مقاله کاربرد آزمایش بار نقطه ای لبه برای ارزیابی غیر مستقیم مقاومت فشاری تک محوری سنگ

بخشی از مقاله

خلاصه

مقاومت فشاری تکمحوری سنگ اصلیترین پارامتر مقاومتی سنگ به شمار میرود. از آنجا که انجام آزمایش مقاومت فشاری تکمحوری وقت و هزینهبر بوده و همچنین تهیه نمونه استاندارد برای انجام آن به خصوص از ستگهای درزهدار و ضعیف امری است دشوار و گاهی غیرممکن، امروزه روشهای غیرمستقیم تخمین این پارارمتر مورد توجه قرار گرفته است. یکی از این روشها آزمایش جدید بار نقطهای لبه میباشد.

در این آزمایش با اعمال بار نقطهای به نزدیک لبه نمونههای مکعبی سنگ، نمونه دچار شکست در لبه میشود و از روی مقدار نیروی بدست آمده مقاومت فشاری تکمحوره تخمین زده میشود. بدین منظور آزمایشهای زیادی بر روی نمونههای مختلف سنگ انجام شده است. در انتها با تحلیل نتایج آزمایشها رابطهای بین مقاومت بار نقطهای لبه سنگ و مقاومت فشاری تکمحوره و همچنین مدولهای الاستیسته حاصل از آزمایشهای مذکور ارایه میشود.

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.[1] از اینرو استفاده از سایر آزمایشهای شاخص، برای تخمین غیر مستقیم مقاومت فشاری تکمحوری سنگ مورد توجه محققین و دانشمندان مختلف قرار گرفته است.

لازم به ذکر است که آزمایشهای غیر مستقیم به دلیل آمادهسازی کم نمونه در مقایسه با آزمایش مقاومت فشاری، سادهتر، سریعتر و اقتصادیتر هستند.

آزمایش تعیین شاخص بار نقطهای لبه 5 - 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 مقاومت فشاری تکمحوری و بار نقطهای لبه انجام گرفت.

مجموع آزمایشهای انجام شده بر روی این نمونهها به حدود 300 آزمایش مختلف رسید. برخی نکات به خصوص در مورد دستهبندی نتایج آزمایشهای بار نقطهای لبه به دو دسته قابل قبول و غیر قابل قبول بر اساس مشاهدات موجود به صورت تکمیلی پیشنهاد گردید. 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 فشاری تکمحوری نمونههای استوانهای - مغزه - به قطر42، 38، 37 و 35 میلیمتر و نسبت طول به قطر تقریبی 2 و در آزمایش بار نقطهای لبه نمونههای مکعب مستطیلی شکل با ابعاد تقریبی 70×70×100 میلیمتر از سنگهای با مقاومتهای متفاوت میباشند. همچنین برای اندازهگیری تغییرشکلهای نمونه، گیج اندازهگیری جابجایی1 بر روی هر دو دستگاه مقاومت فشاری تکمحوری و بار نقطهای نصب شد.

منحنیهای تنش کرنش بدست آمده از آزمایش فشاری تکمحوری و بار نقطهای لبه برای محاسبه مدول تغییرشکلپذیری سنگ مورد استفاده قرار گرفته است. 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 مقاومت فشاری تکمحوری و مدول تغییرشکلپذیری سنگ مورد ارزیابی قرار گرفته است.

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 مقاومت فشاری تکمحوری نمونهها به قطر تقریبی42، 38، 37 و 35 میلیمتر و نسبت طول به قطر تقریبی دو مورد استفاده قرار گرفتند. انتخاب قطرها برای استفاده در آزمایشها بر اساس تجهیزات و محدودیتهای آزمایشگاهی بوده است. لازم به ذکر است که ملاتهای مورد استفاده در آزمایش فشاری تکمحوری 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 و یا بریده 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 در نرمافزار آباکوس - Abaqus - مدلسازی شد. در این راستا با توجه به مطالعات انجام شده توسط پیرپناهی [3] - 1390 - ، نتایج حاصل از انجام آزمایش بار نقطهای لبه بر روی دو نمونه از سنگهای آزمایش شده، با فاصله اعمال بار از لبه سنگ برابر 15 میلیمتر در نرمافزار مدلسازی شد.

با توجه به نتایج مدلسازی و نحوه توزیع تنش در نمونهها، حداقل ضخامت و عرض نمونهها برای عدم تاثیر ابعاد نمونه در نتایج و همچنین امکان انجام حداقل دو آزمایش بر روی هر نمونه مکعبی، برای فاصله بار از لبه مذکور برابر 70 میلیمتر در نظر گرفته شد. سپس نمونههای سنگی بلوکی مورد نیاز برای آزمایش بار نقطهای لبه در کارخانه سنگبری به ابعاد تقریبی70×70×100 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، 4 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 12 نمونه مکعبی

-2 سنگ آهکی تراورتن کرم: 12 مغزه با قطر 38 میلیمتر و 12 نمونه مکعبی

-3 سنگ آهکی تراورتن زرد: 12 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 10 نمونه مکعبی

-4 سنگ آهکی تراورتن قرمز: 3 مغزه با قطر 38 میلیمتر، 8 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 12 نمونه مکعبی

-5 سنگ آهکی تراورتن شکلاتی: 1 مغزه با قطر 38 میلیمتر، 13 مغزه با قطر 35 میلیمتر و 9 نمونه مکعبی

-6 ملات گچ: 12 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 8 نمونه مکعبی

-7 ملات سیمان هفت روزه: 10 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 8 نمونه مکعبی

-8 ملات ماسه سیمان هفت روزه: 10 نمونه استوانهای با قطر 37 میلیمتر و 8 نمونه مکعبی

-9 سنگ گرانیت ارومیه: 4 مغزه با قطر 42 میلیمتر و 6 نمونه مکعبی

-10 سنگ گرانیت چایان: 6 مغزه با قطر 42 میلیمتر و 6 نمونه مکعبی

تمام سنگها تحت آزمایشهای مقاومت تکمحوری و بار نقطهای لبه با فاصله بار از لبه 15 میلیمتر 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. دستگاههای مذکور قادرند با استفاده از متههای الماسه و با سیستم چرخشی مغزههایی به قطرهای متفاوت - حداکثر 54 میلیمتر - تهیه کنند. در طول عملیات مغزهگیری مته به وسیله گردش آب خنک میشود.

نکته مهم در استفاده از این دستگاه، اعمال دقت کافی در ثابت نگه داشتن بلوکهای سنگی است چرا که حرکت بلوکها یا لرزش بیش از حد آنها میتواند سبب شکستن مته حفاری شود. برای انجام آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده مغزههایی با سطوح مقطع صیقلی و موازی مورد نیاز است. به همین سبب مغزههای تهیه شده بایستی به وسیله دستگاه آمادهسازی نمونه Controls 45-D0536 آمادهسازی شوند. چنانچه طول مغزه با ابعاد مورد نیاز تفاوت زیادی داشته باشد ابتدا به وسیله تیغه برش دستگاه تا نزدیکی ابعاد دلخواه بریده میشود، سپس دو سر نمونه توسط تیغه سایش به دقت صاف و صیقلی شده وطول مورد نیاز با دقت بالایی حاصل میشود.

برای آزمایش مقاومت فشاری تکمحوری از دستگاه جک بتنشکن 200 تن دیجیتالی ساخت شرکت فراز تجهیز موجود در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشکده فنی دانشگاه تهران استفاده شده است. این دستگاه مجهز به دو صفحه بارگذاری فولادی میباشد. صفحه بالایی دستگاه ثابت است و به دلیل داشتن نشیمنگاه لغزنده، توانایی برطرف ساختن عدم موازی بودن سطح دو نمونه را دارا میباشد.

صفحه پایینی متحرک بوده که با سرعتی قابل تنظیم به نمونه بار وارد کرده و پس از شکستن نمونه به صورت خودکار پایین میآید. سیستم اندازهگیری نیرو دیجیتالی بوده و صفحه نمایشگر آن حین آزمایش مقدار نیروی وارده را نشان میدهد. همچنین دستگاه دارای یک نرمافزار جانبی است که از طریق آن نمودار بار وارده به ازای زمان در حین انجام آزمایش ثبت میشود.

برای اندازهگیری تغییرشکل نمونه از یک پایه گیج با نشیمنگاه مغناطیسی با قابلیت تنظیم ارتفاع و یک گیج Baker Type Joba با دقت 0.01 میلیمتر استفاده شده است - شکل . - 1 برای آزمایش بار نقطهای لبه هم از دستگاه Controls 45-D0550/D موجود در آزمایشگاه سنگ دانشکده فنی دانشگاه تهران با اصلاح دستگاه و تمهیدات ویژه استفاده شده است - شکل . - 2 دستگاه مورد استفاده شامل یک جک بارگذاری دستی به همراه یک جک قابل تنظیم و دارای ظرفیت 50 کیلو نیوتن میباشد.

فکهای مورد استفاده در این دستگاه، دو فک با زاویه مخروطی 60 درجه و شعاع انحنای 5 میلیمتر با سختی راکول58 HRC 1 هستند. برای انجام آزمایشها، فک پایینی دستگاه با صفحه دایرهای شکل مسطح به قطر 10 سانتیمتر که با سختی لازم طراحی و ساخته شده است، جایگزین شده و فک بالایی همان حالت مخروطی شکل را دارد. اندازهگیری نیرو توسط نشانگر دیجیتالی سوار بر روی دستگاه انجام میگیرد.