خواص مکانیکی سنگ ها

[.MohammadReza. 19850]

از ديرباز مهندسان مفاهيم مربوط به رفتار مكانيكي سنگ ها را در فعاليت هاي عمراني، معدني و صنعت نفت بكار مي گرفتند. ولي اين رشته تا اوايل دهه 60 ميلادي مخصوصا" تا سال 1996 كه اولين كنغرانس بين المللي مكانيك سنگ در شهر ليسبون پرتقال برگزار شد هنوز بطور رسمي به عنوان شاخه اي از دانش مهندسي به حساب نمي آمد. در دو دهه اي كه از تولد مكانيك سنگ مي گذرد تجربيات آزمايشگاهي و صحرايي متعدد و نشر كتب و مقالات بي شمار درباره سنگ ها ما را قادر ساخته است تا عكس العمل سنگ را در برابر نيروهاي وارده به نحو قابل قبولي بر آورد كنيم. كاربرد مكانيك سنگ در مسايل مربوط به طراحي سازه هاي عمراني و معدني تحت عنوان مهندسي سنگ شناخته مي شود. از مهمترين خواص مکانيکي سنگها مي توان به ويژگيهاي مقاومتي و تغيير شکل پذيري سنگ اشاره کرد. در زير به بررسي هر يک از اين ويژگيها پرداخته و روش هاي تعيين آنها را مطرح مينمائيم. اما قبل از آن بايد به نحوه ي تهيه ي نمونه هاي آزمايشگاهي براي اندازهگيري خواص بپردازيم.

[.MohammadReza. 19850]

◄ مغزه گيري و آماده سازي نمونه:

 

براي انجام آزمايش هاي مقاومت کششي، مقاومت فشاري تک محوره، مقاومت فشاري سه محوره ،آزمايش مقاوت کششي غير مستقيم نيازمند نمونه هايي با استاندارد هاي مشخص مي باشيم. اين نمونه مغزه ناميده مي شود.

 

مغزه‌ها نماينده يك توده سنگ در آزمايشگاه مي‌باشند، اما به دليل اينكه يك قسمت كوچكي از توده سنگ هستند فقط اطلاعات كمي ولي با ارزشي را بيان مي‌كنند.

 

 

براي مغزه‌گيري از توده سنگ از حفاري چرخشي استفاده مي‌شود. مته‌هاي حفاري عامل انتقال انرژي از لوله حفاري به سنگ مي‌باشند كه اين انرژي به صورت چرخشي به سنگ وارد مي‌شود. مته‌ها بر اساس مواد تشكيل دهنده و برنده‌ها(cutter) به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند.

 

 

 

 

بعد از مغزه گيري نمونه را بايد آماده سازي كرد. نمونه ها بايد استوانه‌اي باشند كه سر وته آنها توسط ارة فولادي يا الماسه بريده شده و تلرانس ناصافي آن زياد نباشد.سطوح جانبي نمونه بايد صاف و عاري از هر گونه ناهمواري شديد باشد و حداكثر در طول نمونه 5/0 ميليمتر باشد.سطوح انتهايي مغزه بايدبايكديگر موازي و عمود بر محور مركزي مغزه باشند.معمولاُ برا ي پرداخت نمودن سطوح انتهايي مغزه‌ها از دستگاه ساينده و سپس از پودرهاي خاصي براي از بين بردن تلرانس نمونه استفاده مي‌كنند.

 

 

بعد از بدست آمدن نمونه هاي استاندار ميتوان آزمايش هاي مختلف را بر روي آنها انجام داد. در قسمت هاي بعدي به اين موضوع پرداخته ميشود.

[.MohammadReza. 19850]

◄ تعيين مقاومت فشاري يک محوره:

 

 

آزمايش مقاومت فشاري تک محوري يا نا محصور مرسوم ترين آزمون آزمايشگاهي برا ي مطالعات مکانيکي سنگ بکر مي باشد که با وجود ظاهري ساده، انجام دقيق آن بسيار مشکل است ، اين آزمايش به عنوان آزمايش پايه در اکثر پروژه هاي مهندسي انجام گرفته و به ندرت اتفاق مي افتد که در پروژه اي مقاومت فشاري تک محوري مورد نياز نباشد. اگر چه اين آزمايش عمدتا به عنوان شاخصي براي مقايسه سنگ ها شناخته مي شود، ليکن کاربردهاي وسيع ديگري نيز در خلل مسائل عملي مکانيک سنگ پيدا کرده است. مقاومت ماده سنگي يا سنگ بکر به عنوان يک پارامتر اصلي در اکثر سيستم هاي طبقه بندي توده سنگ مورد توجه قرار گرفته است. مقاومت ماده سنگ حد بالاي مقاومت توده سنگ مي باشد.

براي اندازهگيري مقاومت تک محوره ي سنگ ها نمونه هاي استوانه ا ي را بصورت محوري تحت فشار قرار مي‌گيرد. نمونه ها ميتوانند تحت فشار تغيير شکل شکل پذير داشته باشند و يا بصورت شکننده بشکنند. البته سنگ ها تنوع رفتاري از حالت شکل پذير تا شکننده از خود نشان ميدهند. در شکل زير نمودار اين دو رفتار آورده شده است.

 

 

نمودار سمت چپ سنگ منحني تنش کرنش نمونه ي شکننده و سمت راست نمونه ي تغيير شکل پذير

گرچه آزمايش مقاومت فشاري يک محوره معمول ترين آزمايش در مورد سنگ است، اما انجام صحيح آن کار ساده اي نبوده و نتايج حاصل از اين آزمايش به علت تفاوت رويه گاه تا بيش از 200 درصد هم با هم اختلاف دارند.

[.MohammadReza. 19850]

◄ عوامل موثر بر مقاومت فشاري:

 

 

عوامل چندي بر مقاومت فشاري تک محوري سنگ ها موثرند که در حالت کلي مي توان به دو گروه عمده عوامل داخلي و خارجي تقسيم بندي نمود. عوامل داخلي به خصوصيات ذاتي سنگ بستگي دارند. از آن جمله مي توان به ترکيب کاني شناسي، چگالي، تخلخل، ابعاد و شکل دانه ها، شاخص پوکي و ناهمسانگردي اشاره کرد. عوامل خارجي بستگي به روش آزمايش، دستگاه آزمايش، شرايط محيطي و شخص آزمايش کننده دارد. اين عوامل شامل هندسه نمونه که منظور نسبت ارتفاع به قطر نمونه مي باشد، اصطکاک بين صفحات فشار ماشين و سطوح نمونه که تأثير سطوح انتهايي ناميده مي شود، نرخ بار گذاري و بلاخره شرايط محيط يعني رطوبت، مايعات موجود و درجه حرارت مي باشد.

به طور کلي سنگ هايي که کوارتز ماده اصلي تشکيل دهنده آنهاست محکم ترين و سنگ هايي که سيمانشان از مواد رسي است ضعيف ترين سنگ ها بوده و مابين آنها به ترتيب کلسيت و کاني هاي فلزي قرار دارند. عموماً مي توان گفت که با افزايش درصد کوارتز مقاومت بيشتر مي شود. همچنين مقاومت فشاري يک محوره سنگ با افزايش چگالي سنگ، افزايش مي يابد. هر چه دانه هاي سنگ ريزتر باشد، مقاومت فشاري يک محوره نيز زيادتر خواهد بود. بالا رفتن شاخص روزنه داري باعث کاهش مقاومت فشاري يک محوره خواهد شد.

در مورد تأثير سطوح انتهايي مي توان گفت که وقتي نمونه اي در بين صفحات فولادي ماشين آزمايش تحت تنش فشاري قرار مي گيرد، همزمان با کوتاه شدن در جهت محوري انبساط عرضي نيز در آن به وقوع مي پيوندد (اثر پواسون). از طرف ديگر، اصطکاک بين صفحات فولادي ماشين و سطوح دو انتهاي نمونه در جهت جلوگيري از انبساط عمل مي کند. در نتيجه وضعيت تنش در نمونه حالت همگون ندارد. در ناحيه پيراموني سطح تماس نمونه با ماشين، تمرکز تنش شديد بوده، شکست از اين ناحيه شروع و با ايجاد فرم هاي شکست مخروطي يا گوه اي که قاعده آنها محل تماس صفحات ماشين است مي گردد. در شکل زير اثر انتهايي نمونه نشان داده شده است.

 

چنانچه تأثير سطوح انتهايي نمونه کاهش يابد، مکانيزم شکست کاملاً متفاومت بوده و به جاي شکست برشي که موجد قطعات مخروطي اند، شکست کششي همراه با شکاف محوري روي مي دهد. به علت عامل تأثير سطوح دو انتها، توزيع تنش در نمونه به صورت تابعي از نسبت ارتفاع به قطر نمونه دست خوش تغيير مي شود. با افزايش اين نسبت، نسبت بيشتري از حجم نمونه از توزيع تقريباً يکنواخت تنش يک محوري بهره مند خواهد شد. به همين دليل در آزمايش مقاومت فشاري يک محوره سنگ نسبت ارتفاع به قطر نمونه نبايد کمتر از دو باشد.

 

 

سرعت بارگذاري زياد سبب افزايش مقاومت فشاري يک محوره در سنگ است. سرعت بارگذاري معمول که بين 5/ تا 3 مگاپاسکال در ثانيه است اثر قابل ملاحظه اي در تغيير مقاومت يک محوره فشاري از خود نشان نمي دهد.

يکي از مهمترين عوامل مؤثر بر مقاومت فشاري يک محوره، صلبيت ماشين آزمايش است. وقتي ماده اي شکننده مثل سنگ در ماشين بارگذاري معمولي تحت نيروي فشاري قرار ميگيرد، با افزايش بار مقداري انرژي کرنشي الاستيک در بدنه ماشين ذخيره مي گردد. در چنين ماشين هايي که تحت عنوان ماشين نرم شناخته مي شوند، پس از رسيدن نمونه به مقاومت نهايي و گسيختگي آن، انرژي کرنشي الاستيک ذخيره شده در ماشين به صورت ناگهاني آزاد شده وصفحات بار گذاري ماشين به سرعت به سمت يکديگر حرکت مي‌کنند. اين حرکت ناگهاني باعث خردشدگي شديد نمونه و در نتيجه شکست انفجاري آن ميگردد. در حالي که در مهندسي سنگ ما نيازمند اندازه گيري مقاومت باقيمانده ي سنگ بعد از شکست مي‌‌باشيم.

[.MohammadReza. 19850]

وقتي ماده اي شکننده مثل سنگ در ماشين بارگذاري معمولي تحت نيروي فشاري قرار ميگيرد، با افزايش بار مقداري انرژي کرنشي الاستيک در بدنه ماشين ذخيره مي گردد. در چنين ماشين هايي که تحت عنوان ماشين نرم شناخته مي شوند، پس از رسيدن نمونه به مقاومت نهايي و گسيختگي آن، انرژي کرنشي الاستيک ذخيره شده در ماشين به صورت ناگهاني آزاد شده وصفحات بار گذاري ماشين به سرعت به سمت يکديگر حرکت مي‌کنند. اين حرکت ناگهاني باعث خردشدگي شديد نمونه و در نتيجه شکست انفجاري آن ميگردد. در حالي که در مهندسي سنگ ما نيازمند اندازه گيري مقاومت باقيمانده ي سنگ بعد از شکست مي‌‌باشيم. بطور کلي با اعمال نيروي P در يک آزمايش فشاري باعث تغيير شکل در نمونه و در ماشين مي گردد. بنابراين انرژي الاستيک ذخيره شده در ماشين آزمايش از رابطه زير به دست مي آيد:

 

رابطه اخير نشان مي دهد که هر چه صلبيت ماشين بيشتر باشد، انرژي الاستيک ذخيره شده در آن کمتر خواهد بود. بدين ترتيب اثر تخريبي ماشين آزمايش روي نمونه کاهش مي يابد. به عبارت ديگر براي اجتناب از شکستن انفجاري نمونه ها، لازم است که صلبيت ماشين به مراتب بيشتر از صلبيت نمونه پس از گسيختگي باشد که اين حالت در ماشين هاي آزمايشي نرم وجود ندارد.

 

به عبارتي چنانچه ماشين صلب باشد، مقدار انرژي آزاد شده در اثر بار برداري کمتر از انرژي جذب شده توسط نمونه مي باشد. بنابراين انرژي آزاد شده ماشين به راحتي توسط نمونه جذب مي گردد. بدين ترتيب مي توان تغيير شکل نمونه را بعد از نقطه اوج نيز اندازه گيري نمود. اما انرژي آزاد شده توسط ماشين نرم بيشتر از انرژي قابل جذب توسط نمونه است و در نتيجه نمونه دچار شکست انفجاري شده و امکان ترسيم منحني تنش- کرنش بعد از نقطه اوج وجود ندارد.

[.MohammadReza. 19850]

◄

آزمايش مقاومت بار نقطه‌اي سنگ:

 

 

همانطور که ذکر شد مقاومت فشاري يک محوره يکي از مهم ترين پارامتر هايي است که در اکثر پروژه هاي مهندسي سنگ مورد نياز است. اما انجام آزمايش تک محوري مستلزم آماده سازي دقيق نمونه و در اختيار داشتن دستگاه هاي گران و حساس مي باشد و در عين حال نتايج حاصل از آن وابستگي شديدي به شيوه بارگذاري دارد. بنابراين انجام دقيق و صحيح مقاومت فشاري تک محوري پرهزينه و وقت گير است. به منظور رفع اين اشکالات و تعيين سريع شاخصي براي نشان دادن مقاومت سنگ، آزمايش بارنقطه اي پيشنهاد گرديد. اين آزمايش در مرسوم ترين شيوه خود روي مغزه هاي سنگي و به صورت قطري انجام مي گيرد، اما تلاش هاي زيادي صورت گرفته است تا کاربرد اين روش براي نمونه هايي با شکل ديگر نيز تعميم داده شود.

 

اين روش آزمايش براي تعيين شاخص مقاومت بار نقطه اي سنگ به كار مي رود و به دليل قابل حمل بودن دستگاه مي‌توان آنرا در صحرا يا آزمايشگاه انجام داد. هدف از اين آزمايش، تعيين يك شاخص مقاومتي مي‌باشد كه در طبقه‌بندي و تعيين خصوصيات سنگ استفاده مي‌گردد. اين روش در مورد سنگ‌هاي سخت با مقاومت فشاري بالاي 15 مگاپاسكال (2200 پوند براينچ مربع يا 155 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع)كاربرد دارد. با داشتن شاخص مقاومت بار نقطه اي مي‌توان مقاومت فشاري تك محوري سنگ را برآورد نمود. ‌بنابراين در مواقعي‌كه انجام آزمايش متعدد براي كسب اطلاعات اوليه و مقدماتي مورد نياز است، به‌ دليل وقت‌گير و پرهزينه بودن آزمايش تك محوري، مي‌توان از آزمايش بار نقطه‌اي استفاده كرد. ‌دراين آزمايش آماده سازي نمونه بسيار مختصر بوده ويا اصلاً لازم نمي‌باشد. نتايج آزمايش مقاومت بار نقطه اي به عنوان شاخصي براي طبقه‌بندي ماده سنگ بوده و نبايد ازآن به منظور طراحي يا تجزيه و‌ تحليل مهندسي استفاده نمود.

با اين روش علاوه بر تعيين شاخص بار نقطه‌اي مي‌توان شاخص ناهسنگردي مقاومت بارنقطه‌اي را تعيين نمود. اين شاخص عبارتست از نسبت مقاومت هاي بارنقطه اي در جهت هايي كه حداكثر و حداقل مقاومت را دارند.

در اين آزمايش نمونه‌ها سنگ که ميتواند به شکل با شكل مغزه، بلوك و يا كلوخه‌اي نامنظم باشد، توسط اعمال بار متمرکز از طريق يک جفت کله ي مخروطي شکل که نوک آنها کروي شکل است شکسته ميشود. نكته خيلي مهم در اين آزمايش نحوه شكست نمونه‌ها مي‌باشد. طبق استاندارد بار بايد به آرامي افزايش يابد تا گسيختگي در مدت 10 الي 60 ثانيه اتفاق بيفتد سپس بار در لحظه گسيختگي (P) ياداشت مي‌گردد. اگر سطح شكست فقط از يك نقطه بار‌گذاري عبور كند آزمايش بايد تكرار شود.

با بدست آوردن فشار نقطه گسيختگي با استفاده فرمول‌ زير انديس بار نقطه‌اي بدست مي‌آيد.

 

I_s=P/D_e²

 

 

Is: شاخص بار نقطه‌اي(mpa)

P : بار در لحظه گسيختگي(N)

 

De : قطر معادل مغزه(mm)

 

در آزمايش قطري De=D

 

در آزمايش محوري و كلوخه‌اي De از فرمول زير بدست مي‌آيد.

 

D_e²=(4WH)/π

 

 

W : ميانگين عرض نمونه

 

H : ميانگين ارتفاع نمونه

مقدار Is تابعي از مقدار De ميباشد. بنابراين به منظور بدست آوردن يک مقاومت واحد در مقابل بار مقطه اي بايد تصحيح مربوط به يکنواخت کردن اندازه ي نمونه را اعمال نمود.

شاخص مقاومت بار نقطه اي تصحيح شده ي نمونه (Is(50 ، عبارت است از مقدار Is که براي نمونه ي با De برابر با50 ميليمتر اندازهگيري شده باشد.

وقتي که نمونهاي با De مغاير با 50 ميليمتر آزمايش ميشود، تصحيح اندازه را ميتوان از رابطه ي زي انجام داد:

 

 

I_s(50)=F.I_s

 

که در آن F ضريب تصحيح اندازه است:

 

 

F=(D_e/50)^0.45

 

حال به کمک روابط زير ميتوان مقاومت فشاري يک محوره ي سنگ را محاسبه کرد:

 

 

(σ_c=C×I_s(50

كه C ضريبي ثابت مي‌باشد و مقادير مختلفي بين 10 تا 50 براي اين ضريب گزارش شده است كه بستگي به ابعاد، شكل نمونه، و نوع سنگ دارد.

 

 

همچنين اگر مقدار دقيقC موجود نباشد از فرمول زير براي محاسبه مقاومت فشاري استفاده مي‌شود (بنياويسكي).

 

 

₍σ_c=(14+0.175D).I_s(50

 

 

 

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[میرحسین 911]

سلام

خسته نباشید

فقط یه مورد بهنظرم مشکل دار میومد، اونجا که سایز استاندارد نمونه ها رو نوشتین، عددها پس و پیش افتادن. شایدم مشکل از ویندوز من باشه ها، باز خودتون یه چکی بکنید

ممنون

[.MohammadReza. 19850]

سلام

خسته نباشید

فقط یه مورد بهنظرم مشکل دار میومد، اونجا که سایز استاندارد نمونه ها رو نوشتین، عددها پس و پیش افتادن. شایدم مشکل از ویندوز من باشه ها، باز خودتون یه چکی بکنید

ممنون

سلام

این مطلب از سایت منبع بدون هیچ تغییر کپی شده

سایز نمونه ها هم خیلی متغیره و خودمم شک کردم :JC_thinking:

[میرحسین 911]

سلام

این مطلب از سایت منبع بدون هیچ تغییر کپی شده

سایز نمونه ها هم خیلی متغیره و خودمم شک کردم :JC_thinking:

 

من به صورت عکس میزارم جدولو تا مشکل فونت نداشته باشه

 

[.MohammadReza. 19850]

من به صورت عکس میزارم جدولو تا مشکل فونت نداشته باشه

 

مرسی به خاطر توجهت

اصلاح شد