نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

اثر دوره های انجماد- ذوب بر مقاومت خستگی سنگ تراورتن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان
2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
پدیده خستگی یکی از عوامل مهم شکست در مواد است که طی آن، یک جسم در اثر تجمع تدریجی آسیب‌ها و گسترش ترک‌های ریز ناشی از بارگذاری‌های مکرر، در تنشی کمتر از مقاومت استاتیکی خود دچار شکست ناگهانی و ترد می‌شود. این مسئله در سازه‌های سنگی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، به‌ویژه زمانی که عوامل محیطی همچون نوسان‌های دمایی و چرخه‌های یخبندان-ذوب نیز بر شدت آسیب‌دیدگی تأثیرگذار باشند. ترکیب بارهای دینامیکی و شرایط محیطی متغیر می‌تواند روند تخریب را تسریع کرده و عمر مفید سازه‌های مهندسی را کاهش دهد. سازه‌های معدنی و عمرانی نظیر مخازن ذخیره‌سازی سوخت، تکیه‌گاه سدها، پل‌ها و سایر سازه‌های سنگی، در طول عمر خود تحت تأثیر نیروهای متناوب و نوسان های شدید دمایی قرار دارند. در این تحقیق، به‌منظور شبیه‌سازی اثر دوره‌های یخبندان، 30دوره انجماد-ذوب در دماهای 40+ و 20- درجه سانتی‌گراد بر روی نمونه های سنگی صورت گرفت و سپس توسط دستگاه توسعه‌یافته با مکانیزم جدید، پارامتر های خستگی تحت بارگذاری کاملاً معکوس شونده، بررسی شد که نتایج آن به روش تنش- عمر ارائه و مقایسه شده است. نتایج نشان داد که سنگ تراورتن دارای حد دوام برابر با 0.49 مقاومت کششی نهایی خود است. همچنین در محدوده تنش‌های اعمالی بالا، نمودار تنش-عمر کاهشی معادل 36.67 درصد را نشان داد، درحالی‌که این مقدار برای حد دوام برابر 34.32 درصد به‌دست آمد. علاوه بر این، به‌منظور بررسی اثرات ذاتی سنگ، پارامترهای فیزیکی همچون تخلخل و سرعت موج طولی مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان داد که تخلخل سنگ پس از دوره‌های انجماد-ذوب 66 درصد افزایش یافته، درحالی‌که سرعت موج طولی در نمونه‌ها با کاهشی معادل 14 درصد همراه بوده است. این تغییرات نشان‌دهنده تأثیر قابل‌توجه دوره‌های انجماد-ذوب بر ساختار درونی و خواص مکانیکی سنگ تراورتن است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]    Y. Liu and F. Dai, "A review of experimental and theoretical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading," Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 13, no. 5, pp. 1203-1230, 2021.
[2]    B. Cerfontaine and F. Collin, "Cyclic and fatigue behaviour of rock materials: review, interpretation and research perspectives," Rock mechanics and rock engineering, vol. 51, no. 2, pp. 391-414, 2018.
[3]    R. I. Stephens, A. Fatemi, R. R. Stephens, and H. O. Fuchs, Metal fatigue in engineering. John Wiley & Sons, 2000.
[4]    E. Brown, "ISRM suggested methods. Rock characterization testing and monitoring," London: Royal School of Mines, 1981.
[5]    P. Paris and F. Erdogan, "A critical analysis of crack propagation laws," 1963.
[6]    R. G. Vaneghi, K. Thoeni, A. V. Dyskin, M. Sharifzadeh, and M. Sarmadivaleh, "Fatigue damage response of typical crystalline and granular rocks to uniaxial cyclic compression," International Journal of Fatigue, vol. 138, p. 105667, 2020.
[7]    J. Fan, J. Chen, D. Jiang, S. Ren, and J. Wu, "Fatigue properties of rock salt subjected to interval cyclic pressure," International Journal of Fatigue, vol. 90, pp. 109-115, 2016.
[8]    A. S. Voznesenskii, Y. O. Kutkin, M. N. Krasilov, and A. A. Komissarov, "Predicting fatigue strength of rocks by its interrelation with the acoustic quality factor," International Journal of Fatigue, vol. 77, pp. 194-198, 2015.
[9]    Z. Wang, S. Li, L. Qiao, and J. Zhao, "Fatigue behavior of granite subjected to cyclic loading under triaxial compression condition," Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 46, pp. 1603-1615, 2013.
[10]    S. Jamali Zavareh, A. Baghbanan, H. Hashemolhosseini, and H. Haghgouei, "Effect of micro-structure on fatigue behavior of intact rocks under completely reversed loading," Journal of Analytical and Numerical Methods in Mining Engineering, vol. 6, no. Special Issue, pp. 55-62, 2017.
[11]    S. Jamali, H. Hashemolhosseini, A. Baghbanan, M. Khoshkam, and H. Haghgouei, "Evaluating fatigue in crystalline intact rocks under completely reversed loading," Geotechnical Testing Journal, vol. 40, no. 5, pp. 789-797, 2017.
[12]    H. Haghgouei, H. Hashemolhosseini, A. Baghbanan, and S. Jamali, "The effect of loading frequency on fatigue life of green onyx under fully reversed loading," Experimental Techniques, vol. 42, pp. 105-113, 2018.
[13]    H. Haghgouei, H. Hashemolhosseini, and A. Baghbanan, "Cumulative fatigue damage under stepwise tension-compression loading," International Journal of Mining and Geo-Engineering, vol. 52, no. 1, pp. 17-21, 2018.
[14]    H. Haghgouei, A. Baghbanan, and H. Hashemolhosseini, "Fatigue life prediction of rocks based on a new Bi-linear damage model," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 106, pp. 20-29, 2018.
[15]    H. Haghgouei, A. Baghbanan, H. Hashemolhosseini, and S. Jamali, "Variable amplitude fatigue life prediction of rock samples under completely reversed loading," Geotechnical and Geological Engineering, vol. 39, pp. 1951-1962, 2021.
[16]    M. Haghighi, P. Asadi, H. Hashemolhosseini, and A. Baghbanan, "An experimental study on the bending fatigue behavior of concrete beams by a proposed machine," Mechanics Based Design of Structures and Machines, pp. 1-17, 2024.
[17]    I. Faoro, S. Vinciguerra, C. Marone, D. Elsworth, and A. Schubnel, "Linking permeability to crack density evolution in thermally stressed rocks under cyclic loading," Geophysical Research Letters, vol. 40, no. 11, pp. 2590-2595, 2013.
[18]    Y. Wang, W. Feng, H. Wang, C. Li, and Z. Hou, "Rock bridge fracturing characteristics in granite induced by freeze-thaw and uniaxial deformation revealed by AE monitoring and post-test CT scanning," Cold Regions Science and Technology, vol. 177, p. 103115, 2020.
[19]    J. Chen, C. Du, D. Jiang, J. Fan, and Y. He, "The mechanical properties of rock salt under cyclic loading-unloading experiments," Geomechanics and Engineering, vol. 10, no. 3, pp. 325-334, 2016.
[20]    G. Zhao, Y. Guo, X. Chang, P. Jin, and Y. Hu, "Effects of temperature and increasing amplitude cyclic loading on the mechanical properties and energy characteristics of granite," Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 81, no. 4, p. 155, 2022.
[21]    Z. Song, Z. Yang, Y. Wu, H. Konietzky, and W. Dang, "Experimental insights on fatigue behaviors of sandstone exposed to combining effects of compressive differential cyclic loading (DCL) and freeze-thaw (FT) action," Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, vol. 8, no. 5, p. 169, 2022.
[22]    X. Zhou, Y. Fu, Y. Wang, and J. Zhou, "Experimental study on the fracture and fatigue behaviors of flawed sandstone under coupled freeze–thaw and cyclic loads," Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 119, p. 103299, 2022.
[23]    J. Li, J. Li, Z. Shi, M. Wang, and H. Tan, "Fatigue characteristics and energy evolution analysis of red sandstone under the coupling of freeze–thaw and cyclic loading," International Journal of Fatigue, vol. 185, p. 108331, 2024.
[24]    C. A. Luza Huillca et al., "Characterization analyzes in the geomechanical behavior of travertine rock," SN Applied Sciences, vol. 5, no. 10, p. 267, 2023.
[25]    R. G. Budynas and J. K. Nisbett, Shigley's mechanical engineering design. McGraw-Hill New York, 2011.
[26]    I. Gadolina, N. Makhutov, and A. Erpalov, "Varied approaches to loading assessment in fatigue studies," International Journal of Fatigue, vol. 144, p. 106035, 2021.
[27]    "Instron, R. R. Moore Rotating Beam Fatigue Testing System, in RRMoore Series Fixtures, I.I.P. Group, Editor. 2004: USA."
[28]    N. Fleck, C. Shin, and R. A. Smith, "Fatigue crack growth under compressive loading," Engineering fracture mechanics, vol. 21, no. 1, pp. 173-185, 1985.