Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine

SummaryDetermination of the Post-Failure Behavior of Brittle Rock Using a Servo-Controlled Testing Machine. The use of the servo-controlled testing machine to control fracture when a rock specimen is deformed beyond its peak strength is discussed. This region of deformation can not usually be examined because excess energy released by the loading system produces rapid disintegration of the specimen. In the test method described the energy release is controlled by a high frequency electronic servo-control system acting in combination with a hydraulic system of very short response time. The control causes the excess energy to be withdrawn before it can be released into the disintegrating specimen, by removing pressurized fluid from the hydraulic system.Theoretical considerations reveal that the condition for controlled fracture is determined by the ability of the hydraulic loading system to unload rapidly. This may be expressed in terms of a ‘dynamic stiffness’,Kr, of the hydraulic system. For sufficiently small deformation rates and short servo-control response times the fracture process can be controlled, even though the unloading slope of the stress-strain curve of the rock specimen tends to become infinitely steep.The experimental technique is described in detail and some results obtained in studying the post-failure behavior of Tennessee Marble under uni-axial and bi-axial compression using the new system are presented.ZusammenfassungBestimmung des Verhaltens von sprödem Gestein nach dem Bruch mittels eines servogesteuerten Prüfgerätes. Es wird über ein neues Verfahren berichtet, den Bruch spröden Gesteins zu kontrollieren, nachdem seine maximale Bruchlast überschritten ist. Dieser Bereich ist im allgemeinen der Untersuchung nicht zugänglich, da bei der Verwendung herkömmlicher Belastungs-Maschinen vom Belastungs-System ein Überschuß an Energie frei wird, der für eine explosionsartige Zerstörung des Gesteins verantwortlich ist. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird das Freiwerden der im System gespeicherten Energie durch ein hochfrequentes, elektronisch geregeltes Servo-System in Verbindung mit einer Hydraulik mit kurzer Verzögerungszeit kontrolliert. Es wird dabei der Gesteinsprobe zu jedem Zeitpunkt nur so viel Energie zugeführt wie zur Aufrechterhaltung für den stabilen Bruch notwendig ist.Die theoretische Betrachtung des Systems zeigt, daß die Bedingung für den stabilen Bruch entlang der Post-Failure-Charakteristik durch die Fähigkeit des Belastungs-Systems bestimmt wird, rasch zu entladen. Der Begriff einer ‚dynamischen Steife‘ wird definiert. Für genügend kleine Verformungsgeschwindigkeiten und kurze Verzögerungszeiten des Servo-Systems kann der Bruch auch dann kontrolliert werden, wenn die Neigung der Post-Failure-Kurve sich sehr großen Werten (− ∞) nähert.Der Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung werden beschrieben und es werden einige Post-Failure-Kurven für Tennessee Kalkstein unter einachsiger und zweiachsiger Druckbeanspruchung wiedergegeben, wobei das neue Verfahren verwendet wurde.RésuméDétermination du comportement après la rupture des roches fragiles au moyen d'une machine d'essai asservie. On présente un nouveau système pour contrôler la rupture des roches fragiles lorsque leur limite de rupture est dépassée. En général, il n'est pas possible d'étudier le comportement des roches dans ce domaine. L'emploi d'une machine d'essai traditionnelle libère inévitablement lorsque la limite de rupture est dépassée, un excès d'énergie qui provoque une violente désintégration de la roche. L'appareil, décrit dans cet article, contrôle la libération de l'énergie accumulée dans le système à l'aide d'un servosystème électronique à haute fréquence règlant un mécanisme hydraulique à temps de réponse très court. De cette facon, il est possible de limiter l'énergie transmise à la roche à la quantité nécessaire pour développer une rupture stable.L'analyse théorique du système révèle que la possibilité d'obtention d'une rupture stable, la limite de rupture ayant été dépassée, est déterminée par la rapidité avec laquelle le système hydraulique peut se décharger. Le concept de rigidité dynamique est défini. Si les vitesses de déformation sont petites et si les temps de réponse du servosystème sont courts, il est possible de contrôler la rupture, même lorsque la pente du diagramme effort-déformation tend à devenir infiniment raide, la limite de rupture étant dépassée.Le dispositif expérimental et l'exécution d'un essai sont décrits. Quelques diagrammes complets (y compris la partie descendante) d'un marbre du Tennessee pour les cas de compression simple et de compression double utilisant ce nouveau système sont présentés.