2 MPa, probably because the tested samples dimensions are of the same order as the volumetric size of “homogeneous zones”, having equal texture. However, because of the limited number of tested samples compared with the other two tests, no further meaningful findings can be made.
The statistical distribution of R.I.H.N. test values seems to be bimodal and two classes of impact strength can be identified, with a mean value between 12 and 16 for the first class and between 28 and 32 for the second one. Analyzing microstructure of tested samples, a close relationship between texture and impact strength value is evident. Going from a granoblastic to a xenoblastic texture, R.I.H.N. values increase
Multi-scale investigations on the mechanisms affecting the strength and the elastic modulus of a marble varying in texture
No full textThe study on the mechanisms affecting the strength and the elastic modulus of a crystalline rock has been focused on a marble, variable in texture, despite an almost monomineralic calcitic composition. A wide experimentation was conducted on three levels: macro-scale (scale of the laboratory sample, order of centimeters), meso-scale (several grains) and grain-scale (order of μm). The experimental results have confirmed, on the various scales, the theoretical models which assume failure occurs from pre-existing flaws, acting as stress concentrators in controlling the rock's strength. On the grain- and meso-scales, the indentations cause the brittle failure of the calcite grain along its cleavage planes and the indents are influenced by microcracks (intra-granular and inter-granular), whatever the indenter's shape (Berkovich, Vickers, Knoop). On the macro-scale, the texture markedly affects the strength, the stress-strain behavior and the failure mechanisms in Rock Impact Hardness Number (R.I.H.N.) test of the investigated rock. Furthermore, the more intense open microcracking inside the granoblastic marble causes lower values of elastic modulus, strength and P-waves velocity compared to xenoblastic marble
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