نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 1 بهار 1931 1723

ارائه روشي جديد براي برآورد مقاومت بلوک هاي سنگي با استفاده از آزمون غير مخرب امواج اولتراسونيک

داريوش جواديان؛ دانشگاه صنعتي سهند تبريز، دانشکدۀ معدن حسن موميوند؛ دانشگاه اروميه، دانشکدۀ فني
رسول حميدزاده مقدم؛ دانشگاه صنعتي سهند تبريز، دانشکدۀ معدن
تاریخ: دریافت 11/4/32 پذیرش 22/1/39 چکيده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

استفاده از روش هاي غیرمخرب به ویژه سرعت امواج اولتراسونیک براي برآورد ویژگی هاي فیزیکی و مکانیکی سنگ ها بهعلت سادگی، اقتصادي، سرعت و غیرمخرب بودن مورد استقبال زیادي قرار گرفته است. بناهاي سنگی به طور وسیع از گذشته تاکنون در سطح جهان ساخته شده اند. تعیین مقاومت بناهاي سنگی مانند آثار باستانی از طریق آزمایش هاي مرسوم مقاومت سنگ امکان پذیر نیست زیرا نمی توان براي تهیۀ نمونه آزمایش مقاومت فشاري آن ها را تخریب کرد. ارائه روشی ارزان، ساده ،غیرمخرب و در عین حال دقیق و کارآمد براي برآورد مقاومت چنین بناهایی کمک بسیار بزرگی است. در این تحقیق آزمایش هاي مقاومت فشاري و اولتراسونیک روي نمونه هاي سنگی که تخریب آن ها هیچ مسئله اي ندارد، انجام شده است، تا بتوان از نتیجه تحقیق به منظور برآورد مقاومت فشاري بناهاي سنگی با استفاده از سرعت عبور استفاده کرد. بلوک ها و بناهاي سنگی داراي شکل و اندازه هاي متفاوتی هستند، در این تحقیق بلوک هایی از سنگ هاي مرمریت، تراورتن ،گرانیت و آهک داراي اندازه و شکل هاي متفاوت آماده سازي شده و سرعت امواج اولتراسونیک در جهات مختلف ابعاد بلوک ها و هم چنین مقاومت فشاري یک محوري مغزه هاي حاصل از آن ها نیز اندازه گیري شده است. تایج نشان می دهد که شکل و اندازۀ نمونه ها بلوک هاي یک پارچه فاقد ناپیوستگی از مقیاس کوچک
1727
آزمایشگاهی تا قله هاي بزرگ به ابعاد حدود 2 متر در سرعت عبور موج اثر ندارد. در نهایت روابطی براي برآورد مقاومت فشاري یک محوري سنگ هاي بررسی شده با استفاده از سرعت امواج اولتراسونیک ارائه شده است. با استفاده از روابط ارائه شده می توان مقاومت بلوک ها و بناهاي سنگی یک پارچه و فاقد ناپیوستگی از سنگ هاي مرمریت، تراورتن، گرانیت و آهک داراي هر شکل و اندازه اي را با آزمون غیرمخرب، ساده، انعطاف پذیر و ارزان سرعت امواج اولتراسونیک برآورد کرد.
واژه هاي كليدي: سرعت امواج اولتراسونیک، شکل، اندازه ،بلوکهاي سنگی، مقاومت فشاري یک محوري

مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

مقاومت فشاري یک محوري از مهم ترین ویژگی هاي مکانیکی سنگ است و به صورت گسترده اي براي پژوهش هاي مکانیک سنگی در پروژه هاي عمرانی و معدنی استفاده می شود ]1[. تعیین این ویژگی کاري پرهزینه ،زمان بر و دشوار است، به ویژه انجام این آزمایش روي بناهاي سنگی آثار باستانی، به صورت مستقیم امکان پذیر نیست. ارائه روشی که بتوان با آن ویژگی هاي مکانیکی از جمله مقاومت فشاري یک محوري بلوک ها و بناهاي سنگی را به صورت غیرمستقیم برآورد کرد که در آن صدمه اي به سازه مورد آزمایش وارد نشود، می تواند مفید باشد. استفاده از روش هاي غیرمخرب براي برآورد ویژگی هایی مانند درجه هوازدگی ،توصیف توده سنگ ،تخمین وسعت ناحیۀ خرد شده و ویژگی هاي استاتیکی و دینامیکی سنگ به علت سادگی ،اقتصادي، سرعت و غیرمخرب بودن اخیرایراً گسترش چشم گیري داشته است
]2[، ]9[، ]4[، ]1[، ]6[، ]1[. یکی از این روش ها سرعت امواج اولتراسونیک است.
سرعت عبور امواج به کیفیت بستگی سنگ دارد. از عوامل ذاتی مؤثر بر سرعت امواج اولتراسونیک در یک سنگ می توان به نوع سنگ، بافت، اندازه دانه ها، چگالی و تخلخل و عوامل خارجی مثل رطوبت و درجه حرارت اشاره کرد. وقتی که سرعت امواج اولتراسونیک نمونۀ سنگ اندازه گیري می شود به صورت طبیعی نتیجه آزمایش حامل تأثیر عوامل ذاتی )داخلی( نمونه است. عواملی مانند ناهم سان گردي و میزان تنش )سطح تنش( نیز در سرعت امواج اولتراسونیک توده هاي سنگ برجا مؤثرند. اگر چه تحقیقات متعددي در خصوص اندازه گیري 1721
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت سنگ سالم نمونه هاي کوچک مقیاس آزمایشگاهیبه عمل آمده است اما استفاده عملی آن میتواند مفید باشد. یکی از کاربردهاي سرعت امواج اولتراسونیک برآورد مقاومت بلوک ها و بناهاي سنگی است. بلوک ها و بناهاي سنگی داراي شکل و اندازه هاي متفاوتی هستند. قبل از برآورد مقاومت بلوک ها و بناهاي سنگی لازم است با استفاده از سرعت امواج اولتراسونیک ابتدا تحقیق بنیادي در خصوص تأثیر شکل و اندازه هاي بلوک ها و بناهاي سنگی در سرعت امواج اولتراسونیک انجام شود، تا نشان داده شود که سرعت امواج اولتراسونیک در جهت هاي مختلف ابعاد شکل یک بلوک سنگ و هم چنین تغیر در اندازه هاي آن چگونه است؟ پس از آن می توان به بررسی برآورد مقاومت فشاري یک محوري با استفاده از سرعت امواج اولتراسونیک پرداخت. در این تحقیق بلوک هایی از سنگ هاي مرمریت، تراورتن، گرانیت و آهک داراي اندازه و شکل هاي متفاوت آماده سازي شده و سرعت امواج اولتراسونیک در جهات مختلف ابعاد بلوک ها و هم چنین مقاومت فشاري یک محوري مغزه هاي حاصل از آن ها نیز اندازه گیري شده است تا بتوان مقاومت بلوک ها و بناهاي سنگی را با استفاده سرعت امواج اولتراسونیک برآورد کرد..

آماده سازي نمونه ها و آزمایش سرعت امواج اولتراسونيک نمونه ها
سنگ هاي بررسی شده شامل مرمریت، تراورتن ،گرانیت و آهک مطابق جدول 1 تهیه شد ]8[. نمونه هاي بلوکی بزرگ مقیاس 212×222×112 سانتی متر در کارگاه سنگ بري از قله هاي بزرگ انتخاب و آماده سازي شدند. بلوک هاي کوچک داراي ابعاد 42×22×12 سانتی متر با اره سنگ بري از سنگ هاي ذکر شده آماده سازي شدند )شکل 1(. نمونه هاي استوانه اي نیز بر اساس استاندارد ]3[، ]12[ از بلوک هاي مرمریت، تراورتن، گرانیت و آهک آماده سازي شدند. نمونه هاي بررسی شده و آماده سازي شده در ابعاد مختلف مطابق جدول 2 هستند. دستگاه تعیین سرعت امواج اولتراسونیک و نحوۀ انجام آزمایش نمونۀ سنگ در شکل 2 نشان داده شده است.
بلوک هاي بزرگ مقیاس از سنگ هاي مرمریت و تراورتن انتخاب شدند. وجوه مقابل هم دیگر بلوک هاي بزرگ که روي صفحات آنها سرعت موج فشاري )Vp( اندازه گیري شده ،موازي و صاف تهیه شدند. روي بلوک هاي بزرگ مقیاس سنگ هاي مرمریت و تراورتن نقاطی
که باید سطح ورارسان ها )ترانس دیوسرها یا پروپ ها( روي آن ها قرار بگیرد، مشخص شدندو سرعت موج فشاري در جهات مختلف ابعاد بلوک هاي بزرگ اندازه گیري شد )شکل 9 و 4(.
نتایج آزمایش تعیین سرعت عبور موج اولتراسونیک روي بلوک بزرگ مقیاس مرمریت و تراورتن به روش مستقیم به ترتیب در جدول 9 و 4 نشان داده شده است.
آزمایش اولتراسونیک روي بلوک هاي کوچک مرمریت، تراورتن ،گرانیت و آهک در سه جهت مختلف ابعاد بلوک ها انجام و محاسبه شد. نقاطی از صفحات نمونه که باید سطح پروپ روي آن ها قرار می گرفت مشخص شدند )شکل1(. باید نقاط روي لبه هاي موازي دقیقأ روبروي هم قرار گیرند تا به روش مستقیم و به صورت ساده سرعت موج اندازه گیري شود.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

چون اگر نقاط روبروي هم نباشند روش محاسبۀ سرعت صوت به روش غیرمستقیم خواهد بود. مکان دقیق این نقاط و فاصلۀ بین آن ها به کمک متر نواري مشخص شدند. نقاط مشخص شده روي شش وجه بلوک مطابق شکل 1 است. آزمایش اولتراسونیک روي هر سه وجه عمود برهم در سه جهت مختلف انجام شد و از مقادیر اندازه گیري شده در یک جهت روي هر وجه )صفحه( میانگین گرفته شد و مقدار این میانگین به عنوان سرعت صوت در آن جهت تلقی گردید. نتایج سرعت عبور امواج در بلوک هاي کوچک سنگ هاي گرانیت، تراورتن ،مرمریت و آهک در جهات مختلف ضخامت)A(، عرض)B( و طول)C( در جدول 1 نشان داده شده است.
مغزه هاي استوانه اي با دستگاه مغزه گیر و مغزه بر در آزمایشگاه مکانیک سنگ بر اساس استاندارد ]3[، ]12[ آماده سازي شدند. مغزه هاي استوانه اي تهیه شده براي انجام آزمایش هاي سرعت عبور موج در شکل 6 نشان داده شده اند. سرعت امواج فشاري نمونه هاي استوانه اي با قطر 14 میلی متر و نسبت ارتفاع به قطر 2 تا 1/2 بر اساس استاندارد اندازه گیري شد ]3[.
مقادیر متوسط سرعت عبور امواج در نمونه هاي سنگ مرمریت، تراورتن ،گرانیت و آهک در حالت هاي اشباع، مرطوب و خشک در جدول 6 نشان داده شده است. با افزایش درصد رطوبت، از حالت خشک به اشباع، سرعت صوت نیز افزایش پیدا می کند. و به این دلیل است که در روزنه هایی که در حالت خشک هوا وجود داشت، در حالت اشباع آب قرار می گیرد و 1723
با توجه به این که سرعت موج فشاري در مایعات بیش تر از هوا است بنابراین سرعت موجفشاري در نمونه هاي اشباع بیش تر از نمونه هاي خشک است
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

جدول 3. نوع و نام محل سنگ هاي مورد تحقيق
نام محل تهیه سنگ نوع سنگ
معدن قره باغ آذربایجان شرقی گرانیت مشکی
معدن آباده شیراز مرمریت کرمی
معدن لمعه دشت خلخال تراورتن کرمی
معدن آهک خوان لیقوان آهک
جدول 7. ابعاد نمونه هاي آماده سازي شده براي انجام آزمایش ها
ابعاد نمونه نوع نمونه ردیف
قطر4/1 و ارتفاع 1/19 سانتی متر استوانه اي 1
42×22×12 سانتی متر بلوک کوچک 2
212×222×112 سانتی متر بلوک بزرگ مقیاس 9
جدول 1. نتایج آزمایش تعيين سرعت عبور موج اولتراسونيک روي بلوک بزرگ مقياس مرمریت به روش مستقيم
)km/s(سرعت زمان )میلی ثانیه( شماره نقطه
6/21 291/1 1
6/28 296/6 2
1/36 241/4 9
6/12 291/2 4
1/81 241/2 1
6/24 298/2 6
1/24 281/2 1
6/11 291/1 8
6/1 291/1 3
6/21 292/1 12
6/24 292/1 11
6/16 299/6 12
6/22 242/4 میانگین
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

جدول 3. نتایج آزمایش تعيين سرعت عبور موج اولتراسونيک روي بلوک بزرگ مقياس تراورتن به روش مستقيم
)km/s( سرعت زمان )میلی ثانیه( شماره نقطه
1/4 288/8 1
1/91 232/9 2
1/99 232/1 9
1/24 231/1 4
4/11 928 1
1/11 921/1 6
1/11 921/9 1
1/19 929/6 8
1/13 922/44 میانگین
جدول 3. مقایسه نتایج سرعت عبور امواج در بلوک هاي سنگ گرانيت، تراورتن ،مرمریت و آهک در جهات مختلف ضخامت)A(، عرض)B( و طول)C(

سرعت موج فشاري در جهت km/s( C( سرعت موج فشاريدر جهت B
)km/s( سرعت موج فشاري در جهت km/s( A( نوع سنگ
6/22 6/22 6/18 مرمریت
1/91 1/99 1/26 تراورتن
6/11 6/11 6/14 گرانیت
9/21 9/21 9 آهک
جدول 3. ميانگين نتایج سرعت صوت براي نمونه هاي استوانه اي در حالات مختلف بر حسب
km/s
سرعت موج
فشاري آهک
(km/s) سرعت موج فشاري گرانیت
(km/s) سرعت موج
فشاري تراورتن
(km/s) سرعت موج فشاري مرمریت
(km/s)
درجه رطوبت
4/24 1/89 4/14 4/61 اشباع
9/84 1/11 4/68 4/66 مرطوب
9/89 1/11 4/16 4/11 خشک
1722

شکل 3. بلوک هاي سنگ مرمریت، تراورتن،گرانيت و آهک آماده سازي شده شکل 7. نحوۀ انجام آزمایش ستفاده ازبا ا دستگاه اولتراسونيک مدل USG 37300 استفاده شده در این پروژه
126873790194Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

شکل 1. انجام عمليات آزمایش بزرگ مقياس سرعت عبور موج در نمونه مرمریت

126873790194Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

شکل 3. انجام عمليات آزمایش بزرگ مقياس سرعت عبور موج در نمونه تراورتن

1723

126873790194Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

شکل 1. نقاط مشخص شده براي تعیین سرعت امواج اولتراسونیک روي سه صفحه در سه جهت متفاوت B ،A و C

شکل 3. مغزه هاي استوانه اي آماده سازي شده براي آزمایش اولتراسونيک
1733
تأثير اندازۀ در سرعت عبور موج فشاري
126873790194Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3271 ]

آزمایش اولتراسونیک روي نمونه هاي سنگ داراي قطر 14 میلی متر و نسبت طول به قطر 2 تا 1/2 انجام شد. این آزمایش روي بلوک هاي سنگ مرمریت، تراورتن ،گرانیت و آهک داراي ابعاد 42×22×12 سانتی متر نیز انجام شد. آزمایش اولتراسونیک تنها روي قله هاي بزرگ دو نوع از سنگ ها شامل مرمریت و تراورتن به ابعاد در حدود 212×222×112 سانتی متر نیز انجام شد، چون تهیه و آماده سازي چنین بلوک هاي بزرگی موضوع دشواري است. متوسط سرعت عبور موج فشاري براي اندازه هاي مختلف نمونه هاي سنگ مرمریت و تراورتن در جدول 1 نشان داده شده است. اگرچه پراکندگی آماري به صورت طبیعی در نتایج به دست آمده وجود دارد اما متوسط داده هاي اندازه گیري شده براي سنگ هاي داراي اندازه هاي مختلف، تفاوت چشم گیري نشان نمی دهد. بنابراین می توان چنین نتیجه گرفت که اندازه نمونه هاي سنگ در سرعت عبور موج مؤثر نیست )شکل1(. علت وجود نداشتن تأثیر اندازه در سرعت عبور موج فشاري سنگ هاي بررسی شده، وجود نداشتن ناپیوستگی در قله هاي بزرگ سنگ میتواند باشد. هم چنین در بناهاي سنگی و آثار باستانی از قله هاي سنگ یک پارچه استفاده شده است و معمولاًمعمولا داراي ناپیوستگی نیستند.

2
3
4
5
6
7
8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
m
،
ه
ز
ا
د
ن
ا
km
/
s

،
ي
ر
ا
ش
ف

ج
و
م

ت
ع
ر
س
ن
ت
ر
و
ا
ر
ت
ت
ي
ر
م
ر
م



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید