Arch. Min. Sci., Vol. 52 (2007), No 3, p

Arch. Min. Sci., Vol. 52 (27), No 3, p. 371 385 371 PAWEŁ ŁUKASZEWSKI* DEFORMATIONAL PROPERTIES OF FLYSCH SANDSTONES UNDER CONVENTIONAL TRIAXIAL COMPRESSION CONDITIONS WŁASNOŚCI ODKSZTAŁCENIOWE PIASKOWCÓW FLISZOWYCH W WARUNKACH KONWENCJONALNEGO TRÓJOSIOWEGO ŚCISKANIA The process of deformation of flysch sandstones under conditions of conventional triaxial compression is characterised in the paper. Samples of three types of clastic rocks varying in degree of diagenesis and grain-size distribution were tested. The influence of confining pressure on the deformability and ultimate strength of these rocks was investigated. In particular, the influence of confining pressure on critical axial and circumferential strain, Young s modulus, Poisson s ratio, threshold of absolute dilatancy and limit of linearity of the differential stress axial strain characteristic was examined. The results of the research undertaken show that weakly diagenesed clastic rocks of low strength feature high deformability and fine-grained massive clastic rocks of high strength feature low deformability. In addition, the normalised threshold of absolute dilatancy increases with an increase in confining pressure in the case of weakly diagenesed rocks and decreases in the case of massive. Keywords: deformability, flysch sandstones, strength, triaxial compression W artykule scharakteryzowano proces deformacji w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania wybranych piaskowców fliszowych na podstawie charakterystyk naprężenie różnicowe odkształcenie osiowe, obwodowe i objętościowe. Z całego kompleksu skał fliszowych wybrano do badań trzy typy fliszowych skał klastycznych różniące się przede wszystkim uziarnieniem. Typ I stanowiły słabo zdiagenezowane, różnoziarniste skały klastyczne, typ II grubo- i średnioziarniste skały klastyczne, a typ III drobnoziarniste skały klastyczne. Do słabo zdiagenezowanych, różnoziarnistych skał klastycznych zaliczono piaskowce istebniańskie z Woli Komborskiej oraz piaskowce ciężkowickie z Ciężkowic. Pod względem petrograficznym są to arenity, czyli piaskowce, w których udział spoiwa jest poniżej 15%. Do grubo- i średnioziarnistych skał zaliczono piaskowce godulskie z Brennej, piaskowce magurskie z Barcic oraz piaskowce krośnieńskie z Mucharza. Pod względem petrograficznym są to waki, czyli skały, które mają od 2 do 35% spoiwa. * DEPARTMENT OF GEOMECHANICS, FACULTY OF GEOLOGY, UNIVERSITY OF WARSAW, AL. ŻWIRKI I WIGURY 93, 2-89 WARSZAWA, POLAND

372 Do III typu, czyli do drobnoziarnistych skał klastycznych, zaliczono piaskowce cergowskie z Klęczan, piaskowce istebniańskie z Rabego oraz z warstw lgockich piaskowce przechodzące w mułowiec z Targanicy. Badania wytrzymałościowe w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania przeprowadzono w laboratorium Zakładu Geomechaniki Uniwersytetu Warszawskiego za pomocą sztywnej prasy MTS 815 wyposażonej w komorę trójosiową typu MTS 656.5. Były to badania przy ciśnieniach okólnych równych 3, 6 i 9 MPa. Ciśnienia te zadawano ze stałą prędkością równą 3.3 MPa/s. Po zadaniu określonego ciśnienia okólnego próbki skalne obciążano ze stałą prędkością przesuwu tłoka równą,5 mm/min. Na podstawie zależności między naprężeniem różnicowym a odkształceniem osiowym, obwodowym i objętościowym dla każdej badanej próbki wyznaczono parametry przedstawione na rysunku 2. Chcąc w pełni przeanalizować wpływ ciśnienia okólnego na przebieg procesu deformacji wyniki badań w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania uzupełniono o wyniki testów jednoosiowego ściskania. Wyniki testów wytrzymałościowych dla przedstawicieli trzech wydzielonych typów skał klastycznych, czyli dla próbek piaskowców z Ciężkowic, z Mucharza oraz z Klęczan przedstawiono na krzywych naprężenie różnicowe odkształcenie dla kolejnych wartości ciśnienia okólnego (rys. 3-5). Badane fliszowe skały klastyczne wykazują wyraźny wzrost granicznego największego naprężenia głównego wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego (rys. 6). Wzrost ten jest obserwowany zarówno dla trzech wydzielonych typów skał klastycznych, jak i dla wszystkich ośmiu analizowanych odsłonięć. Największą wytrzymałością charakteryzują się drobnoziarniste skały klastyczne (typ III), a najmniejszą słabo zdiagenezowane, różnoziarniste skały klastyczne (typ I). Bardzo ciekawą zależność uzyskano, gdy analizie poddano te same wartości granicznego największego naprężenia głównego i ciśnienia okólnego, ale znormalizowane względem wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie (rys. 7). Największe znormalizowane względem σ C wartości σ 1 na granicy wytrzymałości uzyskano dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, a najmniejsze dla drobnoziarnistych skał klastycznych. Wyniki badań trójosiowych (rys. 7) aproksymowano warunkiem wytrzymałościowym Hoeka i Browna. Wartości występującej w tym warunku stałej empirycznej m wynoszą 12,8 dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, 12, dla grubo- i średnioziarnistych skał klastycznych i 13,3 dla drobnoziarnistych skał klastycznych. Dla badanych skał zaobserwowano również wzrost krytycznego odkształcenia osiowego wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego (rys. 8). Wzrost ten zaobserwowano zarówno dla analizowanych trzech typów skał klastycznych, jak i dla ośmiu pojedynczych odsłonięć. Największe wartości krytycznego odkształcenia osiowego charakterystyczne są dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych, a najmniejsze dla drobnoziarnistych skał klastycznych, tych charakteryzujących się największą wytrzymałością. Podobne zależności uzyskano dla krytycznych odkształceń obwodowych. W warunkach jednoosiowego ściskania (p = MPa) największe wartości znormalizowanego naprężenia różnicowego na granicy liniowości odkształceń osiowych (σ 1 σ 3 ) E /(σ 1 σ 3 ) max uzyskano dla drobnoziarnistych skał klastycznych, a najmniejsze dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych (rys. 1). Po zadaniu ciśnienia do 3 MPa zaobserwowano wyraźny spadek tego parametru dla typu II i III oraz wyraźny wzrost dla typu I. Natomiast wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego z 3 do 9 MPa zaobserwowano już spadek tego parametru dla wszystkich trzech analizowanych typów skał klastycznych. W warunkach jednoosiowego ściskania (p = MPa) największe wartości znormalizowanego naprężenia różnicowego na progu dylatancji właściwej (σ 1 σ 3 ) D /(σ 1 σ 3 ) max uzyskano również dla drobnoziarnistych skał klastycznych, a najmniejsze dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych (rys. 11). Wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego dla drobnoziarnistych skał klastycznych zaobserwowano wyraźny spadek tego parametru, podczas gdy dla słabo zdiagenezowanych skał klastycznych zaobserwowano wyraźny wzrost tego parametru. Dla grubo- i średnioziarnistych skał klastycznych parametr ten wraz ze wzrostem ciśnienia okólnego nie zmienia się. Analiza porównawcza odkształceń osiowych i objętościowych w procesie deformacji skał w warunkach jednoosiowych i w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania (rys. 12) wskazuje, że w zaawansowanym stanie deformacji, szczególnie po przekroczeniu krytycznych wartości naprężeń, proces deformacji przebiega odmiennie. W warunkach jednoosiowych znacznym odkształceniom obwodowym towarzyszy stabilizacja odkształceń osiowych, krzywa zależności pomiędzy odkształceniami objętościowymi i odkształceniami osiowymi opada prawie pionowo tworząc z osią odkształceń osiowych

373 kąt zbliżony do 9 o. W warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania dla p = 9 MPa znacznym odkształceniom obwodowym towarzyszą natomiast tylko nieznacznie mniejsze odkształcenia osiowe, a opadająca krzywa ε V = f(ε a ) nachylona jest pod kątem wynoszącym od 63 dla skał typu III, przez 59 dla skał typu II, po 5 dla skał typu I. Należy jednak zwrócić uwagę, że w odróżnieniu od testów trójosiowych sygnałem sterującym pracą maszyny wytrzymałościowej podczas testów jednoosiowych nie było przemieszczenie tłoka lecz odkształcenie obwodowe próbki skalnej; próby na jednoosiowe ściskanie prowadzone były ze stałą prędkością tego odkształcenia, równą 6 1 5 s 1. Przedstawione wyniki badań wytrzymałościowych klastycznych skał fliszowych, pomimo monotonnego składu petrograficznego analizowanych skał, wykazują stosunkowo duże zróżnicowanie procesu deformacji dla wydzielonych trzech typów skał. Słabo zdiagenezowane, różnoziarniste, porowate skały klastyczne charakteryzujące się niską wytrzymałością cechują się dużą odkształcalnością, a drobnoziarniste masywne skały klastyczne o wysokiej wytrzymałości cechuje z kolei mała odkształcalność. Analizując razem wytrzymałość i odkształcalność analizowanych skał na podstawie zależności między krytycznym naprężeniem różnicowym a krytycznymi odkształceniami osiowymi i objętościowymi (rys. 13) wyraźnie widać wpływ stopnia diagenezy i uziarnienia na uzyskane wyniki. Dla trzech analizowanych typów skał uzyskano wyraźne współkształtne zależności o charakterze logarytmicznym. Analizując wyniki dla danego pojedynczego ciśnienia okólnego wyraźnie również widać, że dla skał typu I duże odkształcenia odpowiadają małym wytrzymałościom, podczas gdy dla skał typu III mniejszym odkształceniom odpowiadają z kolei większe wytrzymałości. Słowa kluczowe: odkształcalność, piaskowce fliszowe, trójosiowe ściskanie, wytrzymałość 1. Introduction After joining the European Union, a revival of road construction is expected in Poland due to the necessity to construct many kilometres of express roads and motorways. In the south of Poland these roads will go through landslide-endangered areas of the Outer Flysch Carpathians. The flysch formations are composed of alternating layers of sedimentary rocks of marine origin, namely sandstones, mudstones and claystones, and rarely cherts and marles. In the flysch basin of the Outer Carpathians, sedimentation of mainly fine-grained sediments took place. These are claystones and mudstones that occur first of all in the lithological profiles of drillings. On the surface, however, there are outcrops of sandstones that are more resistant to weathering. And only these rocks i.e. the sandstones were the material tested in the present studies. Gaining knowledge about the deformational properties of these rocks, in particular under triaxial state of stresses, is of crucial importance when designing roads and motorways that will go through landslide-endangered areas as well as designing and building road tunnels through the Carpathian Mountains. The process of deformation of three different petrographic varieties of flysch sandstones under conventional triaxial compression conditions will be described in the paper based on the analysis of differential stress axial, circumferential and volumetric strain characteristics. In addition to values of critical strains, i.e. strains at strength failure, values of stress at the threshold of absolute dilatancy and at the limit of linearity of differential stress axial strain characteristic as well as values of the Young s modulus and the Poisson s ratio will be discussed in detail.

374 2. Geological characteristics of the rocks tested The subjects of analysis were flysch sandstones with differentiated grain-size distribution. According to Gradziński (1986), in a widespread, thick and relatively monotonic complex of flysch sediments, there is a large horizontal and vertical variability of rock material. In the entire complex of flysch rocks, three general types of clastic rocks, differing first of all in grain-size distribution, can be distinguished. These are as follows: type I weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks, type II coarse- and mediumgrained clastic rocks and type III. The istebnian sandstones from Wola Komborska and the ciezkowician sandstones from Ciężkowice were included with the weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks. In the petrographic sense these are arenites, that is sandstones that have a matrix share less than 15%. Rocks of this type are typical for flysch sediments. In particular, the sandstones from Wola Komborska show very non-uniform grain-size distribution, where single grains of a coarse-grained fraction are sealed in a fine-grained mass. However, rock material taken from a quarry in Ciężkowice is fine- and coarse-grained sandstone changing into a fine-grained conglomerate where big grains float in a fine-grained mass. Coarse- and medium-grained rocks include: the godulskian sandstones from Brenna, the magurskian sandstones from Barcice and the krosnienskian sandstones from Mucharz. When analysing grain-size distribution in detail these are: coarse- and medium-grained sandstones from Brenna; medium-grained sandstones from Męcina where single coarse grains are sealed in a medium-grained mass; medium-grained sandstones from Mucharz. In the petrographic sense, coarse- and medium-grained sandstones are wackes, that is rocks with a matrix content of 2-35%. Rocks of type III, that is, include: the cergowskian sandstones from Klęczany, the istebnian sandstones from Rabe and the sandstones from the lgockian layers changing into mudstone from Targanica. In the petrographic sense the lgockian sandstones from Targanica are at the boundary between wackes and mudstones. This is proved by a quantity of matrix amounting to app. 7%. This can be similarly said about sandstones from Klęczany, which in fact contain 53% of matrix according to petrographic analyses, but in a microscopic image one can notice it is fine-grained sandstone changing into mudstone. A third sandstone included in clearly stands out from these two sandstones. It is a fine-grained quartzitic sandstone from Rabe with strongly marked compaction and with a very small quantity (5%) of silica matrix that proves it is not wacke as it was in two previous sandstones but it is arenite. In total, rock material was taken from 8 quarries. Their location is shown against a background of the tectonic units of the Carpathian Mountains in Figure 1. Differentiated grain-size distribution is reflected in the physico-mechanical properties of the rocks tested that are listed in Table 1.

375 Basic physico-mechanical parameters of the tested rocks Podstawowe parametry fizyko-mechaniczne badanych skał TABLE 1 TABLICA 1 Bulk density Longitudinal Uniaxial compressive Porosity Type of rock wave velocity strength [Mg/m 3 ] [m/s] [MPa] [%] Weakly diagenesed and vari-grained clastic rocks 2.22 2.23 166 243 69 88 12 16 Coarse and mediumgrained clastic rocks 2.41 2.66 272 381 114 18 2.3 9.2 Fine-grained clastic rocks 2.46 2.68 38 538 174 269.7 7. Fig. 1. Location of the analysed rock exposures against a background of the tectonic units of the Carpathian Mountains (Poprada & Nemcok, 1988-1989) Rys. 1. Lokalizacja analizowanych odsłonięć na tle jednostek tektonicznych Karpat (Poprada i Nemcok, 1988-1989) 3. Testing apparatus and procedure Conventional triaxial compression tests were carried out at the laboratory of the Department of Geomechanics of Warsaw University using a stiff testing machine MTS 815. The machine is equipped with a triaxial chamber of the MTS 656.5 type where cylindrical rock samples can be loaded at confining pressures up to 14 MPa. Inside the chamber there is a load cell installed that measures the axial force acting on the rock sample; it is not sensitive to the confining pressure applied to the sample. Rock samples with a slenderness ratio of 2. were set amongst special steel end pieces and covered

376 with a heat-shrinkable jacket. Two special extensometers, used to measure axial strain and circumferential strain, were then installed on the samples. During the first stage of the conventional triaxial compression tests, confining pressure was raised inside the triaxial chamber to the required level and in the second stage the samples were loaded axially until faulting occurred. The samples were tested under three different confining pressures: 3, 6 and 9 MPa. These pressures were applied at constant rate of 3.3 MPa/s. After applying the given confining pressure, the rock samples were subjected to loading at a constant piston displacement rate of.5 mm/min. During tests, the axial load, confining pressure, piston displacement as well as axial and circumferential strain were measured using suitable sensors. Volumetric strain was calculated on the basis of measured axial and circumferential strains using the formula: where ε V volumetric strain, ε a axial strain, ε c circumferential strain. ε V = ε a + 2ε c (1) On the basis of the relationship between the differential stress and the axial, circumferential and volumetric strain, values of the following parameters were determined for every sample tested: maximum differential stress (σ 1 σ 3 ) max, critical axial strain ε a cr, critical circumferential strain ε c cr, Young s modulus E, Poisson s ratio ν, threshold of absolute dilatancy (σ 1 σ 3 ) D and limit of linearity of differential stress axial strain characteristic (σ 1 σ 3 ) E (Fig. 2). In order to fully analyse the influence of confining pressure on the deformation process of the rocks tested, the results of uniaxial compression tests were added to the results of experiments carried out under conventional triaxial compression conditions. 4. Test results The results of uniaxial compression and conventional triaxial compression tests on samples of sandstones from Ciężkowice, Mucharz and Klęczany that represented three separate clastic rock types, are shown in the form of the differential stress strain curves in Figures 3 5. When analysing the obtained family of deformation curves, it can be noticed that increasing the confining pressure causes an increase in the vertical and horizontal range of the curves and their shape. In general, an increase in confining pressure causes an increase in compressive strength and slope of the ascending branch of stress strain curve and decrease in stress drop after failure. A visible increase of critical values of axial and circumferential strains and Poisson s ratio can also be seen.

377 5 4 ( 1 3 ) max Differential stress ( 1 3 ) [MPa] 3 2 1 ( 1 3 ) D ( 1 3 ) E E ccr -1.5-1. -.5.5 1. 1.5 2. Strain [%] axial a circumferential c volumetric v Fig. 2. Scheme of method of determination of the analysed parameters Rys. 2. Schemat wyznaczania analizowanych parametrów acr 35 p =9MPa 3 Differential stress ( 1 3 ) [MPa] 25 2 15 1 5 p =6MPa p =3MPa p = MPa -3-2 -1 1 2 3 Strain [%] axial a circumferential c volumetric v Fig. 3. Typical differential stress strain characteristics for different confining pressures for a weakly diagenesed and vari-grained Ciężkowice sandstone Rys. 3. Krzywe naprężenie różnicowe odkształcenie przy różnych ciśnieniach okólnych dla słabo zdiagenezowanego, różnoziarnistego piaskowca z Ciężkowic

378 5 p =9MPa 4 Differential stress ( 1 3 ) [MPa] 3 2 1 p =6MPa p =3MPa p = MPa -2-1 1 2 3 Strain [%] axial a circumferential c volumetric v Fig. 4. Typical differential stress strain characteristics for different confining pressures for a medium-grained Mucharz sandstone Rys. 4. Krzywe naprężenie różnicowe odkształcenie przy różnych ciśnieniach okólnych dla średnioziarnistego piaskowca z Mucharza When analysing the differential stress axial strain characteristics for weakly diagenesed rocks (type I), it can be clearly seen that these rocks deform in a transitional manner (T) according to Mogi (1972), and rocks of type II and type III behave in a brittle manner (B). The flysch clastic rocks tested show a visible increase in the limiting major principal stress along with increase in confining pressure (Fig. 6). This increase was noted for all three types of clastic rocks and for all eight rock exposures investigated. The highest strength was observed for (type III) and the lowest for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks (type I). A very interesting relationship was revealed when analysing the same values of limiting major principal stress (σ 1 ) and confining pressure (σ 3 ) which, however, were normalised against the uniaxial compressive strength (σ C ) (Fig. 7). The highest values of σ 1 /σ C were obtained for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks from Ciężkowice and Wola Komborska and the lowest for from Klęczany, Targanica and Rabe. Intermediate values were obtained for coarse- and medium-grained clastic rocks from Brenna, Męcina and Mucharz. All the data σ 1 /σ C = f (σ 3 /σ C ) shown

379 6 p =9MPa 5 Differential stress ( 1 3 ) [MPa] 4 3 2 1 p =6MPa p =3MPa p = MPa -3-2 -1 1 2 3 Strain [%] axial a circumferential c volumetric v Fig. 5. Typical differential stress strain characteristics for different confining pressures for a fine-grained Klęczany sandstone Rys. 5. Krzywe naprężenie różnicowe odkształcenie przy różnych ciśnieniach okólnych dla drobnoziarnistego piaskowca z Klęczan 8 Axial stress 1 [MPa] 6 4 2 weakly diagenesed and vari-grained clastic rocks coarse- and medium-grained clastic rocks 3 6 9 Fig. 6. Relationship between the limiting major principal stress and confining pressure Rys. 6. Zależność pomiędzy granicznym największym naprężeniem głównym a ciśnieniem okólnym

38 in Figure 7 were fitted using the Hoek and Brown strength criterion. As a result, the following values of the empirical parameter m were determined: 12.8 for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks, 12. for coarse- and medium-grained clastic rocks and 13.3 for fine-grained ones. These values are within a wide range of 1.5-5. given by Kwaśniewski (22) for sandstones and are a bit smaller than those proposed by Hoek and Brown (1997). 6 5 4 1 / c 3 2 weakly diagenesed and vari-grained clastic recks 1 coarse- and medium-grained clastic ricks..2.4.5.8 1. 1.2 3 / c Fig. 7. Conventional triaxial compression test results normalised against ultimate uniaxial compressive strength Rys. 7. Znormalizowana względem wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie zależność granicznego największego naprężenia głównego od ciśnienia okólnego For the rocks tested, an increase in critical axial strain when confining pressure was increased was observed as well. The increase (Fig. 8) is noticeable for all three types of rocks analysed and the eight single exposures. The highest values of critical axial strain are typical for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks and the lowest for, these featuring the highest strength. Similarly, an increase in critical circumferential strain along with an increase in confining pressure was observed for all three types of rocks tested and the eight single exposures. However, for weakly diagenesed, vari-grained rocks this increase is much smaller than for the other two rock types. Despite the fact that for uniaxial conditions (p = MPa) the highest values of ε c cr are typical for weakly diagenesed clastic rocks (type I) and the lowest for (type III), for p = 9 MPa the lowest values of ε c cr were obtained for both type I and III.

381 Axial strain a [%] 3. 2.5 2. 1.5 weakly diagenesed and vari-grained clastic recks coarse- and medium-grained clastic ricks 1..5 Circumferential strain c [%]. 3 6 9 -.5-1. -1.5-2. Fig. 8. Relationship between the critical axial and circumferential strain and confining pressure Rys. 8. Zależność pomiędzy krytycznym odkształceniem osiowym i obwodowym a ciśnieniem okólnym The highest values of Young s modulus (Fig. 9) were obtained for fine-grained clastic rocks and the lowest for weakly diagenesed, vari-grained rocks. When applying confining pressure up to 3 MPa, a visible increase in E value for all three types of clastic rocks and for the eight exposures was observed. However, along with an increase in confining pressure from 3 to 9 MPa, the values of the modulus do not change in general and are stable for a given type of clastic rocks. For individual exposures in this range of confining pressures, however, a slight increase of modulus values can be observed with an increase in confining pressure. As for the rocks analysed, it was difficult to notice any general trends of changes in the Poisson s ratio when confining pressure was increased. The fact that in uniaxial conditions (p = MPa) the rocks tested feature a wide enough range of variability of the ratio from.11 to.4 can be seen. Weakly diagenesed rocks are characterised by the highest Poisson s ratio, while for fine-grained rocks this ratio assumes the lowest values. When increasing pressure, a decreasing range of ν values for all the rocks tested was observed; at p = 9 MPa these values ranged between.25 and.4. In the case of samples of type I rocks, while increasing confining pressure values of the Poisson s ratio initially decreased, then oscillated around a constant level, whereas

382 for the samples of type III, an increase in ν values was observed first and later these values oscillated around a constant level. Constant values of the Poisson s ratio, ranging from.22 to.33 are, however, characteristic for samples of type II. 7 Young s modulus E [GPa] 6 5 4 3 2 coarse- and medium-grained clastic ricks 1 weakly diagenesed and vari-grained clastic recks 3 6 9 Fig. 9. Relationship between Young s modulus and confining pressure Rys. 9. Zależność pomiędzy modułem Younga i ciśnieniem okólnym To analyse the last two parameters more easily (the threshold of absolute dilatancy (σ 1 σ 3 ) D and the limit of linearity of differential stress axial strain characteristic (σ 1 σ 3 ) E ), they were normalised against the maximum differential stress (σ 1 σ 3 ) max and expressed as percents. Under uniaxial compression conditions (p = MPa), the highest values of the normalised limit of linearity (σ 1 σ 3 ) E /(σ 1 σ 3 ) max (Fig. 1) were obtained for fine-grained clastic rocks and the lowest for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks. While increasing pressure to 3 MPa, a visible decrease of this parameter for rocks of type II and III and a visible increase for rocks of type I were observed. However, with a further increase in confining pressure up to 9 MPa, a decrease of this parameter for all three types of clastic rocks tested was observed. Under uniaxial conditions, the highest values of the normalised threshold of absolute dilatancy (σ 1 σ 3 ) D /(σ 1 σ 3 ) max (Fig. 11) were also obtained for fine-grained clastic rocks and the lowest for weakly diagenesed, vari-grained clastic rocks. With an increase in confining pressure, a visible decrease in the normalised threshold of dilatancy was observed in the case of, whereas weakly diagenesed clastic rocks show a visible increase of this characteristic stress level. For coarse- and medium-grained clastic rocks, this parameter along with an increase in confining pressure do not change and remains at a constant level, typical for these rocks. However, it can

383 ( 1 3 ) E /( 1 3 ) max [%] 1 8 6 4 2 a) b) c) weakly diagenesed and vari-grained clastic recks 3 6 9 1 8 6 4 2 coarse- and medium-grained clastic ricks 3 6 9 1 8 6 4 2 3 6 9 Fig. 1. Relationship between (σ 1 σ 3 ) E /(σ 1 σ 3 ) max and confining pressure Rys. 1. Zależność pomiędzy (σ 1 σ 3 ) E /(σ 1 σ 3 ) max a ciśnieniem okólnym ( 1 3 ) D /( 1 3 ) max [%] a) b) c) weakly diagenesed and 1 vari-grained clastic recks 8 6 4 2 3 6 9 coarse- and 1 medium-grained clastic ricks 8 6 4 2 3 6 9 1 8 6 4 2 3 6 9 Fig. 11. Relationship between (σ 1 σ 3 ) D /(σ 1 σ 3 ) max and confining pressure Rys. 11. Zależność pomiędzy (σ 1 σ 3 ) D /(σ 1 σ 3 ) max a ciśnieniem okólnym be observed that for single exposures of rocks of type II, the parameter increases when pressure increases, similarly to the case of rocks of type I. A comparative analysis of axial and volumetric strains in the process of rock deformation under uniaxial compression and conventional triaxial compression shows that in an advanced state of deformation the process of deformation progresses differently (Fig. 12), especially when critical stress values are exceeded. Under uniaxial conditions, considerable circumferential strains are accompanied by axial strain stabilisation. The curve of the relationship between volumetric strain and axial strain drops almost vertically and along with the axis of axial strain creates an angle close to 9. It should be noted, however, that contrary to triaxial tests the circumferential strain and not the piston displacement was controlled as an independent variable in the testing system in the uniaxial compression tests; the circumferential strain rate during these tests was constant, equal to 6 1 5 s 1. Under conditions of triaxial compression, when p = 9 MPa, considerable circumferential strains are accompanied by a slightly smaller axial strain. The falling branches of ε V = f (ε a ) curves in Figure 12 are inclined at an angle varying from 63 for type III,

384 through 59 for type II to 5 for type I of the rocks tested. In general, it can be concluded that the higher the confining pressure, the lower the values of the dilatancy angle..5 p = MPa.5 p =9MPa v [%]...2.4.6.8 1. 1.2.5 1. 1.5 2. 2.5 3. -.5 -.5 a [%] a [%] -1. -1. coarse- and medium-grained clastic ricks weakly diagenesed and vari-grained clastic recks Fig. 12. Relationship between volumetric strain and axial strain Rys. 12. Zależność pomiędzy odkształceniem objętościowym a odkształceniem osiowym 5. Summary The presented results of studies on the mechanical behaviour of flysch clastic rocks show that despite the monotonic petrographic content of the rocks tested, there is a relatively large variability in the deformational properties of the three different types of rocks. Weakly diagenesed, vari-grained, porous clastic rocks featuring low strength have high deformability. On the other hand, fine-grained massive clastic rocks with a high strength have low deformability. It is also interesting that increasing confining pressure causes an increase in the values of the normalised threshold of absolute dilatancy of weakly diagenesed clastic rocks and a decrease in this characteristic stress level in the case of massive,. When examining the strength and deformability of the analysed rocks together, the effect of the degree of diagenesis and grain-size distribution on reported results when studying the relationship between critical or limiting differential stress and critical axial and volumetric strains can be clearly seen (Fig. 13). For all three types of rocks tested, similarly shaped curves of a logarithmic character were obtained. Analysis for a given single confining pressure shows that for rocks of type I great strains at failure are related to low strength whereas for rocks of type III small strains correspond to higher strengths.

385 Differential stress ( 1 3 ) [MPa] p =9MPa p =3MPa p =6MPa 5 p =3MPa p =6MPa p =9MPa weakly diagenesed and p = MPa p = MPa vari-grained clastic recks -2. -1.5-1. -.5.5 1. 1.5 2. 2.5 3. Circumferential strain c [%] 7 6 4 3 2 1 Axial strain a [%] coarse- and medium-grained clastic ricks Fig. 13. Relationship between differential stress and axial and circumferential strain for different confining pressures for the analysed clastic rocks Rys. 13. Zależność pomiędzy naprężeniem różnicowym i odkształceniem osiowym i obwodowym przy różnych ciśnieniach okólnych dla analizowanych skał klastycznych REFERENCES Gradziński R., 1986. Zarys sedymentologii. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 628 p. Hoek E., Brown E.T., 1997. Practical estimates of rock mass strength. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 34, No. 8, 1165-1186. Kwaśniewski M., 22. Behavior of iso- and anisotropic rocks under triaxial compression conditions. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Górnictwo, No. 247: 47 p. (in Polish) Mogi K., 1972. Fracture and flow of rocks. Tectonophysics, Vol. 13, 541-568. Poprawa D., Nemcok J., 1988-1989. Geological Atlas of the Western Outer Carpathians and their Foreland. PIG, Warszawa. Received: 19 June 27