نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 1 بهار 1931 0033

بررسی اثر زمان تأخیر در اندازهگیری تنش برجا
به کمک اثر کایزر با استفاده از روش انتشار آوایی

محمود خسروی کارشک، مرتضی احمدی*؛
دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مکانیک سنگ
تاریخ: دریافت 02/7/30 پذیرش 4/12/39 چکیده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

مقدار تنش برجا از پارامترهای مهم در طراحی سازههای زیرزمینی است. روشهای متداول اندازهگیری تنش برجا مانند روش شکست هیدرولیکی دو ضعف عمدۀ الف( زمان زیاد و ب( هزینهبر دارند، از این رو، اندازه گیری تنش برجا به روشهای غیرمستقیم در حال گسترش است. از جمله روش های غیرمستقیم اندازهگیری تنش برجا، روش انتشار آوایی است که برمبنای تئوری اثر کایزر استوار است. سنگ وقتی تحت تنش قرار میگیرد، سیگنال های صوتی منتشر می کند. این پدیده انتشار آکوستیک نامیده می شود و اثر کایزر به عنوان فقدان انتشار آکوستیک در سطوح تنش پایین تر از تنش ماکزیمم اعمال شده قبلی تعریف می شود.
به عبارت دیگر تا زمانی که سنگ به سطح تنش پیشین خود نرسد، انتشار آکوستیکی چشم گیری از خود نشان نمی دهد. عوامل متعددی در اثر کایزر مؤثر است که از جمله آن ها می توان به زمان تأخیر، دما، فابریک سنگ، تخلخل، سطوح درزه و ناپیوستگی و به طورکلی ساختارهای زمین شناسی اشاره کرد. در این تحقیق بررسی اثر زمان تأخیر در اثر کایزر بررسی شده است. به زمانی که بین عملیات گرفتن مغزه و آزمایش انتشار آوایی سپری می شود، زمان تأخیر اطلاق می شود. نمونه سنگ های آهک برای بررسی انتخاب و پس از پیش بارگذاری ،آزمایش انتشار آوایی با زمان تأخیرهای مختلف )1 دقیقه ،0، 7، 02، 42 و 32 روز( روی این نمونه ها انجام شد. نتایج نشان داد که نسبت تنش بازیابی شده به تنش پیشین تا یک محدودۀ زمانی)02 روز(، کم تر از یک و بعد از آن روند افزایشی داشته و به یک رسیده )02 روز(تا این که بعد از گذشت سه ماه از یک بیش تر می شود.
1640459220086

واژه های کلیدی: تخمین تنش برجا، انتشار آوایی، اثر کایزر، زمان تأخیر
[email protected] نویسنده مسئول
مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

به طورکلی سنگها وقتی تحت تنش قرار میگیرند، میکروترک هایی در آن ها ایجاد میشودکه شروع و گسترش این میکروترکها باعث ایجاد صدا میشود. به این پدیده انتشار آکوستیکیا انتشار آوایی گفته می شود. از این پدیده در علوم مختلف، استفادههای متعددی می شود که از آن جمله توان به بحث تخمین تنش برجا در علم مکانیک سنگ اشاره کرد. از آن جاکه آگاهی از مقدار و جهت تنشهای اولیه و برجا در پروژه های سازه های زیرزمینی اهمیت زیادی دارد و این روش به عنوان روشی با هزینه و محدودیت کم، نتایج خوبی را در تخمین تنش های برجا داده است ،پژوهش های زیادی در بررسی این موضوع و پارامترهای مؤثر بر آن صورت گرفته است. از مهم ترین پارامتر هایی که در پدیدۀ اثر کایزر و بازیابی تنش مؤثر است، پارامتر زمان تأخیر است که موضوع اصلی این تحقیق است. زمانی که نمونه با دستگاه حفاری استخراج می شود تا زمانی که برای تخمین تنش تحت آزمایش قرار می گیرد را زمان تأخیر گویند. در زمینۀ نحوۀ تأثیر پارامتر زمان تأخیر در اثر کایزر و بازیابی تنش و این که تا چه حد در دقت نتایج مؤثر است، پژوهش های زیادی انجام گرفته است.
یوشیکاوا1 و موگی0 توانستند اثر کایزر را تا 1 روز مشاهده کنند. هم چنین دریافتند که با گذشت زمان زیاد، مقدار تنش تخمینی با مقدار اولیه بسیار اختلاف دارد و با گذشت زمان به سمت کاهش تنش میل میکند ]1[.
-207002118781

کوریتا9 و فوجی4 گزارش کردند که اثر کایزر را میتوان تا 1 ماه مشاهده کرد ]0[. ممییز و حسنی گزارش کردند که تنش قبلی بیش از 0 هفته در آزمایشگاه قابل بازیابی نیست ]9[. ستو1 و همکاران به همراه اوتاگاوا0 و همکاران با توجه به آزمایشهای انجام داده روی توف، ماسه سنگ و گرانیت در شرایط خشک گزارش کردند که حافظۀ تنش برای مدت زیادی )بیش تر از 1 سال( قابل بازیابی است ]4[. طبق تحقیقات ستو و ناگ7 تنش پیشین میتواند تا 12 درصد خطا با روش انتشار آوایی تخمین زده شود. در صورتی که تنش پیشین کم تر از 92 درصد حداکثر تنش تک محوره است و نمونهها در دمای اتاق باشد، سنگ میتواند تا 7 سال حافظه تنش خود را حفظ کند]4[.
1. Yoshikawa 2. Mogi 3. Kurita 4. Fujii 5. Seto 6. Utagawa 7. Nag
0033جین1 و شی0 اظهار داشتند بهترین زمان تأخیر در آزمایش آکوستیک 02 روز است. قبل ازروز 02ام مقادیر تخمین زده شده، کم تر از مقدار پیش بارگذاری شده )تنش قبلی( و بعد از 02روز این مقدار افزایش مییابد ]1[. با این که پژوهش های محققان منجر به ارائۀ نظری واحد درخصوص زمان تأخیر نشده است، با این وجود شواهد به دست آمده از نتایج آزمایشها حاکی از آن است که انواع سنگها پاسخ های متفاوتی را در برابر تأخیر زمان و مدت زمان حفظ و نگه داری تنش دارند و عامل زمان یکی از مهم ترین عوامل تأثیرگذار در اثر کایزر است.

کلیاتی در رابطه با اثر کایزر و انتشار آکوستیک
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

سنگ به طور پیوسته از تنش کم به زیاد به وسیله میکرودرزهها در حال آسیب دیدگی است. شکست یا ضعف در سنگ قابل بازسازی نیست و اثر کایزر در واقع ضعفها و شکستگی هایی که در بارگذاری قبلی اتفاق میافتد را ذخیره میکند یا به حافظه میسپارد. تا زمانی که مقدار بارگذاری مجدد از مقدار بار قبلی فراتر رود، هیچ ترک جدیدی در سنگ ایجاد نمیشود ]0[.
اثر کایزر در سنگ و موادی که تحت بارگذاری سیکلی قرار دارند مشاهده میشود. در سادهترین حالت سیکلی، مقدار تنش در بارگذاری سیکلی به صورت مرحلهای افزایش مییابد. در مرحلۀ بعدی تا زمانی که مقدار تنش به مقدار قبلی نرسیده فعالیت صوتی صفر یا نزدیک صفر است، اما به محض این که تنش از بیش ترین مقدار تنش قبلی بالاتر میرود، فعالیت انتشار آکوستیک به صورت چشم گیری افزایش مییابد ]7[. فرضیۀ اصلی تئوری کایزر این است که افزایش انتشار آوایی فقط بیش ترین تنش قبلی را در جهت محوری بارگذاری مشخص می کند
.]8[
اصطلاحات به کار رفته در این تحقیق که لازم است به آن ها اشاره شود عبارت است از:
کانت9: یکی از مهمترین پارامترهای انتشار آکوستیک ثبت تعداد دفعاتیاست که آکوستیک منتشر شده، از حد آستانه عبور کرده است. این پارامتر اغلب برای نشان دادن فعالیت انتشار آکوستیک با شمارش در دورۀ زمانی بهکار برده می شود. شمارش تعداد رویداد نسبت به زمان انجام میشود. کانت تجمعی به مجموع کانت ها در سیکل های مختلف

.1 Jin 2. Qi 3. Count .اطلاق می شود
نسبت فلسیتی: وقوع انتشار آکوستیک در بارهای کم تر از حداکثر بار قبلی، اثر فلسیتینامیده می شود. با استفاده از این پدیده میتوان نسبت فلسیتی را به صورت نسبت بینباری که در آن آکوستیک چشم گیری اتفاق افتاده به حداکثر بار مرحلۀ قبل که در آنآکوستیک اتفاق افتاده تعریف شده است.

کاربرد اثر کایزر در بازیابی تنش نمونۀ سنگی
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

اطلاع از چگونگی وضعیت تنش برجا در پوستۀ زمین در بسیاری از مسائل مرتبط با سنگ و در زمینۀ مهندسی عمران، معدن، نفت، ژئوفیزیک و زمین شناسی بسیار مهم است. در مهندسی عمران و معدن، تنش های برجا، توزیع و بزرگی تنشهای اطراف سازه های زیرزمینی ) تونلها، معادن، چاه ها یا مغارها( را تحتالشعاع قرار می دهد. تمرکز تنش در اطراف دیواره های سازه های زیرزمینی ممکن است بیشتر از مقاومت سنگ شود و سبب حرکات و جاب هجایی های محلی و موضعی و یا در مقیاس بزرگتر ایجاد شکست شود. چگونگی وضعیت تنش برجا، هم چنین می تواند بر جابه جایی سقف، حرکت دیواره جانبی و یا نشست زمین مؤثر باشد ]3[.
مهم ترین روش های غیرمستقیم تخمین تنش برجا، روش های بازیابی کرنش )بازیابی کرنش غیرالاستیک و آنالیز منحنی کرنش تفاضلی( و روش های اثر کایزر )انتشار آکوستیک، AE(0 و تحلیل نرخ تغییر شکل)DRA(9 هستند.
این روش ها به عنوان روش های اندازه گیری تنش غیرمستقیم قلمداد میشوند، ب هطوری که به صورت مستقیم تنش )و یا کرنش( در محل اندازه گیری نمیشود، بلکه از انجام آزمایش بر روی مغزه اخذ شده از محل و ساختگاه، در آزمایشگاه تنش )و یا کرنش( اندازه گیری می شوند. بعد از این که مغزههای اصلی به آزمایشگاه منتقل شد از این مغزهها نمونههایی با نسبت طول به قطر 0 به 1 و با استانداردهای انجمن بین المللی مکانیک سنگ آماده می شود. سپس هر نمونه تحت بارگذاری مجدد قرار گرفته و رخدادهای انتشار آوایی با استفاده از سنسورهای دستگاه برداشت می شود. زمانی که بار اعمالی به نمونه از سطح تنش قبلی تجاوز کند ،اثر کایزر به عبارتی مقدار تنش پیشین مشخص میشود ]12[.
0030در شکل 1 شماتیکی از پایه و اساس عمل کرد روش انتشار آوایی ملاحظه می شود. چنان کهدر شکل مشاهده می شود به محض رشد ریز ترک های جدید نمونه از خود امواج صوتی ساطعمی کند. سنسورهای دستگاه این امواج صوتی را دریافت کرده و به دستگاه می فرستند و اینرخدادها را به صورت آنلاین قابل مشاهده در کامپیوتر است.

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

شکل 3. پایه و اساس عملکرد روش انتشار آوایی ]33[.
چنان که در شکل 0 ملاحظه میشود فرایند انتشار آوایی شامل چندین مرحله میشود. مرحلۀ اول A-B مربوط به زمانی است که میکروترک ها بسته شده و دانهها روی یک دیگر می لغزند تا به حالتی پایدار برسند.
در مرحلۀ دوم B-C کانت زیادی مشاهده نمیشود به دلیل این که میکروترک ها و دانههای تشکیل دهندۀ سنگ به حالتی تقریباتقریباً پایداری رسیدهاند و با افزایش بار کانت ها به آرامی افزایش می یابند. مرحلۀ سوم C-D زمانی است که تنش به میزان تنش قبلی رسیده و ترک های جدید شروع به رشد میکنند. چنان که ملاحظه میشود در این مرحله افزایش چشم گیر رخدادهای انتشار آوایی به وجود می آید. از این مرحله به بعد ترک ها به رشد خود ادامه داده و رخدادهای انتشار آکوستیک با شیب زیادی افزایش پیدا میکنند تا بار به مقاومت فشاری تک محوره سنگ برسد ]11[.
بررسی اثر تأخیر زمان در اثر کایزر
به طورکلی حافظه تنش سنگ ها به: الف( مدت زمان سپری شده بین پیش بارگذاری و بارگذاری مجدد و ب( مدت زمان پیش بارگذاری شده بر نمونه ها، بستگی دارد. تعیین اثر زمان سپری شده پس از باربرداری در اثر کایزر اهمیت دارد، به دلیل این که بین مغزه گیرینمونه های سنگی، پیش بارگذاری و بارگذاری مجدد در شرایط آزمایشگاهی و هم چنین درشرایط عملی پس از حفر گمانه و ارسال مغزه حفاری شده و تهیۀ نمونه و در نهایت انجامآزمایش تک محوره فشاری در آزمایشگاه همواره، زمانی سپری می شود که به طور قطع در نتایج تخمین تنش با استفاده از روش انتشار آوایی مؤثر است ]10[.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3309 ]



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید