بخشی از مقاله
خلاصه
گسیختگی سنگ در اثر انتشار یک یا چند ترک اتفاق می افتد. چقرمگی شکست سنگ در مطالعات تئوری و کاربردهای مهندسی مربوط به گسیختگی سنگ مهم است. ترک می تواند در سه مود ایجاد یا شروع به انتشار نماید. این سه مود شامل مود I - حالت کششی - ، مود II - حالت برشی - و مود III - حالت ترکیبی - می شود. چقرمگی شکست در بسیاری از حوزه ها شامل شکست هیدرولیکی، انفجار سنگ، برش سنگ، طراحی فضاهای زیرزمینی وشکست سنگ در فرآوری مواد معدنی کاربرد دارد.
سنگ یک ماده شکننده میباشد و چون تمامی مواد شکننده در کشش ضعیف میباشند، به طور عموم مود I - مود کششی - بحرانیترین حالت بارگذاری در نظر گرفته می شود.. سه روش برای حالت من چقرمگی سنگ اندازه گیری توسط ISRM پیشنهاد شده است.
از آنجایی که تعیین چقرمگی شکست مود I بوسیله انجام آزمایش، وقت گیر و پرهزینه می باشد بنابراین، یک روش ساده برای تعیین چقرمگی شکست سنگ می تواند مفید باشد.
در این پژوهش آزمون بار نقطه ای و آزمون خمش سه نقطه بر روی نمونه های سنگ انجام شده است. پژوهش حاضر با هدف ارائه یک رابطه تجربی برای تخمین چقرمگی شکست سنگ می باشد.
نتایج نشان می دهد که چقرمگی شکست مود I سنگ ها را می توان با سطح بالایی از دقت و با استفاده از رابطه ارائه شده که دارای ضریب تعیین 0/98 است برآورد کرد.
1. مقدمه
کارهای اولیه در زمینه مکانیک شکست در مواد شکننده متعلق به گریفیث می باشد که در سال 1920 در زمینه شکست شیشه کار میکرد. بعد از آن اروین در سالهای 1952 تا 1954 فاکتوری به نام ضریب شدت تنش را تعریف کرد که مقدار تنش محلی را در اطراف نوک ترک نشان میدهد. تحقیقات اولیه در زمینه چقرمگی شکست به کارهای هوک و بینیاوسکی در سال 1965 در آفریقای جنوبی بر میگردد. مقدار بحرانی ضریب شدت تنش چقرمگی شکست نامیده میشود.
در علم مکانیک شکست، شرایط بحرانی یک قطعه ترکدار با استفاده از شدت تنش موجود در نوک ترک تخمین زده میشود. بدین منظور ضرایبی را تحت عنوان ضرایب شدت تنش و - به ترتیب ضریب شدت تنش در مود اول و مود دوم - ، پارامترهای اصلی شکست هستند که میزان مقاومت ماده را در مقابل رشد و گسترش ترک مشخص میسازند. برای آگاهی از وضعیت شروع و رشد ترک و در نهایت شکست قطعه، تعیین مقادیر و به طور کامل ضروری است. در این مقاله آزمایشهای مختلفی که برای تعیین چقرمگی شکست مود اول اجرا شده است، ارائه میگردد
سه مود اصلی اعمال نیرو بر ترک وجود دارد. مود یک، مود کشیدگی و باز شدگی است که در این مود جابجایی وجوه ترک عمود بر جبهه ترک می-باشد. مود دو، مود برش و لغزشی است که در این مود جابجایی وجوه ترک در صفحه ترک ولی عمود بر جبهه ترک میباشد و مود سه، مود لغزش و پاره شدگی است که در این مود جابجایی وجوه ترک در صفحه ترک و موازی با جبهه ترک است.
شکل - - 1 تصویر شماتیکی از این مودها را نشان میدهد. هر ترکیبی از این سه مود اصلی تحت عنوان مود ترکیبی شناخته میشود
شکل -1 سه مود اصلی اعمال نیرو در قطعات ترکدار [2 ]
روش های موجود برای اندازه گیری چقرمگی شکست را میتوان بر اساس شرایط بارگذاری آنها ها به سه دسته زیر تقسیم کرد: -1 بارگذاری کششی مستقیم -2 بارگذاری فشاری -3 بارگذاری خمشی
روش های ذکر شده مشکلات زیر را دارند:
-1 زمانبر بودن تهیه نمونه ها -2 نیاز به تجهیزات گران قیمت وخاص -3 دقت بسیار در تهیه نمونه ها -4 نیاز به مدل سازی عددی .
برای جلوگیری از بروز چنین مشکلاتی سعی شده است از روش های آسان تری برای تخمین چقرمگی سنگ استفاده کرد. یکی از این روش ها تخمین چقرمگی شکست سنگ با استفاده از اندیس بار نقطه ای می باشد.
در ادامه انواع آزمایشهای با بارهای خمشی و فشاری که برای تعیین چقرمگی مود I استفاده می شود ذکر شده است
الف - انواع آزمایش ها با بار فشاری:
1. آزمایش بر روی نمونه دیسک برزیلی دارای ترک مستقیم
2. آزمایش فشار قطری
3. آزمایش بر روی نمونه دیسک برزیلی دارای ترک چورون
4. حلقه اصلاح شده
5. دیسک برزیلی
6. دیسک برزیلی تخت شده
ب - انواع آزمایش ها با بار خمشی:
1. بار گذاری خمشی سه نقطه ای بر روی نمونه های استوانه ای دارای ترک مستقیم
2. بار گذاری خمشی سه نقطه ای بر روی نمونه های استوانه ای دارای ترک چورون
3. بار گذاری خمشی سه نقطه ای بر روی نمونه های نیم دایره ای دارای ترک مستقیم
4. بار گذاری خمشی سه نقطه ای بر روی نمونه های نیم دایره ای دارای ترک چورون
در این تحقیق سعی شده است رابطه تجربی میان چقرمگی شکست مود I و اندیس بار نقطه ای سنگ ارائه شود.
2. آزمایشهای انجام شده
در این تحقیق روی نمونه های استوانه ای آزمایش بار نقطه ای و بر روی نمونه های استوانه ای دارای ترک مستقیم آزمایش بار گذاری خمشی سه نقطه ای انجام شده است. برای آماده سازی نمونه ها مراحل زیر انجام می شود:
1. با دستگاه مغزه گیر از هر بلوک 2 مغزه استوانه ای با قطر 51 میلیمتر - برای آزمایش چقرمگی شکست - و 2 مغزه استوانه ای با قطر 51 میلیمتر - برای آزمایش بار نقطه ای - تهیه می شود.
2. با استفاده از دستگاه برش وخط کش، مغزه های 51 میلیمتری، به قطعات 130 میلیمتری برش داده می شود.
3. ترکی به طول 23 میلیمتر به طوری که عمود بر محور استوانه باشد در وسط نمونه ها توسط اره الماسه ایجاد می شود.
4. توسط ماژیک نمونه ها شماره گذاری شده و دسته بندی میشوند، تا در مرحله بعد آزمایشات روی آن ها انجام گیرد.
آزمایش خمش سه نقطه ای روی نمونه های استوانه ای برای اولین بار توسط اوچرلونی در سال 1981 مورد استفاده قرار گرفت و توسعه یافت. این روش برای اندازهگیری چقرمگی شکست مود اول، مود دوم و مود ترکیبی کاربرد دارد.
در کار آزمایشگاهی، نمونه مغزهگیری شده در طول مورد نظر بریده میشود. سپس به وسیله اره یک شکاف در وسط آن عمود بر راستای محور مغزه ایجاد میشود، مطابق شکل . - 2 - تفاوت که در این روش به جای ترک چورون در نمونه ی CB یک ترک مستقیم در وسط نمونه و عمود بر محور آن ایجاد می شود.
