Reliable and inexpensive methods of in-situ stress measurement have been sought for more than 40 years. A number of non-destructive core-based methods of in-situ stress determination are currently available, among which Deformation Rate Analysis ' DRA ' and Acoustic Emissions ' AE ' method have the most promising potential due to their ability to measure stress as opposed to strain, which is measured by strain recovery techniques. The DRA and AE method are similar in their utilisation of a phenomenon termed Kaiser effect in the case of AE and deformation memory effect in the case of DRA. The KE/DME is defined as a recollection of a maximum stress a rock core had been subjected prior to its retrieval from the in-situ environment. The physical nature of this phenomenon has not however been universally established. In this study, interaction of microcracks as the most probable cause of the KE/DME, was investigated. To reproduce the damage that occurs to rock at the micro level, a discrete element modelling code was required, which enabled dynamic failure propagation to be modelled. Commercially available code PFC [ superscript 2D ] was found to be suitable for this purpose due to its ability to explicitly model mechanical damage in rocks. The numerical model was based on a real prototype - a sandstone rock core, which had also been previously subjected to the DRA. Although the bulk of the numerical tests were conducted on intact rock models, it was found that changes in the lithology and introduction of discontinuities did not have significant effect on the DME. Influence of the confining stress on the DME was confirmed. It was assumed that only the highest historical stress could be determined reliably using the DRA technique. The ability of the numerical model to reproduce the DME was validated. The link between the DME and development of microcracks was established. The results of the study encourage further use of the code for understanding the micromechanical behaviour of rocks under loading. / Thesis (M.Eng.Sc.)--Australian School of Petroleum, 2004.

The thesis is motivated by the goal of doing initial investigation and experimentation for the development of Weigh-in-Motion (WIM) system using acoustic emission phenomenon. A great deal of research is going on for measuring the weight of moving vehicles. Weigh-in-motion of commercial vehicles is essential for management of freight traffic, highway infrastructure design and maintenance, and monitoring of heavy weight vehicles. The research work presents a methodology for correlating the weight of a moving vehicle with acoustic emission parameters (such as counts and energy). Furthermore, the correlation between the speed of vehicle with the acoustic emission parameters is developed. Preliminary analysis and experimentations were conducted for the study of propagation of acoustic signals in plate like structure and effect of dynamic loadings on Kaiser Effect. Initial testing revealed that there is a linear correlation between the impact force and the acoustic emission parameters. Also a polynomial regression of second order was found between the speed of vehicle and acoustic emission parameters. Road testing was conducted to investigate the correlation between weight of the vehicle and acoustic emission parameters. A linear relation was found between the weight of vehicle and acoustic emission parameters represented by counts, signal energy and absolute energy.

Estudos experimentais realizados por alguns autores abordaram os mecanismos de deformação nas gipsitas, tais como o fluxo plástico e a dissolução por pressão. Ainda assim, é pequeno o conhecimento do comportamento mecânico das rochas de gipso. Nesta tese foram estudados os mecanismos de deformação lenta em gipsitas bandadas da Formação Santana da Chapada de Araripe com uso da técnica de emissão acústica. Adotou-se este procedimento como técnica indireta de detecção do processo de microfissuramento, para evitar mudanças que ocorrem na microestrutura durante seu descarregamento e preparação de amostras para sua observação por técnicas diretas. Realizaram-se ensaios de fluência de curto e longo prazo numa prensa hidráulica servocontrolada MTS 815 e em conjunto modulares (torres individuais) em um laboratório de fluência especialmente equipado. Encontrou-se que o mecanismo do microfissuramento está fortemente influenciado por processos de cicatrização durante ensaios de fluência de longo prazo. Devido ao processo de cicatrização da microfissura, a fluência terciaria nunca foi alcançada, mesmo em corpos de prova carregados com até 95% da resistência à compressão uniaxial. Nesta tese outros resultados importantes foram alcançados como: identificar que o fenômeno de microfissuramento para a rocha em questão é detectado por fenômenos de emissão acústica de freqüências intermediárias (de 100 a 400 kHz) e constatar que o efeito Kaiser se manifesta neste tipo de rochas de modo inequívoco para solicitações rápidas, enquanto após ensaios de fluência de longa duração, não mais se manifesta, por causa da cicatrização. Ou seja, corpos de prova submetidos mais uma vez à compressão uniaxial após o descarregamento, voltam a apresentar eventos de emissão acústica e, conseqüentemente, a geração de novas microfissuras. Este fato somente pode ser explicado por um processo de cicatrização da microfissura durante a fluência de longo prazo. Esta cicatrização, devido a fenômenos físico-químicos, apresentou outros indícios como um aumento no módulo de elasticidade após ensaios de fluência, quando comparado aos valores antes do ensaio, e mesmo um endurecimento (aumento da resistência à compressão uniaxial) também após a fluência. Esclareceu-se também de modo inequívoco que o descarregamento provoca o progresso do microfissuramento. Além dos sinais característicos do microfissuramento, constatou-se que o módulo de elasticidade, medido nos mesmos níveis de tensão, é mais alto antes que depois do descarregamento. O decréscimo de rigidez é indício do processo de dano por microfissuramento. / Experimental studies by several authors have shown some of the key deformation mechanisms in gypsum, such as plastic flow and pressure dissolution. Even so, there is still sparse knowledge about the mechanical behavior of natural gypsum rocks. Creep mechanisms of the banded gypsum rock of Santana Formation from the Chapada do Araripe (Santana Formation) in creep tests were studied with acoustic emission technique correlating the stress levels related to microcracking to the energy release associated with these mechanisms. This procedure was adopted as an indirect technique of detection of the microcracking process, to prevent changes that occur in the microstructure during unloading and in sample preparation for its observations with direct techniques. Short and long-term creep tests were carried out in an MTS 815 servo-controlled testing system and in modular sets (single towers) in a specially equipped creep laboratory. It was found that the microcrack mechanism is strongly influenced by healing processes during long-term creep. Due to the microcrack healing process, tertiary creep was never reached, even in specimens loaded with up to 95% of the uniaxial compressive strength. In this thesis other important results were reached as: to identify that the microcracking phenomenon for the rock in question is detected by acoustic emission phenomena of intermediate frequencies (from 100 to 400 kHz) and to evidence that the Kaiser effect unequivocally manifests in this type of rock when subjected to quick loads, while after long-term creep tests, it is no longer evidenced on account of healing. In other words, the specimens subjected once again to uniaxial compression after unloading, again show acoustic emission events and therefore the generation of new microcracks. This fact can only be explained by a microcrack healing process during long-term creep. This healing, due to physical-chemical phenomena, presented other indications as an increase in the modulus of elasticity after creep tests, when compared to the values before the test, and even a hardening (increase of the uniaxial compressive strength) also after the creep. It was also clarified in unequivocal way that the unloading provokes microcracking progress. In addition to the microcracking characteristic indications, it was found that the modulus of elasticity, when measured at the same stress levels, is higher before unloading than after the unloading. The stiffness decrease is indication of the microcracking damage process.

Estudos experimentais realizados por alguns autores abordaram os mecanismos de deformação nas gipsitas, tais como o fluxo plástico e a dissolução por pressão. Ainda assim, é pequeno o conhecimento do comportamento mecânico das rochas de gipso. Nesta tese foram estudados os mecanismos de deformação lenta em gipsitas bandadas da Formação Santana da Chapada de Araripe com uso da técnica de emissão acústica. Adotou-se este procedimento como técnica indireta de detecção do processo de microfissuramento, para evitar mudanças que ocorrem na microestrutura durante seu descarregamento e preparação de amostras para sua observação por técnicas diretas. Realizaram-se ensaios de fluência de curto e longo prazo numa prensa hidráulica servocontrolada MTS 815 e em conjunto modulares (torres individuais) em um laboratório de fluência especialmente equipado. Encontrou-se que o mecanismo do microfissuramento está fortemente influenciado por processos de cicatrização durante ensaios de fluência de longo prazo. Devido ao processo de cicatrização da microfissura, a fluência terciaria nunca foi alcançada, mesmo em corpos de prova carregados com até 95% da resistência à compressão uniaxial. Nesta tese outros resultados importantes foram alcançados como: identificar que o fenômeno de microfissuramento para a rocha em questão é detectado por fenômenos de emissão acústica de freqüências intermediárias (de 100 a 400 kHz) e constatar que o efeito Kaiser se manifesta neste tipo de rochas de modo inequívoco para solicitações rápidas, enquanto após ensaios de fluência de longa duração, não mais se manifesta, por causa da cicatrização. Ou seja, corpos de prova submetidos mais uma vez à compressão uniaxial após o descarregamento, voltam a apresentar eventos de emissão acústica e, conseqüentemente, a geração de novas microfissuras. Este fato somente pode ser explicado por um processo de cicatrização da microfissura durante a fluência de longo prazo. Esta cicatrização, devido a fenômenos físico-químicos, apresentou outros indícios como um aumento no módulo de elasticidade após ensaios de fluência, quando comparado aos valores antes do ensaio, e mesmo um endurecimento (aumento da resistência à compressão uniaxial) também após a fluência. Esclareceu-se também de modo inequívoco que o descarregamento provoca o progresso do microfissuramento. Além dos sinais característicos do microfissuramento, constatou-se que o módulo de elasticidade, medido nos mesmos níveis de tensão, é mais alto antes que depois do descarregamento. O decréscimo de rigidez é indício do processo de dano por microfissuramento. / Experimental studies by several authors have shown some of the key deformation mechanisms in gypsum, such as plastic flow and pressure dissolution. Even so, there is still sparse knowledge about the mechanical behavior of natural gypsum rocks. Creep mechanisms of the banded gypsum rock of Santana Formation from the Chapada do Araripe (Santana Formation) in creep tests were studied with acoustic emission technique correlating the stress levels related to microcracking to the energy release associated with these mechanisms. This procedure was adopted as an indirect technique of detection of the microcracking process, to prevent changes that occur in the microstructure during unloading and in sample preparation for its observations with direct techniques. Short and long-term creep tests were carried out in an MTS 815 servo-controlled testing system and in modular sets (single towers) in a specially equipped creep laboratory. It was found that the microcrack mechanism is strongly influenced by healing processes during long-term creep. Due to the microcrack healing process, tertiary creep was never reached, even in specimens loaded with up to 95% of the uniaxial compressive strength. In this thesis other important results were reached as: to identify that the microcracking phenomenon for the rock in question is detected by acoustic emission phenomena of intermediate frequencies (from 100 to 400 kHz) and to evidence that the Kaiser effect unequivocally manifests in this type of rock when subjected to quick loads, while after long-term creep tests, it is no longer evidenced on account of healing. In other words, the specimens subjected once again to uniaxial compression after unloading, again show acoustic emission events and therefore the generation of new microcracks. This fact can only be explained by a microcrack healing process during long-term creep. This healing, due to physical-chemical phenomena, presented other indications as an increase in the modulus of elasticity after creep tests, when compared to the values before the test, and even a hardening (increase of the uniaxial compressive strength) also after the creep. It was also clarified in unequivocal way that the unloading provokes microcracking progress. In addition to the microcracking characteristic indications, it was found that the modulus of elasticity, when measured at the same stress levels, is higher before unloading than after the unloading. The stiffness decrease is indication of the microcracking damage process.