Studio sperimentale della permeabilità in rocce carbonatiche fratturate: interazione fluido-roccia ed evoluzione temporale in prove a lungo termine

The study of fluid flow through fractured rocks is relevant to several fields of civil engineering, geotechnics, and applied geology, since fractures can significantly control fluid circulation when the rock matrix is characterized by low permeability. This thesis experimentally investigates the evolution of fracture permeability in carbonate rock samples containing a single fracture generated by means of a Brazilian test, with particular attention to the effects of pressure conditions, loading history, and fluid-rock interaction. Three experimental tests, referred to as EX9, EX10, and EX12, were analysed. Tests EX10 and EX12 were used to investigate the hydraulic response of the fracture under varying confining and pore pressure conditions. In particular, EX12 allowed the effective pressure coefficient alpha to be experimentally determined, yielding an average value of 0.820 ± 0.018. Test EX9, with a cumulative acquisition time of approximately 1539 hours, was instead used to investigate the long-term evolution of permeability under substantially constant pressure conditions, combining hydraulic measurements with ICP-MS chemical analyses and microtomographic observations. The results show a clear dependence of permeability on pressure conditions and previous loading history, with hysteresis and a partially irreversible hydraulic response. During the long-term experiment, a progressive decrease in permeability was also observed, together with local variations in the hydraulic response. Overall, the results indicate that fracture permeability is governed by the coupled interaction of mechanical, hydraulic, and chemical processes and should therefore not be regarded as a constant property, but as a parameter that evolves over time and in response to changing experimental conditions.

Lo studio del flusso attraverso le rocce fratturate riveste un ruolo importante in diversi ambiti dell’ingegneria civile, della geotecnica e della geologia applicata, poiché, in presenza di una matrice a bassa permeabilità, le fratture possono controllare in modo significativo la circolazione dei fluidi. Il presente lavoro analizza sperimentalmente l’evoluzione della permeabilità di fratture generate mediante prova brasiliana in campioni di roccia carbonatica, con particolare attenzione agli effetti delle condizioni di pressione, della storia di carico e dell’interazione fluido-roccia. Sono state considerate tre prove sperimentali, denominate EX9, EX10 ed EX12. Le prove EX10 ed EX12 hanno permesso di studiare la risposta idraulica della frattura al variare della pressione di confinamento e della pressione di poro. In particolare, EX12 è stata utilizzata per determinare sperimentalmente il coefficiente di pressione efficace alfa, ottenendo un valore medio pari a 0,820 ± 0,018. La prova EX9, della durata cumulativa di circa 1539 ore, ha invece consentito di analizzare l’evoluzione della permeabilità durante una percolazione prolungata in condizioni di pressione sostanzialmente costanti, integrando i risultati idraulici con analisi chimiche ICP-MS e osservazioni microtomografiche. I risultati mostrano una marcata dipendenza della permeabilità dalle condizioni di pressione e dalla precedente storia di carico, con fenomeni di isteresi e risposta non completamente reversibile. Durante la prova di lunga durata è stata inoltre osservata una progressiva diminuzione della permeabilità, accompagnata da variazioni locali della risposta idraulica. Nel complesso, il comportamento della frattura risulta determinato dall’interazione tra processi meccanici, idraulici e chimici, evidenziando come la permeabilità non possa essere considerata una proprietà costante, ma una grandezza che evolve nel tempo e al variare delle condizioni sperimentali.