بررسي اثر دوره هاي انجماد-ذوب بر روي مقاومت خستگي سنگ‌ها تحت بارگذاري كاملاً معكوس شونده

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي معدن

كارشناسي ارشد

برخلاف شكست استاتيكي كه در اثر بارگذاري ثابت رخ مي‌دهد، خستگي ناشي از تجمع آسيب‌هاي مكرر است كه در نهايت به گسيختگي ناگهاني سنگ منجر مي‌شود. تركيب بارگذاري خستگي و هوازدگي انجماد-ذوب در سازه‌هاي سنگي مسئله‌اي پيچيده است كه درك بهتر آن مي‌تواند به بهبود طراحي و جلوگيري از تخريب زودرس پروژه‌هايي مانند ذخيره‌گاه‌هاي زيرزميني زباله‌هسته‌اي، مخازن زيرزميني سوخت، ذخيره‌سازي انرژي حرارتي، چاه‌هاي زمين‌گرمايي، پايداري حفريات زيرزميني، تكيه‌گاه‌هاي سنگي سدها و ديواره‌هاي معادن روباز تحت تأثير شرايط جوي، عرض جغرافيايي و ارتفاع قرار دارند،كمك كند. عدم بررسي‌هاي علمي در مورد تعامل دوسويه كشش-فشار در سال‌هاي اخير توجه پژوهشگران را به خود جلب كرده ولي همچنان مطالعات كمي در حوزه ژئومكانيك به اين موضوع پرداخته‌اند. اين مسئله وقتي پيچيده‌تر مي‌شود كه اثرات محيطي مانند دوره‌هاي انجماد-ذوب نيز به اين تعامل افزوده شود. اين پژوهش با تمركز بر اندركنش بين آسيب‌هاي حرارتي ناشي از دورهاي انجماد و ذوب تحت بارگذاري كاملاً معكوس شونده، تلاش مي‌كند تا اثر رفتار خستگي و شكست آن را در سنگ‌ها را به طور دقيق‌تري مدل‌سازي كند. براي بررسي خواص خستگي نمونه‌هايي از سه نوع سنگ بر اساس روش تنش-عمر،كه تحت اجراي طرح آزمايش براي10، 30 و50 دوره‌ انجماد در دماي 5- و20- و ذوب در دماي 20، 40 و 60 درجه سانتي‌گراد و بارگذاري متناوب معكوس شونده، قرار مي‌گيرند. تغييرات خواص آن‌ها با نمونه‌هاي شاهد مقايسه مي‌شود. براي اين منظور، ازدستگاه توسعه يافته آزمايش خستگي تير سنگي چرخان كه با الهام از دستگاه تير چرخان تحت خمش در فلزاست، استفاده شد. هدف از اين تحقيق، يافتن رابطه اي براي تعيين و پيش‌بيني ميزان آسيب و ارزيابي تأثير آن بر پارامترهاي مقاومت خستگي براي سه نوع سنگ كربناته با ويژگي‌هاي فيزيكي و مكانيكي متفاوت است. نتايج نشان مي دهد سه سنگ تراورتن، مرمريت و مرمر سبز انتخاب شده، داراي حد دوام مشخصي هستند كه در محدوده 49/0 تا 66/0 مقاومت كششي تحت خمش قرار دارد. در طرح آزمايش انجام‌شده، فاكتورهاي مؤثر مانند دماي انجماد، دماي ذوب، تعداد دوره‌هاي F-T و تخلخل اوليه تأثيرات متفاوتي بر مقاومت خستگي داشتند. اين تغييرات در سطح تنش پايين (حد دوام) منجر به كاهش 33/1% تا 77/60% و در سطح تنش بالا (عمر خستگي كم) باعث كاهش 18/1% تا 85/51% شده است. همچنين، نرخ شيب نمودار برازش‌شده نسبت به نمودار شاهد تا 96/51% افزايش يافته است. نمونه‌هايي كه قبلاً تحت تأثير دوره حرارتي گرفته‌اند، نسبت به نمونه‌هاي شاهد، تردي كمتري دارند و رفتار شكل‌پذيرتري از خود نشان مي‌دهند، شيب نمودارهاي مربوط به اين سنگ‌ها كمتر است. در 60% از موارد، نمودارهاي آسيب‌ديده نسبت به نمونه‌هاي شاهد نشان دادند كه در سطوح تنش بالا، كاهش مقادير كمتر از زماني است كه سطح تنش پايين است. افزايش تخلخل از حداقل 74/0% تا حداكثر 16/86% و كاهش سرعت موج از حداقل 1% تا حداكثر 07/22% مشاهده شده است. با توجه به نتايج به دست آمده از طرح آزمايش اجرا شده، روابط بين تغييرات در فاكتور ها وسطوح پاسخ مختلف (خستگي و فيزيكي)، در طي فرآيندهاي ذوب و انجماد توسعه داده شده است. نتايج بررسي سطح مقطع شكست خستگي نمونه‌هاي آسيب‌ديده تحت دوره‌هاي دمايي F-T، نشان مي‌دهد كه اين مقاطع بسته به تعداد دورهاي انجماد-ذوب، محدوده‌ي دمايي و تخلخل، رفتار متفاوتي دارند. براي سنگ تراورتن و مرمريت، شكست ناصاف است، اما در نمونه‌هاي مرمر سبز، هيچ گونه خردشدگي يا تغيير ظاهري وجود ندارد. اين نتايج نشان‌دهنده‌ي تفاوت‌هاي قابل توجه در رفتار شكست ميان انواع مختلف سنگ‌ها تحت تأثير دماهاي انجماد-ذوب است.

230257

مكانيك سنگ

مهندسي معدن

دانشگاه صنعتي اصفهان