بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مهمترین و کاربردیترین آزمایشها جهت تخمین غیر مستقیم مقاومت فشاری تکمحوری، آزمایش شاخص بار نقطهای میباشد که اکنون به عنوان آزمایشی آسان و در عین حال پر اهمیت برای طبقهبندی مقاومتی سنگها و نیز تخمین زدن مقاومت فشاری و کششی آنها به خوبی شناخته شده است.
در تحقیق حاضر، آزمایش شاخص بار نقطهای با آزمایش جدید بار نقطهای لبه که در آن با اعمال بار نقطهای در نزدیکی لبه نمونههای مکعبی سنگ، نمونه دچار شکستگی در لبه میشود، مورد مقایسه قرار گرفته است.
بدین منظور آزمایشهای زیادی بر روی نمونههای مختلف سنگ انجام شده است. با استفاده از روش رگرسیون خطی، ارتباط نتایج حاصل از آزمایش شاخص بار نقطهای و بار نقطهای لبه مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه نتایج بدست آمده نشاندهنده تطابق خوب آزمایشهای مذکور با یکدیگر است.
1. مقدمه
مقاومت فشاری تک محوری یکی از مهمترین، پر کاربردترین و مرسومترین پارامترهایی است که مهندسین در اکثر پروژههای طراحی مرتبط با سنگ و مصالح سنگی از جمله سازههای سنگی زیرزمینی، مورد استفاده قرار میدهند. در نتیجه به دست آوردن این پارامتر برای سنگها امری ضروری است. با توجه به اهمیت و کاربرد فراوان آزمایش مقاومت فشاری تکمحوری، فرآیند انجام این آزمایش و نحوه اندازهگیری مقاومت فشاری تکمحوری توسط انجمن بینالمللی مکانیک سنگ 3 - ISRM - و انجمن استاندارد آزمایش و مواد آمریکا 4 - ASTM - به صورت استاندارد توضیح داده شده است.
انجام دقیق این آزمایش با وجود ظاهری ساده، نیازمند صرف وقت و هزینه بسیار برای نمونهگیری و آمادهسازی نمونهای با سطوح انتهایی کاملا صاف با کیفیت بالا و طبق استاندارد میباشد و گاهی اوقات تهیه نمونههای استوانهای با طول مناسب از سنگهای سست و یا متورق و دارای سطوح ضعیف، کاری غیرممکن یا بسیار دشوار است و در عین حال نتایج حاصل وابستگی شدیدی به عوامل خارجی، خطاهای انسانی، ابعاد نمونه و نحوه بارگذاری دارد.
از اینرو استفاده از سایر آزمایشهای شاخص، برای تخمین غیر مستقیم مقاومت فشاری تکمحوری سنگ مورد توجه محققین و دانشمندان مختلف قرار گرفته است.[2] لازم به ذکر است که آزمایشهای غیر مستقیم به دلیل آمادهسازی کم نمونه در مقایسه با آزمایش مقاومت فشاری، سادهتر، سریعتر و اقتصادیتر هستند.
یکی از مهمترین و کاربردیترین این آزمایشها، آزمایش شاخص بار نقطهای میباشد که اکنون به عنوان آزمایشی آسان و در عین حال پر اهمیت برای طبقهبندی مقاومتی سنگها و نیز تخمین زدن مقاومت فشاری و کششی آنها به خوبی شناخته شده است. بروچ5 و فرانکلین - 1972 - 6 آزمایش بار نقطهای را با جزئیات در انجمن بینالمللی مکانیک سنگ شرح دادهاند و در سال 1985 این آزمایش به عنوان روشی پذیرفته شده توسط ISRM مورد تایید قرار گرفته است.
دستگاه آزمایش بار نقطهای ساده و قابل حمل بوده که شامل سیستم بارگذاری، فکها، وسیله اندازهگیری بار و وسیله اندازهگیری جابجایی بین دو راس فکها میباشد و در آن، نمونه سنگ توسط باری که توسط دو فک مخروطی شکل بر سطوح جانبی آن وارد میشود، عمدتا در اثر کشش شکسته شده و مقاومت فشاری تک محوری با توجه به نتایج این آزمایش و استفاده از روابط پیشنهادی تعیین میشود.
آزمایش تعیین شاخص بار نقطهای لبه 1 - ELT - سنگ آزمایش جدیدی است که از نتایج آن برای تخمین غیرمستقیم مقاومت فشاری تکمحوری پیشنهاد گردیده است. در آزمایش مذکور با اعمال بار نقطهای به نزدیکی لبه نمونههای مکعبی سنگ، نمونه دچار شکست در لبه شده و از مقدار نیروی بدست آمده، مقاومت فشاری تکمحوری تخمین زده میشود. به طور کلی در این تحقیق، ده نوع سنگ در ردههای مقاومتی بسیار ضعیف تا بسیار مقاوم مورد آزمایش قرار گرفته است.
در مطالعه حاضر از ملاتهای گچ، سیمان و ماسه سیمان هفت روزه به عنوان سنگهای با مقاومت بسیار کم، چهار نوع سنگ تراورتن و یک نوع سنگ مرمریت با مقاومت متوسط و دو نوع سنگ گرانیت با کریستالهای ریز و با مقاومت بسیار زیاد استفاده شده است. بر روی نمونههای تهیه شده آزمایشهای شاخص بار نقطهای و بار نقطهای لبه انجام گرفت. مجموع آزمایشهای انجام شده بر روی این نمونهها به حدود 600 آزمایش مختلف رسید. برای انجام آزمایش بار نقطهای لبه، از دستگاه آزمایش بار نقطهای با اصلاح دستگاه و با تمهیدات ویژهای استفاده گردید.
نمونههای مورد آزمایش در آزمایش شاخص بار نقطهای نمونههای استوانهای - مغزه - به قطر42، 38، 37 و 35 میلیمتر و در آزمایش بار نقطهای لبه نمونههای مکعب مستطیلی شکل با ابعاد تقریبی60×60×100، 70×70×100 و 75×75×100 میلیمتر از سنگهای با مقاومتهای متفاوت میباشند. پس از انجام آزمایشها، نتایج آزمایشهایی که در آنها خطایی رخ داده و یا شکست موضعی در نمونه حاصل شده است حذف شدهاند. در مرحله بعد با استفاده از روش رگرسیون خطی بین نتایج آزمایشهای انجام شده، میزان دقت استفاده از نتایج آزمایش بار نقطهای لبه برای تخمین شاخص بار نقطهای سنگ مورد ارزیابی قرار گرفته است.
2. مروری بر تحقیقات انجام شده
با وجود آنکه در آزمایش بار نقطهای شکست غالبا تحت کشش واقع میشود این آزمایش بیشتر به عنوان روشی جهت تخمین مقاومت فشاری سنگها و طبقهبندی مقاومتی آنها مورد استفاده قرار میگیرد.
دآندرآ و دیگران - 1964 - 2 آزمایش مقاومت فشاری و بار نقطهای را روی نمونههای با قطر 25 میلیمتر انجام دادند و رابطهای خطی بین اندیس بار نقطهای و مقاومت فشاری پیشنهاد کردند.
بروچ و فرانکلین - 1972 - ادعا کردند که مقاومت فشاری 24 برابر اندیس بار نقطهای برای نمونههای با قطر 50 میلیمتر است. آنها روابطی را نیز برای تبدیل اندیس بدست آمده از دیگر اندازهها به اندیس بار نقطهای برای نمونههای به قطر 50 میلیمتر پیشنهاد نمودند .
بنیاوسکی - 1975 - 3 نیز عدد مقاومت فشاری را 23 برابر بزرگتر از اندیس بار نقطهای پیشنهاد کرد. اما پلز - 1975 - 4 نشان داد که فاکتور تبدیل شاخص به مقاومت 24 میتواند تا %20 در مورد سنگهایی مثل دولریت، ندریت و پیروکنیست منجر به خطا شود. همچنین تحقیقات جرمینگر - 1982 - و فاستر - 1983 - نیز نشان دادند عدد 24 برای سنگهای ناهمسانگرد مناسب نیست.
حسنی و دیگران - 1980 - 5 نیز پس از انجام تحقیقات گستردهای در مورد اثر اندازه در نتایج آزمایش بار نقطهای به عدد 29 جهت ارتباط دادن شاخص این آزمایش با مقاومت فشاری دست یافتند.[7] نتایج تحقیقات آنها در دستورالعمل انجام آزمایش بار نقطهای آمده است. در نهایت ISRM فاکتور تبدیل بار نقطهای به مقاومت فشاری را 20تا 25 پیشنهاد کرد و در عین حال این نکته را ذکر کرد که اعدادی مابین 15 تا 50 نیز برای این فاکتور گزارش شدهاند. از آن پس نیز تحقیقات زیادی در مورد یافتن این فاکتور برای سنگهای مختلف در حال انجام است.
در ایران نیز تحقیقاتی در این زمینه انجام شده است که از آن جمله میتوان پژوهش دکتر احمد فهیمیفر و کامران مریخپور - 1373 - اشاره کرد. در این تحقیق سنگهای گرانیت منطقه همدان مورد آزمایش مقاومت فشاری و بار نقطهای قرار گرفتند و در نهایت پس از طبقهبندی آنها، سه رابطه برای هر یک از طبقات مقاومتی پیشنهاد شد
مجتبی پیرپناهی - 1390 - نتایج آزمایش جدید بار نقطهای لبه را با نتایج آزمایش مقاومت فشاری تکمحوری و شاخص بار نقطهای مقایسه نمود و نتیجه گرفت که مقاومت بار نقطهای لبه با مقاومت فشاری تکمحوری و شاخص بار نقطهای برای سنگهای مورد آزمایش - سنگهای آهکی با مقاومت فشاری 25 تا 80 مگاپاسکال - رابطه تقریبا خطی دارند
2. شرح نمونههای مورد آزمایش
سنگهای استفاده شده در این تحقیق را میتوان به سه دسته عمده تقسیمبندی کرد: سه نوع ملات، سنگهای رسوبی شامل تراورتنها و مرمریت و سنگهای آذرین شامل گرانیتها. در مطالعه حاضر از ده نوع سنگ برای نمونهگیری استفاده است: ملاتهای گچ، سیمان و ماسه سیمان هفت روزه به عنوان سنگهای با مقاومت بسیار کم، چهار نمونه سنگ آهکی تراورتن کرم، زرد، قرمز و شکلاتی، یک نمونه سنگ مرمریت طوسی رنگ به نام سنگ چینی یا لایبیت و دو نمونه سنگ گرانیت ارومیه و چایان با کریستالهای ریز.
در آزمایشهای شاخص بار نقطهای نمونهها به قطر تقریبی42، 38، 37 و 35 میلیمتر مورد استفاده قرار گرفتند. انتخاب قطرها برای استفاده در آزمایشها بر اساس تجهیزات و محدودیتهای آزمایشگاهی ومطالعات محققین قبلی بوده است. لازم به ذکر است که ملاتهای مورد استفاده در آزمایش شاخص بار نقطهای با استفاده از لولههایPVC به قطر داخلی 37 میلیمتر و طول تقریبی 80 میلیمتر ساخته شدهاند. نمونههای آماده شده از بلوکهای به ابعاد حدود 200×200×100 و 200×200×80 میلیمتر، مغزهگیری شدهاند. این بلوکها در کارخانه سنگبری از لاشه سنگهای بزرگ تهیه شدهاند که مستقیما از معدن آورده میشود.
با توجه به اینکه روش استانداردی برای آزمایش بار نقطهای لبه وجود نداشت، جهت بررسی اثر ابعاد نمونه ابتدا آزمایش آباکوس - Abaqus - مدلسازی شد. در این راستا با توجه به مطالعات انجام شده توسط پیرپناهی - 1390 - ، نتایج حاصل از انجام آزمایش بار نقطهای لبه بر روی دو نمونه از سنگهای آزمایش شده، با فواصل اعمال بار از لبه سنگ برابر 10، 15 و 20 میلیمتر در نرمافزار مدلسازی شد.
با توجه به نتایج مدلسازی و نحوه توزیع تنش در نمونهها و همچنین امکان انجام حداقل دو آزمایش بار نقطهای لبه بر روی هر نمونه مکعبی، حداقل ضخامت نمونهها به ترتیب برابر 60، 70 و 75 میلیمتر در نظر گرفته شد. سپس نمونههای سنگی بلوکی مورد نیاز برای آزمایش بار نقطهای لبه در کارخانه سنگبری به ابعاد تقریبی 60×60×100، 70×70×100 و 75×75×100 میلیمتر بریده شدند. همچنین ملاتهای گچ، سیمان و ماسه سیمان هفت روزه در قالبهای فلزی 15×15 سانتیمتر به ابعاد 150×150×75 میلیمتر ساخته شدند و سپس در کارخانه سنگبری به ابعاد مورد نیاز برای آزمایش بار نقطهای لبه برش داده شدند. در نهایت سنگهای انتخابی برای آزمایشهای مختلف به قرار زیر بودند:
-1 سنگ مرمریت لایبیت: 10 مغزه با قطر 38 میلیمتر، 3 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 35 نمونه مکعبی
-2 سنگ آهکی تراورتن کرم: 12 مغزه با قطر 38 میلیمتر و 36 نمونه مکعبی
-3 سنگ آهکی تراورتن زرد: 12 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 30 نمونه مکعبی
-4 سنگ آهکی تراورتن قرمز: 3 مغزه با قطر 38 میلیمتر، 9 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 35 نمونه مکعبی
-5 سنگ آهکی تراورتن شکلاتی: 5 مغزه با قطر 38 میلیمتر، 7 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 30 نمونه مکعبی
-6 ملات گچ: 12 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 24 نمونه مکعبی
-7 ملات سیمان هفت روزه: 12 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 24 نمونه مکعبی
-8 ملات ماسه سیمان هفت روزه: 12 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 24 نمونه مکعبی
-9 سنگ گرانیت ارومیه: 4 مغزه با قطر 42 میلیمتر و 12 نمونه مکعبی
-10 سنگ گرانیت چایان: 6 مغزه با قطر 42 میلیمتر و 12 نمونه مکعبی
تمام سنگها تحت آزمایشهای شاخص بار نقطهای و بار نقطهای لبه با فواصل بار مختلف قرار گرفتهاند. نتایج آزمایشها ثبت شده و میانگین نتایج آنها در تحلیلها مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین ضریب پراکندگی - CV - به عنوان شاخصی از پراکندگی نتایج آزمایش در مورد هر نمونه مورد مطالعه قرار گرفته است.
3. معرفی دستگاههای آزمایش
برای مغزهگیری نمونههای استوانهای از دستگاههای Controls 45-C0330 و AGP DM250L موجود در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشکده فنی دانشگاه تهران استفاده شده است
