Volume changes in sandstone under true triaxial compression conditions

Prismatic samples of a medium-grained sandstone from Slask Colliery (Upper Silesian Coal Basin, Poland) were tested under uniaxial compression, conventional triaxial compression and true triaxial compression conditions. The conventional triaxial compression tests were carried out at confining pressure (p) equal to 12.5, 25.0 and 37.5 MPa. In the true triaxial compression tests the minimum principal stress (s3) was equal to 25.0 MPa and the intermediate principal stress (s2) was 1.5, 2 and 2.5 times higher than s3. Results of the studies show that confining pressure strongly inhibited dilatant behavior of rock samples tested under conventional triaxial compression conditions; the increasing confinement resulted in the growing compaction of the rock material. The effect of dilatancy was also highly suppressed by the intermediate principal stress. While important dilatant, negative volumetric strain corresponded to the peak differential stress at low intermediate principal stress conditions, at high intermediate stresses the rock material was damaged to much lesser extent. As a result, faulting of rock samples in the post-peak region was much more violent and was accompanied by a strong acoustic effect. Les échantillons parallélépipédiques du grès à grains moyens de la mine ‘Slask’ (Bassin Houiller de Haute Silésie, Pologne) ont subi les essais de compression monoaxiale (compression simple), de compression triaxiale conventionnelle (compression triaxale de révolution) et de compression triaxiale vraie. Les essais de la compression triaxiale conventionnelle ont été effectués à la pression de confinement de 12,5, 25,0 et 37,5 MPa. Dans les essais de compression triaxiale vraie la contrainte principale minimale (s3) était de 25,0 MPa et la contrainte principale intermédiaire (s2) était 1,5, 2 et 2,5 fois supérieure de s3. Il résulte des essais que la pression de confinement inhibe fortement le processus de dilatance dans les échantillons testés dans les conditions de compression triaxiale conventionnelle; l’augmentation de la pression provoquait l’augmentation du compactage du matériau rocheux. Le phénomène de dilatance était également limité de façon significative par la contrainte principale intermédiaire. Alors que l’importante déformation volumique négative correspondait à la contrainte différentielle ultime avec les faibles contraintes principales intermédiaires, dans les conditions de fortes contraintes intermédiaires, le matériau rocheux subissait l'endommagement de façon beaucoup moins importante. En résultat, la rupture des échantillons rocheux au stade post-maximum était beaucoup plus violente et accompagnée d’un fort effet acoustique. Prismatische Probekörper des mittelkörnigen Sandsteines aus dem Bergwerk ‘Slask’ (das Oberschlesische Kohlengebiet, Polen) wurden unter der einaxialen Druckbeanspruchung, konventionellen dreiaxialen Druckbeanspruchung und der echten dreiaxialen Druckbeanspruchung geprüft. Konventionelle dreiaxiale Druckversuche wurden bei dem Manteldruck von 12,5 25,0 und 37,5 MPa durchgeführt. Bei den echten dreiaxialen Druckversuchen betrug die kleinste Hauptspannung (s3) 25,0 MPa und mittlere Hauptspannung (s2) war 1,5-, 2- und 2,5-mal höher als s3. Aus den durchgeführten Versuchen ergibt sich, dass der Manteldruck die Dilatanzentwicklung bei den Probekörpern unter der konventionellen dreiaxialen Druckbeanspruchung stark bremst; die Erhöhung des Druckes rief die ansteigende Kompaktion des Gesteinsmaterials hervor. Die Dilatanz wurde auch durch die mittlere Hauptspannung beschränkt. Während die wesentlichen volumetrischen, dilatanten Verformungen der Grenzdifferenzspannung bei den niedrigen mittleren Hauptspannungen entsprachen, bei den hohen mittleren Hauptspannungen wurde das Gesteinsmaterial viel weniger beschädigt. Im Ergebnis war der Scherbruch der Gesteinsproben im Post-Peak-Bereich viel heftiger und mit kräftigen akustischen Effekten verbunden.