Skip to main content
SUPERVISOR
Hamid Hashemalhosseini,Alireza Baghbanan
حمید هاشم الحسینی (استاد راهنما) علیرضا باغبانان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saeed Jamali zavare
سعید جمالی زواره

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده معدن
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

Evaluating Fatigue Failure of Crystalline Rocks under Fully Reversed Loading
During fatigue phenomenon, cyclic loading causes a material to fail prematurely and suddenly like a brittle failure at a stress level less than determined strength under monotonic condition. It is reported that 90 percent of mechanical failure in other materials are caused by fatigue. Rock formations and structures, such as tunnel walls, excavation roofs and ribs, rock columns, bridge abutments, dam and road foundations and also underground spaces like compressed energy storage system, could be subjected to cyclic loading resulting from different sources such as vibrations of the earth’s crust, through major earthquakes, rock bursts, rock blasting and drilling and also, traffic. The reaction of rocks to cyclic and repetitive stresses has been generally neglected with the exception of a few rather limited studies. But fatigue failure might be very important in rock structures because of natural defects, fractures, and cracks in the rock mass. In this research, the behavior of five different rocks under bending cyclic loading is evaluated. For this purpose, a new apparatus is developed based on the rotating beam fatigue testing machine (R.R.Moore), which is commonly used for laboratory fatigue test in metals. The results obtained from five frequently used quarry stones with different formations, and mineral composition shows that for all rocks the number of cycles that a specimen withstood before the failure (the fatigue life) was increased by decreasing the stress level. The obtained results (S-N diagram) followed common stress- life relationships including W?hler relation, Basquin relation, Stromeyer law, and Weibull relation; but the “W?hler relationship” is the best-fit relation for intact rocks. In addition, results showed that all rocks have an endurance limit. The endurance limits for all rocks are obtained in the range of 0.4 to 0.6 of their static tensile strengths between 1 to 10 million cycles. Correlation tests noted that the best agreement between endurance limit and a mechanical strength parameter is that obtained with the ultimate tensile strength under bending. The relationship between the endurance limit of intact rocks and the ultimate tensile strength under was a quadratic relationship in the form of Brand and Sutterlin formula. The results showed that the fatigue life improves with increasing the loading frequency, that the loading frequency does not influence the fatigue limit. The observed failure section of rock samples showed two domain: a smooth and wavy band feature in fatigue failure part and the failure face was completely rough, showing a sudden failure condition during the final stress cycle. Separation of grains and powdering in failure surface of fatigue fracture is clearly more than the static failure. Results showed that the effect increasing the amount of midrange stress (either tensile and compression) reduce the fatigue limit of intact rocks. The relationship between the fatigue limit of intact rocks and the midrange stress is in agreement with Modified Goodman line. The results obtained in this research confirmed that the stress-life method and developed apparatus are suitable for studying fatigue phenomenon in rocks.
در طی پدیده خستگی جسم به علت تجمع آسیب و گسترش ترک ناشی از تکرار روند بارگذاری، در تنشی کمتر از مقاومت استاتیکی خود به‌صورت ناگهانی و ترد می‌شکند. تجربیات گذشته نشان می دهد که بیش از 90 درصد از مجموع شکست های مکانیکی که در سایر مواد از جمله فلزات اتفاق می افتد ناشی از اثر خستگی است. سازندها و سازه‌های سنگی ازجمله گسل‌ها، درزه‌ها، صفحات لایه‌بندی، مخازن زیرزمینی، دیواره تونل‌ها، دیواره حائل پل‌ها، پی راه‌ها و سدها و ... می‌توانند تحت تأثیر بارهای دینامیکی ناشی از زمین‌لرزه‌های بزرگ، انفجار سنگ، آتشباری، حفاری، ترافیک قرار گیرند. اگرچه بررسی های زیادی در مورد شکست سازه های سنگی تحت بار خستگی صورت نگرفته است ولی بدون شک در سازه های سنگی نیز به علت وجود شکستگی های و ترک های بسیار زیاد و همچنین تأثیر طیف وسیعی از انواع بارگذاری های دینامیکی بر سازه های سنگی مطالعه شکست خستگی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در این تحقیق با انجام چند مجموعه مطالعه آزمایشگاهی، رفتار سنگ‌ها تحت تأثیر بارگذاری متناوب بر اساس روش تنش-عمر بررسی شده است. برای این منظور، دستگاه آزمایش خستگی تیر سنگی چرخان با الهام از دستگاه تیر چرخان تحت خمش که در فلزات کاملا متداول و رایج است، توسعه داده شد. نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش خستگی روی پنج نوع سنگ ساختمانی پرکاربرد با ترکیب کانی‌شناسی و منشأ ساخت متفاوت نشان می‌دهد که در نمودار تنش-عمر برای همه سنگ ها با کاهش مقدار تنش اعمالی به نمونه، تعداد دوره تحمل شده به‌صورت لگاریتمی افزایش پیدا می‌کند. رابطه بین تنش و عمر در نمونه های سنگی تطابق مناسبی با روابط وهلر، باسکواین، استرومیر و ویبول دارد، اما نتایج آزمایش ها بهترین تطبیق را با رابطه وهلر دارد. همچنین برآورد مقدار حد دوام به کمک این نوع آزمایش امکان پذیر شده و نتایج نشان می‌دهد که تمام سنگ های آزمایش شده دارای حد دوام هستند. حد دوام استخراج شده از نتایج نشان می دهد که برای همه سنگها حد دوام در محدوده یک تا ده میلیون دوره بارگذاری و برای سنگهای آزمایش شده در محدوده 0.4 تا 0.6 مقاومت کششی خمشی آنهاست. تحلیل ها نشان داد که حد دوام بیشترین وابستگی را به مقاومت کششی تحت خمش دارد و رابطه ای درجه دو به فرم رابطه برند و ساترلین مناسب ترین نتایج را برای برآورد حد دوام از روی مقاومت کششی خمشی برای سنگ ها دارد. بررسی اثر فرکانس بارگذاری روی مقاومت خستگی نمونه ها، نشان دهنده ی افزایش عمر خستگی در پی افزایش فرکانس است؛ اما فرکانس بارگذاری بر مقدار حد دوام تاثیرگذار نیست و نمونه هایی تحت تنش کمتر از حد دوام توانستند بیش از یک میلیون دوره را تحمل کنند. بررسی سطح مقطع شکست خستگی نشان داد که ترک خستگی به صورت منحنی انتشار یافته و ناحیه مربوط به گسترش ترک خستگی با حالت موج های جهت یافته و قسمت مربوط به سطح مقطع باقیمانده نمونه که بعد از گسترش ترک خستگی در انتهای دوره بارگذاری به صورت ناگهانی جدا شده را از هم جدا میکند. همچنین جدا شدگی دانه ها و پودر شدگی در تصاویر میکروسکوپی مربوط به شکست خستگی به وضوح از شکست استاتیکی بیشتر است. نتایج بررسی تاثیر تنش میانگین بر حد خستگی نشان داد که افزایش مقدار تنش میانگین چه در حالت کششی و چه در حالت فشاری، باعث کاهش مقدار حد خستگی شد و این نتایج آزمایشگاهی سنگ برای تاثیر تنش میانگین بر مقاومت خستگی بیشترین مطابقت را با معیار گودمن اصلاح شده دارند. تطابق مناسب نتایج حاصل‌شده با نتایج سایر مصالح تأیید می‌کند که دستگاه ساخته‌شده و روش مورد استفاده در این تحقیق برای برآورد خستگی سنگ‌ها مناسب است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی