A number of specimens made of gypsum with three and 16 flaws have been prepared and tested in compression. Results from these experiments are compared with observations from similar specimens with two flaws. The comparisons indicate that the cracking pattern observed in specimens with multiple flaws is analogous to the pattern obtained in specimens with two flaws. Two types of cracks initiate from the tips of the flaws: wing cracks and secondary cracks. Wing cracks are tensile cracks that initiate at an angle with the flaw and propagate in a stable manner towards the direction of maximum compression. Secondary cracks are shear cracks that initially propagate along their own plane in a stable manner. Two types of secondary cracks are possible: coplanar or quasi-coplanar, and oblique. As the load is increased, wing cracks propagate in a stable manner and secondary cracks may propagate in an unstable manner and produce coalescence, which occurs when two flaws are linked together. Nine types of coalescence have been observed, and each type is characteristic of a particular flaw geometry. The stresses at which wing and secondary cracks initiate and coalescence occurs strongly depend on the geometry of the flaws and on the number of the flaws; as the flaw inclination angle increases, the spacing increases, or the number of flaws decreases, initiation and coalescence stresses increase.

A comparison is presented between experimental observations made from gypsum specimens loaded in uniaxial compression, with open and closed flaws. Three types of cracks are observed: wing cracks, coplanar and oblique secondary cracks. Wing cracks are tensile cracks that initiate at or near the tip of the flaws, are stable, and propagate towards the direction of maximum compression. Secondary cracks are shear cracks; they are initially stable and may become unstable near coalescence. Coalescence is produced by the linkage of two flaws by a combination of wing and secondary cracks. When coalescence occurs through wing cracks or a combination of wing and secondary cracks, the process is stable. When coalescence occurs through secondary cracks only, the phenomenon is unstable. Eight types of coalescence have been identified, which apply to specimens with open and closed flaws. The types of coalescence are classified based on the types of cracks that produce linkage, and are closely related to the orientation, spacing, and continuity of the flaws. Interestingly, coalescence produced through the linkage of shear cracks only occurs at higher stress than coalescence produced by a combination of shear and wing cracks. The smallest coalescence stress occurs when produced only by wing cracks. The main difference between experimental results from open and closed flaws is that initiation stresses and coalescence are higher for closed than for open flaws. This is explained by the friction along the closed flaws, which needs to be overcome before a crack can initiate, and also by the capability of closed flaws to transmit normal stresses. Thus the differences are not fundamental, and so a unified conceptual framework and a common terminology are proposed for fracturing phenomena in brittle materials with open or with frictional pre-existing discontinuities.

In rocks and rock-model materials, two types of cracks are observed: wing cracks, and secondary cracks. Wing cracks are tensile cracks that initiate at the tips of pre-existing cracks (flaws) and propagate in a stable manner towards the direction of the maximum compressive stress. Secondary cracks initiate also from the tips of the flaws, propagate in a stable manner, and have been recognized by many researchers as shear cracks. Two initiation directions are possible: one coplanar or quasi-coplanar to the flaw, and the other one parallel to the wing cracks but in the opposite direction. Shear cracks quasi-coplanar to the flaw are observed in most of the experiments; shear cracks parallel to the wing cracks only in few cases. This indicates that the second direction may be material dependent. Secondary cracks play a major role in the cracking process of rocks in compression. Crack coalescence is caused in many instances by secondary cracks. In biaxial compression and for high confinement, cracking is only produced through secondary cracks. Conventional initiation criteria are suitable for predictions concerning tensile cracks, but are inadequate to predict initiation of secondary cracks. An extension of the maximum tangential stress criterion is proposed in which shear crack initiation is analogous to tensile crack initiation, except that the direction and stress level of initiation are determined by the direction and magnitude of the maximum shear stress. This criterion allows for the initiation of more than one kink from pre-existing cracks. This is in agreement with experiments, and with the fact that the stress singularity at the tip of a flaw does not disappear with the initiation of a kink. A limited number of comparisons between experiments and this model show promising results. Stress initiation and angle of initiation for both wing and secondary cracks can be determined within reasonable errors.

An extensive experimental program has been conducted on pre-cracked specimens of a rock-model material to investigate crack propagation and coalescence from frictional discontinuities. Prismatic gypsum specimens have been prepared with three pre-existing closed cracks (flaws). The flaws all have a constant length of 12.7 mm and are parallel to each other. Different geometries are obtained by changing the angle of the flaws with respect to the direction of loading, the spacing, and the continuity of the flaws. In the experiments, three different types of cracks have been observed: wing cracks, coplanar shear, and oblique shear cracks. These are the same types of cracks observed with open flaws. Crack initiation occurs simultaneously at all the tips of the flaws for wing and shear cracks. Mean crack initiation stress is higher for secondary cracks than for wing cracks. The differences however decrease as the flaws are oriented at smaller angles with the direction of loading. The types of coalescence (i.e. the type of cracks and crack pattern that link two flaws) from closed flaws are similar to those from open flaws. However, the type of coalescence observed in a specimen with open flaws is not necessarily produced when using the same geometry but with closed flaws. The most important conclusion reached in this research is that the fracturing processes in open and closed flaws are similar. Friction along the flaws increases the initiation and coalescence stress and favors linkage through shear cracks.

The paper presents a state-of-the-art review of the current understanding of the seismic behaviour of tunnels. Emphasis is placed on recorded responses of actual tunnels during past earthquakes, as well as relevant experimental studies. In particular, the observed seismic performance of tunnels is initially discussed, by providing cases of reported damage during past earthquakes. This is followed by a review of the current monitoring systems for this infrastructure, which can be used to create future case studies based on actual recordings of the seismic response. Subsequently, the paper provides a summary of relevant experimental studies that took place in the centrifuge or on shaking tables, followed by a short discussion of current analytical models, simplified methods and numerical schemes for the seismic analysis and vulnerability assessment of tunnels. Throughout the presentation, the current overall gaps in understanding the seismic response of tunnels are identified in an attempt to stimulate further work in these areas by the research community.

ABSTRACT: Understanding the behavior of fluid flow in fractures over time is crucial for ensuring the long-term performance and sustainability of Enhanced Geothermal Systems (EGS). Geophysical observation techniques, including electrical methods, are often used to monitor subsurface alterations, during geothermal operations, from coupled thermo-hydro-mechanical and chemical processes. Here, we describe an experimental system and procedures for high-temperature laboratory fluid flow tests on rock fracture surfaces developed to measure, concurrently, fluid electrical conductivity and temperature. Laboratory fluid flow experiments were conducted on individual rock fracture surfaces for constant flow rate, solution chemistry, and temperature. Potential geochemical alteration of fracture surfaces was investigated by conducting surface roughness measurements before and after the flow tests using laser profilometry and 3D X-ray microscopy. A maximum change of 160% in fluid conductivity at 25 °C was observed during room temperature flow tests on halite specimens, accompanied by measurable alterations in surface geometry. Tests performed on individual rock fracture surfaces in Sierra White granite, created through axial splitting, found that the changes in electrical conductivity were less than 5 %. This result was supported by fracture surface roughness measurements that determined that the alterations were within the calculated measurement error. 1. INTRODUCTION Geothermal systems typically consist of fracture networks within hot, low-permeability rocks. Enhanced Geothermal Systems (EGS) utilize engineering stimulation techniques, such as hydraulic fracturing, to create or enhance the permeability of hot rock formations. Hydraulic stimulation is a key process that involves injecting cold fluids into hot rock formations to enhance the permeability of the fracture network. Since fractures play a crucial role in controlling fluid and heat transport in geothermal systems, understanding the behavior of fluid flow in fractures and its temporal changes is crucial for ensuring the long-term performance and sustainability of EGS. Geophysical observation techniques such as seismic and electrical methods, have been widely used to monitor subsurface changes during geothermal operations (Okamoto et al., 2021; Taira et al., 2018; Didana et al., 2017). Electrical methods involve measuring the electrical resistivity (ρ) or conductivity (σ) of subsurface materials to gain insights into the fluid distribution and rock porosity. Changes in electrical resistivity have been observed in certain EGS during hydraulic stimulation (Peacock et al., 2012). Given that rocks in EGS are rather impermeable, these changes can be related to alterations in fluid ionic composition and/or fracture aperture caused by coupled thermo-hydro-mechanical and chemical processes. Chemically mediated changes during fluid-rock interactions, such as pressure solution at contacting asperities and free-face dissolution at fracture walls, can gradually affect the hydraulic and transport properties of fractured rocks (Polak et al., 2004). Several researchers have conducted laboratory flow-through experiments on fractured rock specimens at high temperatures and pressures. They observed a reduction in fracture permeability caused by thermo-chemical dissolution phenomena (Polak et al., 2003; Morrow et al., 2001; Moore et al., 1983). Hence, monitoring fracture surface alterations to assess changes from coupled thermo-hydro-chemical dissolution phenomena is essential for the maintenance of geothermal resources.

ABSTRACT: Enhanced geothermal systems (EGS) require assessment of the mechanical instability of rock discontinuities at high temperatures, as fluid injection may change the loading conditions of the surrounding rock. A key challenge in monitoring slip along rock fractures is whether the same geophysical methods used to detect precursory signatures at room temperature are applicable at elevated temperatures. Laboratory direct shear tests were performed on tension-induced fractures in Sierra White granite in a custom-built chamber. The shear tests were conducted under an effective normal stress of 6 MPa at a temperature of 50°C, to test whether geophysical methods can detect slip at elevated temperatures. During the tests, the effective normal stress was applied first and the temperature in the chamber was increased to the desired value. Afterwards, a shear load was applied at a constant displacement rate. The normal and shear loads, and the normal and shear displacements were measured, as well as the chamber pressure (pore pressure) and temperature. During the tests, compressional (P) and shear (S) waves were generated and propagated across the fracture. The recorded full waveforms included both the transmitted and converted wave modes. The amplitudes of both modes showed a distinct peak prior to the shear failure, followed by a decrease. A peak in wave amplitude was attributed to a change in fracture specific stiffness caused by a change in the contact area between the two fracture surfaces undergoing shear. This peak is taken as a seismic precursor to the shear failure/slip of the rock fracture. The success of the tests at 50°C was necessary to continue the research at temperatures beyond 100°C. This work is ongoing and will be the focus of a future publication. 1. INTRODUCTION Geothermal energy is heat energy that is extracted from deep underground and is considered a renewable energy that is an alternative to fossil fuels. Geothermal systems can be categorized into two types: (1) Naturally driven geothermal systems (hydrothermal system); and (2) Engineering-driven (or human-made) geothermal systems (enhanced geothermal system). A hydrothermal system uses the heat energy extracted from hot water and/or steam in porous or fractured rocks. In contrast, an enhanced geothermal system (EGS) creates artificial fractures and/or reopens pre-existing fractures in hot rock by injecting fluid into the rock mass. This technique, i.e., hydraulic fracturing, is used to increase the conductivity of low-permeability crystalline rocks (e.g., granitoids). Hence, EGS has the advantage of tapping more energy by extracting hot fluid circulating through engineering-induced fractures in crystalline rocks. However, fluid injection during hydraulic fracturing could alter pre-existing loading conditions in nearby rock discontinuities (e.g., magnitudes of in-situ effective stress and/or pore pressures), leading to induced seismicity (Eyre et al., 2019; Schultz et al., 2020). Thus, monitoring of slip along rock discontinuities (e.g., fractures, joints, and faults) is essential to the assessment of the mechanical stability of rock during and after hydraulic fracturing, which can be used to prevent or at least minimize induced seismicity.