نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد یازدهم، شمارۀ 1 بهار 1931

تأثیر بارگذاري دينامیک چرخه اي روي خصوصیات
مکانیکي و رفتار خستگي سنگ هاي تونالیتي

عل ياکبر مؤمني؛ دانشگاه صنعتي شاهرود
غلامرضا خانلري، مجتبي حيدري؛ دانشگاه بوعلي سينا همدان ياسين عبدي لر؛ دانشگاه لرستان
تاریخ: دریافت 5/7/35 پذیرش 61/11/35 چکيده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

در این پژوهش رفتار خستگی سنگ هاي تونالیت تحت بارگذاري چرخه اي تک محوره بررسی شد. بدین منظور دو نوع بارگذاري نیرو کنترل و جابه جایی کنترل استفاده شد.
آزمون هاي نیرو کنترل در ترازهاي تنش متغییر و دامنۀ بارگذاري ثابت )26% مقاومت تک محوري( و فرکانس یک هرتز انجام شد. آزمون جابه جایی کنترل به صورت پله اي با افزایش دامنۀ بارگذاري انجام شد. نتایج آزمون هاي خستگی انجام شده توسط پارامترهاي آسیب خستگی شامل کرنش بیشینه و کمینۀ محوري، کرنش بیشینه و کمینۀ جانبی، مدولهاي مماسی و متقاطع، چقرمگی و انرژي وارفتگی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که این تیپ سنگی کاهش چشم گیري در مقاومت خود به دلیل آسیب خستگی نشان می دهد. از بین پارامترهاي آسیب خستگی، پارامتر کرنش جانبی آسیب سه مرحله اي خستگی را به بهترین شکل نشان می دهد. این مطلب مؤید این نکته است که ترک هاي ایجاد شده در راستاي بارگذاري جهت یافتهاند. هم چنین، آزمونهاي جابه جایی کنترل نشان داد که رفتار این تیپ سنگی از نوع کرنش نرم شوندگی است.

واژه های کليدی: بارگذاري سیکلی، آسیب خستگی، کرنش نرم شوندگی، دامنۀ بارگذاري

531
مقدمه
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

خستگی تمایل یک ماده به شکست یا فرآیند آسیب رسیدن تجمعی تحت بارگذاري چرخهاي است. در واقع خستگی، نوعی ضعیف شدگی پیش رونده سنگ به دلیل گسترش ریزترک هاي ناشی از بارگذاري سیکلی است. ضعیف شدگی ناشی از خستگی باعث می شود که اغلب مقاومت سنگ به 75-93 درصد مقاومت آن در حالت استاتیکی برسد. علاوه بر مقاومت سنگ، مدول هاي تغییر شکل پذیري سنگ هم دچار تغییر می شوند. نتایج بارگذاري چرخه اي روي سنگ بکر در آزمایشگاه نشان میدهد که حد خستگی ممکن است در محدوده 134-135 چرخه به وقوع به پیوندد ]1[. مواد مختلف رفتار متفاوتی را نسبت به بارگذاري دینامیکی از خود نشان میدهند. بعضی از مواد مقاوم تر و شکلپذیرتر شده در حالی که بعضی دیگر ضعیف تر و شکنندهتر میشوند ]6[ رفتار خستگی سنگ نسبت به مصالح دیگر نظیر خاک و فولاد به مراتب کم تر بررسی شده است. با این وجود در چند دهۀ اخیر تعدادي از محققان تحقیقاتی روي پدیدۀ خستگی در سنگ انجام داده اند. سینگ1 ]9[ رفتار خستگی گریوکهاي سازند فلاگاستف6 استرالیا را با میانگین مقاومت فشاري تکمحوري 125 مگاپاسکال بررسی کرد. وي مقاومت خستگی 27 درصد )111 مگاپاسکال( و کرنش-سخت شوندگی 63 درصد )693 مگاپاسکال( را براي این سنگها به دست آورد. نتایج وي نشان داد که عمر خستگی با کاهش دامنۀ تنش اعمال شده به صورت لگاریتمی افزایش مییابد. هم چنین درصد سخت شوندگی با افزایش تعداد سیکلهاي بارگذاري افزایش مییابد. ژنی و هیهونگ9 ]4[ رفتار چند تیپ سنگ را تحت بارگذاري سیکلی بررسی کردند و بیان داشتند که یک مقاومت بحرانی وجود دارد که مرتبط با دامنه ،میزان بارگذاري و طول موج است. این مقاومت بحرانی، مقاومت چرخهاي نامیده میشود و کم تر از مقاومت استاتیکی است. تین4 و همکاران ]5[ تغییرات کرنش، فشار آب منفذي و ویژگیهاي خستگی ماسه سنگهاي اشباع را در شرایط بارگذاري چرخهاي و استاتیکی بررسی کردند. آن ها به این نتیجه رسیدند که در بعضی از آزمایشها ،یک کرنش بحرانی وجود دارد که در آن گسیختگی نمونه ناگهان اتفاق میافتد.

Singh
Flagstaff
Zhenye and Haihong
Tien
ژاو5 ]1[ یک سري آزمایشهاي دینامیکی شامل مقاومت فشاري تک محوري و سه محوري، کشش تک محوري و برش محصور نشده را روي گرانیت باکیتهیماي1 سنگاپور انجام داد.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

وي دریافت که تحت تنشهاي فشاري دینامیکی مقاومت این نوع از سنگها با استفاده از معیار هوک و براون بهتر توصیف میشود. اکسون7 و همکاران ]7[ مشخصات ریزترکهاي ایجاد شده به وسیله بارگذاري چرخهاي را در گرانیت هاي بوهاس2 بررسی کرده اند. آنها مشاهده کردند که ترکهاي ایجاد شده ناشی از بارگذاري چرخهاي عمدتاعمدتاً در فلدسپارها و هم جهت با محور بارگذاري گسترش پیدا کرده است.. خیااو3 و همکاران ]2[، ]3[ متغیرهاي ارزیابی آسیب خستگی را روي گرانیتهاي هنگیان13 بررسی کردند. نتایج پژوهش آنها نشان داد که ارزیابی آسیب خستگی با استفاده از روش کرنش باقی مانده، نتایج بهتري را نسبت به روشهاي دیگر دارد ،زیرا در این روش آسیب اولیه سنگ نیز در نظر گرفته میشود. ارسلان و ویلیامز11 ]13[ تأثیر بارگذاري چرخهاي را بر مقاومت کششی غیرمستقیم توفهاي بریزبن را بررسی کردند. نتایج کار آن ها نشان داد که مقاومت کششی برزیلی این توفها، تحت بارگذاري خستگی نسبت به حالت استاتیکی، 99 درصد کاهش مییابد. چن16 و همکاران ]11[ اتصال و گسترش شکستگی را در بارگذاري خستگی ارزیابی کردند. بررسی آن ها نشان داد که مقاومت خستگی بتن در حالت ترکدار نسبت به حالتی که سنگ فاقد ترک باشد ،15 تا 65 درصد کاهش مییابد. خانلري و همکاران ]16[ و مؤمنی و همکاران ]19[ رفتار خستگی مونزوگرانیت هاي الوند را در شرایط مختلف بارگذاري سیکلی ارزیابی و مشاهده کردند که در اثر پدیدۀ خستگی مقاومت این نوع گرانیت ها تا 75 درصد مقاومت اولیۀ آن ها کاهش می یابد.
در سال هاي اخیر توجه زیادي به رفتار سنگ در شرایط بارگذاري دینامیکی )بارگذاري چرخه اي( تحت شرایط متفاوتی از نرخ کرنش و هم چنین رفتار بعد از شکست شده است.

Zhao
Bukit Timah
Akesson
Bohus
Xiao
HengYang
Erarslan and Williams
Chen
531
مروري بر تاریخچۀ مکانیک سنگ نشان میدهد که پیشرفتهایی در زمینۀ توصیف رفتار سنگدر بارگذاري دینامیکی و چگونگی آزادسازي انرژي در حین تغییر شکل، حاصل شده است. با این وجود اطلاعات و دانش موجود براي پاسخگویی به نیازهاي کاربردي و پیش بینی انفجار سنگ و زمینلرزه و تدوین یک برنامۀ علمی براي حل این مشکلات کافی نیست. با توجه به موارد گفته شده، روي رفتار خستگی سنگها کارهاي محدودي صورت گرفته است. این در شرایطی است که تاکنون رفتار خستگی سنگ در ایران بررسی نشده است. از این رو ،ضرورت ارزیابی عملکرد بارگذاري چرخهاي روي خصوصیات مهندسی این گروه از سنگها، احساس میشود.
مواد و روش ها
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

تحقیق حاضر روي سنگ هاي تونالیتی الوند انجام شده است. بدین منظور بلوک مناسبی از این سنگ ها انتخاب شد و سپس براي تهیه مغزه هاي لازم به آزمایشگاه زمین شناسی مهندسی دانشگاه بوعلی انتقال داده شد. در ابتدا به منظور تشخیص کانی شناسی این سنگ ها مقاطع نازک مناسب از آن تهیه و بررسی شد. به علاوه براي تکمیل تحقیقات سنگ شناسی آزمایش XRD روي این نمونه ها انجام شد. مغزههاي تهیه شده به منظور انجام آزمون خستگی، داراي نسبت طول به قطر 5/6 و قطر 54 میلی متر بودهاند. سطوح انتهایی این مغزه ها مطابق با استاندارد انجمن بین المللی مکانیک سنگ19 ]14[ آماده شدند. هم چنین به منظور ثبت رفتار تغییر شکل پذیري این سنگها در طول آزمایش چهار عدد کرنش سنج الکترونیکی با طول 63 میلی متر، با آرایش دو کرنش سنج قائم و دو کرنش سنج افقی روي نمونهها چسبانیده شدند. هم چنین براي درک بهتر چگونگی ایجاد و رشد ترک در این سنگها، سه عدد سنسور ثبت انتشار امواج صوتی14 با آرایش دو سنسور در نزدیکی سطوح انتهایی و یک سنسور در مرکز نمونه، روي این نمونهها نصب شدند )شکل 1(. قبل از انجام آزمایشهاي خستگی، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی این سنگها اندازهگیري شدند. در واقع این آزمایشها به منظور تعیین خصوصیات فیزیکو-مکانیکی این گروه از سنگها در شرایط بارگذاري استاتیکی و فراهم ساختن مرجعی براي آزمایشهاي

ISRM
Acoustic Emission
دینامیکی بعدي، انجام شدند. به منظور انجام آزمایشهاي خستگی، دستگاه سروهیدرولیکحلقه بسته از نوع اینسترون با ظرفیت بارگذاري 933 و 533 کیلونیوتن در دانشگاه آدلاید استرالیا استفاده شد. خستگی به دو صورت نیرو کنترل و جابه جایی کنترل انجام میشود که هر دو روش در این پژوهش به کار گرفته. به طور معمول آزمایش شده است. آزمایشهاي مذکور در شرایط بارگذاري تک محوري در سه سطح بیشینه بار مختلف، در بازه 23/3، 25/3 و 33/3 مقاومت فشاري تک محوري، انتخاب شد. دامنۀ بارگذاري براي این سه آزمون خستگی 26 درصد مقاومت فشاري تک محوري سنگ، در نظر گرفته شد. به علاوه به منظور ارزیابی رفتار نرم شوندگی
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

802259-227583

شکل 5. نحوۀ آرایش کرنش سنج ها و سنسورهای ثبت امواج صوتي روی مغزۀ سنگي در آزماش خستگي
این سنگها دو آزمون چند مرحلهاي به روش جابه جایی کنترل انجام شد. در شروع آزمایش نمونه تا سطح تنش متوسط، به صورت نیرو کنترل و با نرخ اعمال بار مشابه با حالت استاتیکی )1/1 کیلونیوتن برثانیه(، بارگذاري شد. پس از رسیدن به سطح تنش متوسط، با وارد کردن دامنه و فرکانس بارگذاري، بارگذاري چرخهاي آغاز شد. لازم به ذکر است که فرکانس استفاده شده در این پژوهش یک هرتز بوده است. در نهایت نتایج به دست آمده از آزمون خستگی از 541
نقطه نظر کرنشهاي حداکثر و حداقل جانبی و محوري، مدولهاي مماسی و متقاطع بارگذاريو باربرداري، چقرمگی و انرژي وارفتگی ارزیابی شدند.

نتایج و بحث
پژوهش های پتروگرافي
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

بررسی هاي مقطع نازک نشان داده است که تونالیتهاي بررسی شده، متوسط دانه با بافت اینترگرانولار تا سابهدرال گرانولار هستند. بافت اینترگرانولار این سنگ باعث شده چفت شدگی و در هم تنیدگی کانی ها که عمدتاعمدتاً پلاژیوکلازها هستند، بیش تر شده و باعث افزایش مقاومت در این سنگ ها بشود. مرز دانهها به خصوص در مورد پلاژیوکلازها مستقیم است. دانههاي کوارتز انهدرال بوده است و بیوتیتها در برخی موارد کمی کلریتی شدهاند )شکل 6 الف(. ترکیب کانی شناختی این سنگها شامل کوارتز )15 درصد(، ارتوکلاز )9 درصد(، پلاژیوکلاز )92 درصد(، بیوتیت )65 درصد(، هورنبلند )15 درصد( و کانیهاي فرعی )4 درصد( است. نتایج آزمون XRD انجام شده روي این سنگها مؤید نتایج بررسی هاي مقطع نازک است)شکل 6 ب(.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید