بخشی از مقاله
تعيين چقرمگي شکست يک نوع سنگ مرمريت با استفاده از يک قطعه آزمايشگاهي اصلاح شده
خلاصه مقاله
در اين مقاله روش تست جديدي براي تعيين چقرمگي شکست مواد سنگي در مود II خالص و مود ترکيبي I.II ارائه مي گردد. اين روش که با عنوانASCB شناخته مي شود روش اصلاح شده اي از روش تست با قطعه SCB است که مزاياي بيشتري نسبت به آن دارا مي باشد. براي بررسي عملکرد اين روش اصلاح شده، چقرمگيشکست سنگ مرمر نيريز در مود هاي مختلف شکست توسط آن تعيين مي گردد. سپس نتايج بدست آمده از طريق آزمايشگاهي با نتايج پيش بيني شده به وسيله معيارMTS مقايسه مي شود. مشاهدات نشان مي دهد که نتايج حاصل از اين دو روش مطابقت خوبي با هم ندارند. که جهت رفع اين اختلاف پيشنهاد مي شود که مدل رياضي دقيق تري از معيار MTS به کار گرفته شود.
کلمات کليدي: شکست ترد، مواد سنگي، قطعه تست ، مود II خالص ، معيار MTS .
مقدمه
د انفصالات و ناپيوستگي هاي ذاتي در توده هاي سنگي از جمله ويژگي هاي خاص در اغلب اين گونه مواد مي باشد. انفصالهاي زمين شناسي به سه دسته ريزترکها (با عرض حدود ١ ميکرومتر)، شکستگي هاي ريز (با عرض حدود ١ .٠ ميليمتر يا کمتر) و شکستگي هاي بزرگ عريض تر از٠.١ميليمتر که بعضي اوقات طولشان به چندين متر مي رسد، تقسيم مي شوند. اصطلاح ناپيوستگي که در مباحث زمين شناسي به صورت وسيعي کاربرد دارد عموما ناظر به شکستگي هاي بزرگ مي باشد.
طول اين شگستگي ها در برخي موارد حدود چندين متر مي باشد. بسياري از درزه ها، شکافها، صفحات ضعيف لايه بندي و صفحات ضعيف شيستوزيته جزء اين نوع شکستگي ها به شمار مي آيند. وجود اين عوامل در توده هاي سنگي، باعث کاهش شديد مقاومت کششي و ساير خواص استحکامي توده هاي سنگ مي گردد. بنابراين ، براي بررسي دقيق خواص مهندسي توده هاي سنگي در پروژه هاي عمراني و معدني از منظر زمين شناسي سنگها داراي خواص فيزيکي، مکانيکي و شيميايي متنوعي هستند که در فرآيندهاي متوالي زمين شناسي بوجود آمده اند. وجو در نظر گرفتن تاثير اين ناپيوستگي ها بسيار مهم است . در عمليات حفاري و برش سنگها که اصولا بر مبناي يک مکانيزم رشد ترک در توده هاي سنگي استواراست ، خواص مکانيکي بستر حفاري و از جمله رفتار رشد ترک و شکست لايه ها و توده هاي مختلف سنگها، نقش تعيين کننده اي در برنامه ريزي و اجراي اين عمليات دارد. به عنوان مثال ماشين آلات حفاري را بر اساس جنس و نوع سنگ هاي موجود در منطقه حفاري انتخاب مي کنند. ماشين آلاتي که براي حفاري در بستر هاي سخت و محکم استفاده مي شوند داراي مشخصات خاصي هستند که ماشين آلات مورد استفاده در مکان هاي ديگر نيازمند داشتن آن خصوصيات نمي باشند. بنابراين ، مطالعه بر روي رفتار رشد ترک در سنگ ها از اهميت زيادي برخوردار است .
يکي از اين پارامترهاي مهم که اهميت بسزايي در مکانيک شکست سنگ ها دارد، چقرمگي شکست سنگ مي باشد که مقاومت يک سنگ در برابر رشد ترک را نشان مي دهد. کاربردهاي فراوان اين پارامتر در زمينه هاي انفجار و ترکيدگي سنگ ، پايداري و عدم فروپاشي معادن، شکست هيدروليکي و مکانيک زلزله باعث شده تا تحقيقات فراواني بر روي آن صورت پذيرد. از ديگر کاربردهاي چقرمگي شکست سنگ ها مي توان به کاربرد آن در حفاري تونل ها اشاره نمود. هنگام عمليات حفاري در تونل ها بعضا شاهد ترک هاي بسياري در سقف تونل مي باشيم . چنانچه براي انجام حفاري، چقرمگي شکست مربوط به سنگ هاي موجود در مسير حفاري تونل محاسبه نشده باشد و به علت عدم دقت کافي در محاسبات مهندسي امکان ريزش تونل بر اثر بار موجود بر روي سقف آن بيشتر شده که خسارت هاي جبران ناپذيري را مي تواند به دنبال داشته باشد.١
در کاربردهاي عملي فوق الذکر، بررسي رفتار توده هاي سنگي داراي شکستگي و ترک با استفاده از مباني علم مکانيک شکست امکان پذير است . بر اين اساس، هنگامي که يک قطعه ترک دار در معرض بار خارجي قرار مي گيرد، تمرکز تنش بسيار زيادي در اطراف نوک ترک ايجاد مي شود. هرگاه اين تنش متمرکز شده به مقدار بحراني برسد، باعث شکست قطعه مي شود. مقدار ضريب شدت تنشي را که به ازاي اين تنش بحراني محاسبه مي گردد، "چقرمگي شکست " (KC) مي نامند.
با توجه به نحوه اعمال بار خارجي، رشد ترک تحت سه مود اساسي شکست اتفاق مي افتد. مود I ، مود باز شدگي ترک است که در آن وجوه ترک در راستاي عمود بر صفحه ترک از هم جدا مي شوند. مودII ، مود برشي داخل صفحه اي است که در آن وجوه ترک در راستاي عمود بر جبهه ترک حرکت مي کنند. مودIII ، مود پارگي مي باشد که در آن وجوه ترک به صورت خارج صفحه اي و موازي جبهه ترک حرکت مي کنند (شکل ١).
تاکنون قطعات متعددي براي تعيين چقرمگي شکست مواد سنگي در مود I و مود II و مود ترکيبي I.II ارائه گرديده است که از آن جمله مي توان به ديسک برزيلي با ترک مرکزي (BD١) [١٩٧٨ ,Awaji and Sato ;٢٠٠٦ ,Aliha et al ٢٠٠٢ ,Chang et al]، قطعه مستطيلي شکل با ترک لبه اي تحت بارگذاري چهار نقطه اي نامتقارن [ Choi et ١٩٩٥ ,Fett et al ;١٩٩٣ ,Tikare and Choi ٢٠٠٥ ,al]، قطعه نيم ديسک ترکدار تحت خمش سه نقطه اي (SCB٢) [ Lim٢٠١٠ ,Aliha ;١٩٨٧ ,Chong et al ;١٩٩٤ ,et al] اشاره نمود. هر کدام از اين قطعات و روش هاي تست داراي مزايا و معايبي هستند. به عنوان مثال هنگامي که از قطعه SCB براي تعيين چقرمگي شکست در مود II استفاده مي گردد، در بعضي موارد نوک ترک در نزديکي تکيه گاه قرار مي گيرد که اين امر روي نتايج آزمايشگاهي اثر گذار مي باشد. در اين مقاله ، براي رفع اين مشکل و همچنين براي سهولت انجام تست به وسيله قطعه نيم ديسک روش تست جديدي ارائه مي گردد.
همچنين براي بررسي عملکرد اين قطعه مقادير چقرمگي شکست سنگ مرمر نيريز را در مودهاي مختلف تعيين کرده و نتايج آن با مقادير بدست آمده از معيار شکست MTS٣ مقايسه مي گردد.
معرفي روش تست جديد
قطعه متداول SCB توسط چانگ و کروپا [١٩٨٤ ,Chong and Kuruppu]
براي قطعات سنگي ارائه گرديد (شکل ٢). اين قطعه شامل نيم ديسکي با يک ترک لبه اي است که تحت خمش سه نقطه اي قرار مي گيرد. از آنجايي که فاصله هر يک از تکيه گاه ها از محل ترک مساوي هستند، براي ايجاد مود I شکست کافي است خط ترک و نيروي وارده در يک راستا قرار گيرند و براي برقراري مود ترکيبي I.II بايد بين اين دو راستا، زاويه ايجاد گردد.
همان طور که در شکل (٣) مشاهده مي گردد، در روش جديد ارائه شده هميشه خط ترک و نيروي فشاري وارده در يک راستا هستند و عدم تقارن محل تکيه گاه ها نسبت به محل ترک باعث ايجاد مود ترکيبي I.II و مود II خالص مي شود. مزيت اصلي اين روش تست ايجاد سهولت بيشتر براي تهيه قطعات و انجام تست شکست روي آنها مي باشد. از آنجايي که در اين تست راستاي ترک هميشه ثابت است ، مي توان قطعات را به صورت سري ايجاد نمود و با توجه به مود بارگذاري مورد نظر محل تکيه گاه ها را تنظيم نمود. مزيت ديگر اين روش در مواقعي ديده مي شود که گاهي براي انجام تست شکست با استفاده از قطعه SCB در مود II خالص نوک ترک به محل تکيه گاه خيلي نزديک مي شود. در اين موارد امکان شکست قطعه از محل تکيه گاه بسيار بالاست و همچنين نتايج بدست آمده دچار مشکل مي شوند .
از آنجايي که در اين روش از تکيه گاه هاي نا متقارن استفاده شده اين روش با عنوان 1ASCB نامگذاري شده است .
تشريح تست هاي آزمايشگاهي
براي بررسي عملکرد روش ASCB، مقادير چقرمگي شکست در مود I خالص ، مود II خالص و چند مود ترکيبي I.II با استفاده از اين روش تعيين مي گردد. براي اين از جنس سنگ مرمر نيريز 50mm=R، منظور ١١ عدد نيم ديسک با شعاع
ضخامت آماده گرديد. براي ايجاد ترک ها ابتدا با تيغه هايي به ضخامت ١ ميليمتر شکاف هايي را توليد کرده و سپس با استفاده از تيغه هاي بسيار نازکي با ضخامت ٠.٢ ميليمتر نوک اين شکاف ها را تيز نموده تا به ترک هاي واقعي خيلي نزديک گردد. براي ايجاد مودهاي مختلف شکست محل يکي از تکيه گاه ها به صورت ثابت گرديد و تکيه گاه دوم به صورت تغيير مي کند. در شکل ٤ نحوه انجام تست نشان داده شده است
معرفي پارامترهاي نوک ترک
مطابق با آنچه ويليامز ارائه کرده است [١٩٥٧ ,Williams] ناحيه تنش الاستيک اطراف نوک ترک به صورت عبارت هاي يک سري نامتناهي به صورت معادله ١ بيان مي گردد.
