بررسي آزمايشگاهي تاثير بارگذاري دوره اي حرارتي بر پارامترهاي ژئومکانيکي و ميزان آسيب در سنگ آهک کريستاله

STUDENT

DEGREE

YEAR

In many geomechanical activities such as geothermal reservoir, nuclear waste disposal, deep underground excavation, drilling of petroleum wells and so on, rock mass is subjected to thermal loading which leads to instability around rock mass. In addition to geomechanical activities, physical or chemical weathering phenomenon also plays a key role in deteriorating the strength of rock ma therefore, it is necessary to investigate the effect of thermal cyclic loading on geomechanical properties of rock mass in order to have a safe and stable rock structure. In this study, firstly, crystalline marble blocks with dimensions of 30×30×30 cm were prepared; then, the condition of anisotropy in blocks was determined based on p-wave velocity. In total, 1200 cm coring operation with the diameters of 53 and 69 mm was carried out using servo coring machine. Consequently, physical and mechanical properties of crystalline marble rock including density, porosity, p-wave velocity, s-wave velocity, uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, elastic modulus and passion's ratio were determined based on ISRM standard. Furthermore, fracture parameters such as mode-I, mode-II, and mixed mode (I-II) of fracture toughness, crack initiation angle and crack propagation path were measured. Five types of thermal cyclic loading with the temperature ranging from -30 oC to 160oC including Freezing cooling cycles (F-C), Heating-Cooling cycles (H-C), Freezing-Cooling-Heating cycles (F-C-H), Heating-Cooling-Freezing cycles (H-C-F) and Heating-Cooling-Saturating-Freezing cycles (H-C-F (Sat.)) were carried out. Each thermal cyclic loading consisted of 6 cycles in which timing was in the order of 2, 4, 6, 8, 10 and 24 hours. This thermal cyclic loading is proposed for the first time for evaluating physical, mechanical and fracture properties of rock materials. Altogether, 12 density tests, 160 p-wave velocity tests, 30 s-wave velocity tests, 25 uniaxial compressive strength tests, 20 indirect tensile strength tests, and 44 fracture toughness tests were conducted. Moreover, in order to examine the crystalline marble rock in detail, X Ray Diffraction (XRD) test, microscopic observations including thin-sections and Scanning Electron Microscope (SEM) were provided before and after thermal cyclic loading. The test results showed that intergranular and somewhat intragranllar micro-cracks induced by thermal loading as well as the changes in the texture of crystals were the main reason for variations in the properties of crystalline marble rock. Thermal cyclic loading gives rise to change in the behavior of

در بسياري از فعاليت هاي ژئومکانيکي مانند بهره برداري از مخازن ژئوترمال، دفن زباله هاي هسته اي، حفر فضاهاي زيرزميني در اعماق زياد، حفر چاهاي نفت و غيره، توده سنگ در معرض بارگذاري حرارتي قرار مي گيرد. بارگذاري حرارتي تحت شرايط زماني مختلف، نقش مهمي در ناپايداري توده سنگ هاي مجاور دارد. علاوه بر فعاليت هاي ژئومکانيکي، فرآيند هوازدگي خواه به صورت فيزيکي يا شيميايي تأثير قابل ملاحظه اي نيز بر مقاومت توده سنگ دارد. براي اين منظور، مطالعه و تحقيق درباره تأثير بارگذاري دوره اي حرارتي )سرمايش گرمايش( بر خواص ژئومکانيکي توده سنگ با هدف ايجاد سازه سنگي پايدار لازم و ضروري مي باشد. در اين تحقيق، ابتدا - بلوک هاي سنگ آهک کريستاله با ابعاد 30 × 30 × 30 سانتيمتر آماده سازي شد. وضعيت ناهمسانگردي بلوک هاي سنگي بر اساس سرعت موج فشاري تعيين شد. 1200 سانتيمتر عمليات مغزه گيري با قطر 53 و 69 سانتيمتر با استفاده از دستگاه مغزه گير خودکار انجام شد. پس از آماده سازي نمونه ها طبق استاندارد ISRM ، پارامترهاي فيزيکي و مکانيکي شامل چگالي، تخلخل، سرعت موج فشاري، سرعت موج برشي، مقاومت فشاري تک محوره، مقاومت کششي غيرمستقيم، مدول الاستيک و نسبت پواسون براي نمونه ها تعيين شد. همچنين پارامترهاي شکست شامل، چقرمگي شکست مد اول، مد دوم، مد ترکيبي، زاويه شروع و مسير گسترش ترک بررسي شد. عمل آوري نمونه ها تحت بارگذاري دوره اي حرارتي در بازه دمايي 30 درجه سانتيگراد تا - 160 درجه سانتيگراد شامل 6 چرخه 2 ، 4 ، 6 ، 8 ، 10 و 24 ساعته بصورت چرخه هاي منجمد کردن و خنک کردن با نام اختصاري) F-C (، چرخه هاي حرارت دادن و خنک کردن ) H-C ،) چرخه هاي منجمد کردن، خنک کردن و حرارت دادن ) F-C-H (، چرخه هاي حرارت دادن، خنک کردن و منجمد کردن ) H-C-F ( و چرخه هاي حرارت دادن، خنک کردن، اشباع کردن، منجمد کردن )) Sat. ) H-C-F ( مي باشد. اين نوع بارگذاري حرارتي دوره اي براي اولين بار براي ارزيابي خواص فيزيکي، مکانيکي و شکست براي مصالح سنگي ارائه شد. در مجموع 12 آزمايش اندازه گيري چگالي، 160 آزمايش سرعت موج فشاري، 30 آزمايش سرعت موج برشي، 25 آزمايش مقاومت فشاري تک محوره، 20 آزمايش کشش غيرمستقيم و 44 آزمايش تعيين چقرمگي شکست انجام شد. همچنين به منظور مطالعه دقيق تر بر روي نمونه هاي سنگ آهک کريستاله، آزمايش پراش اشعه ايکس ) XRD (، مطالعات ميکرسکوپي شامل تهيه مقاطع نازک و آزمايش ميکرسکوپ الکتروني ) SEM ( قبل و بعد از عمل آوري نمونه ها انجام شد. نتايج به دست آمده در اين تحقيق نشان دادکه مهمترين عامل تغيير در ويژگي هاي ژئومکانيکي نمونه سنگ آهک کريستاله، وجود ريزترک هاي بين دانه اي و تا اندازه اي درون دانه اي القا شده در اثر حرارت و تغيير بافت کريستال ها در اثر بارگذاري دوره اي حرارتي مي باشد. فرايند گرمايش و سرمايش سبب تغيير در رفتار منحني تنش کرنش جانبي نمونه هاي سنگ آهک کريستاله - مي شود بطوريکه در هنگام فرايند بارگذاري قطر نمونه کاهش مي يابد و نمونه لاغر مي شود. ميزان کاهش در قطر براي نمونه هايي که دماهاي بالاتر را تجربه مي کنند به دليل تغيير در ساختار کريستاله، کمتر است. رفتار کششي و فشاري نمونه ها تحت تأثير بارگذاري حرارتي دوره اي کاملا با هم متفاوت است. مکانسيم غالب شکست نمونه ها در آزمايش فشاري تک محوره، بصورت صفحات برشي بوده بطوريکه زاويه صفحات برشي در تمامي چرخه هاي گرمايش و سرمايش يکسان و در بازه 70 تا 75 درجه اندازه گيري شد. در بحث چقرمگي شکست، نتايج نشان داد که معيارهاي تئوري شکستي که بر پايه پارامتر غير تکين T بنا شده مانند معيار بيشترين تنش مماسي اصلاح شده ) MMTS ( و معيار بيشترين کرنش مماسي توسعه يافته ) EMTSN ( به خوبي قادر به پيش بيني پوش منحني چقرمگي شکست براي نمونه هاي SCB تحت تأثير بارگذاري حرارتي دوره اي مي باشد. دليل اين امر وابستگي اين نمونه ها به پارامتر T مي باشد. همچنين نتايج نشان داد که زاويه شروع ترک نمونه ها پس از بارگذاري حرارتي دوره اي تطابق نسبتاً مناسبي با زاويه شروع ترک پيش بيني شده توسط معيارهاي تئوري شکست دارد. همچنين زاويه شروع ترک براي مدهاي دوم و ترکيبي پس از اعمال بارگذاري حرارتي دوره اي يکسان بوده و به ترتيب برابر با 78 و 58 درجه اندازه گيري شده است. در ادامه بر اساس داده هاي آزمايشگاهي و روش هاي آماري به تعيين درجه هوازدگي پرداخته شد. بداين منظور، ضريب همبستگي اسپيرمن براي 11 متغير به صورت دو به دو بررسي شد. سپس با استفاده از روش طبقه بندي k-means و شاخض ضريب سيلووت، کل داده ها به دو کلاس هوازده و غير هوازده تقسيم بندي شدند. به دنبال آن، با توجه به روش آناليز خوشه اي "وارد" شباهت هاي بين متغيرها تعيين شد. نتايج نشان داد که از نظر شباهت، 11 متغير را مي توان به سه خوشه شامل 1 تخلخل - 2 مقاومت فشاري تک محوره، مدول الاستيک و انرژي کرنشي - 3 مقاومت کششي غيرمستقيم، مد اول، مد دوم و مد - ترکيبي چقرمگي شکست، سرعت موج فشاري و برشي و چگالي دسته بندي کرد. از ميان خوشه دوم و سوم پارامتر مقاومت فشاري تک محوره و سرعت موج فشاري به دليل سادگي در نحوه اندازه گيري نسبت به ساير پارامترها به همراه تخلخل به عنوان متغيرهاي مناسب جهت اندازه گيري درجه هوازدگي انتخاب شد. و در نهايت بر اساس روش آماري مولفه هاي اصلي رابطه خطي بين درجه هوازدگي و