نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

بررسی آزمایشگاهی اثر اندازه دانه بر پارامترهای مکانیکی و چقرمگی شکست مود I مواد شبه ‌سنگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده معدن و مواد، دانشگاه تربیت مدرس
2 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
ویژگی‌های مکانیکی سنگ‌ها به شدت تحت تأثیر ریزساختار، بافت و خصوصیات پتروگرافی آن‌ها قرار دارند. یکی از مهم‌ترین پارامترهای ریزساختاری، دانه‌بندی است که تأثیر آن بر مقاومت سنگ در مطالعات پیشین نتایج متفاوتی داشته است. علت این اختلاف، تأثیر سایر ویژگی‌های ریزساختاری بر نتایج آزمایش‌ها بوده است. در این تحقیق، تأثیر دانه‌بندی بر پارامترهای مکانیکی و چقرمگی شکست مود I در نمونه‌های سنگ مصنوعی، با ثابت نگه‌داشتن سایر عوامل ریزساختاری، بررسی شد. به همین منظور، سه گروه سنگ مصنوعی با ترکیب یکسان اما دانه‌بندی متفاوت ساخته شده و تحت آزمایش‌های فیزیکی و مکانیکی شامل مقاومت فشاری تک‌محوری، مقاومت کششی برزیلی و چقرمگی شکست مود I قرار گرفتند. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که دانه‌بندی به عنوان یک عامل کلیدی در رفتار مکانیکی سنگ، تأثیر مستقیمی بر پارامترهای مقاومتی دارد. با افزایش اندازه دانه‌ها، مقاومت فشاری، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته به‌طور معناداری کاهش می‌یابند و چقرمگی شکست نیز همبستگی منفی قابل‌توجهی با اندازه دانه دارد. ضرایب همبستگی بین دانه‌بندی و پارامترهای مقاومت فشاری تک‌محوری(R=-0.95)، مقاومت کششی برزیلی(R=-0.93)، مدول الاستیسیته (R=-0.98) و چقرمگی شکست مود I (R=-0.94) است که نشان‌دهنده تأثیر قوی دانه‌بندی بر این خصوصیات است. همچنین مشخص شد که در نظر گرفتن دانه‌بندی در مدل‌های پیش‌بینی چقرمگی شکست باعث بهبود دقت این مدل‌ها می‌شود. این یافته‌ها بر اهمیت در نظر گرفتن دانه‌بندی در تحلیل‌های مکانیکی سنگ و مدل‌های پیش‌بینی رفتار شکست تأکید دارند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


1.             FRANKLIN, B. and M. Dusseault, Engineerin. 1989: McGraw—Hill Publishing Company New York.
2.             Lakirouhani, A., et al., Physical and mechanical properties of sandstones from Southern Zanjan, north-western Iran. Baltica, 2022. 35(1).
3.             Palchik, V. and Y.H. Hatzor, Correlation between mechanical strength and microstructural parameters of dolomites and limestones in the Judea group, Israel. Israel Journal of Earth Sciences, 2000. 49(2): p. 65-79.
4.             Přikryl, R., Some microstructural aspects of strength variation in rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2001. 38(5): p. 671-682.
5.             Meng, Z. and J. Pan, Correlation between petrographic characteristics and failure duration in clastic rocks. Engineering geology, 2007. 89(3-4): p. 258-265.
6.             Sousa, L.M., The influence of the characteristics of quartz and mineral deterioration on the strength of granitic dimensional stones. Environmental earth sciences, 2013. 69: p. 1333-1346.
7.             Ajalloeian, R., H. Mansouri, and E. Baradaran, Some carbonate rock texture effects on mechanical behavior, based on Koohrang tunnel data, Iran. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2017. 76: p. 295-307.
8.             Lakirouhani, A., et al., Physical parameters, tensile and compressive strength of dolomite rock samples: Influence of grain size. Journal of Civil Engineering and Management, 2020. 26(8): p. 789-799.
9.             Alneasan, M. and M. Behnia, An experimental investigation on tensile fracturing of brittle rocks by considering the effect of grain size and mineralogical composition. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2021. 137: p. 104570.
10.          Zhang, T., et al., Influence of grain size and basic element size on rock mechanical characteristics: insights from grain-based numerical analysis. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2022. 81(9): p. 347.
11.          Shahsavari, M.H. and M. Shakiba, An experimental insight into the influence of sand grain size distribution on the petrophysical and geomechanical properties of artificially made sandstones. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2022. 215: p. 110632.
12.          Emami Meybodi, E. and F. Taajobian, Analysis of Grain Size Effect on Mechanical Properties of Sandstone with Experimental and Numerical Methods. Journal of Mining and Environment, 2023. 14(2): p. 713-730.
13.          قزوینیان, ع., صبری, م., نجاتی, ح., بررسی آزمایشگاهی اثر دانه بندی محیط های ناهمگن بر گسترش ترک،مجله علمی-پژوهشی عمران مدرس، 1394، دوره 15.
14.          ISRM, Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, 1979. 2: p. 135-141.
15.          Bieniawski, Z. and I. Hawkes, Suggested methods for determining tensile strength of rock materials. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1978. 15(3): p. 99-103.
16.          Bazant, Z.P. and J. Planas, Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 2019: Routledge.
17.          Shah, S.P., S.E. Swartz, and C. Ouyang, Fracture mechanics of concrete: applications of fracture mechanics to concrete, rock and other quasi-brittle materials. 1995: John Wiley & Sons.
18.          Alkılıçgil, Ç., Development of specimen geometries for mode I fracture toughness testing with disc type rock specimens. 2010.
19.          Eftekhari, M., A. Baghbanan, and H. Hashemolhosseini, Fracture propagation in a cracked semicircular bend specimen under mixed mode loading using extended finite element method. Arabian Journal of Geosciences, 2015. 8: p. 9635-9646.
20.          Bui, H.H. and M. Saleh, Effects of specimen size and loading conditions on the fracture behaviour of asphalt concretes in the SCB test. Engineering Fracture Mechanics, 2021. 242: p. 107452.
21.          Kuruppu, M., ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2013. 47(1): p. 267-274.
22.          Geology, I.A.o.E., Classification of rocks and soils for engineering geological mapping: part I: rock and soil materials. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 1979. 19: p. 364-371.
23.          Hudson, J.A. and J.P. Harrison, Engineering rock mechanics: an introduction to the principles. 2000: Elsevier.