بررسی آزمایشگاهی تاثیر بارگذاری دوره ای حرارتی بر پارامترهای ژئومکانیکی و میزان آسیب در سنگ آهک کریستاله

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 بسیاری از فعالیت های ژئومکانیکی مانند بهره برداری از مخازن ژئوترمال، دفن زباله های هسته ای، حفر فضاهای زیرزمینی در اعماق زیاد، حفر چاهای نفت و غیره، توده سنگ در معرض بارگذاری حرارتی قرار می گیرد. بارگذاری حرارتی تحت شرایط زمانی مختلف، نقش مهمی در ناپایداری توده سنگ های مجاور دارد. علاوه بر فعالیت های ژئومکانیکی، فرآیند هوازدگی خواه به صورت فیزیکی یا شیمیایی تأثیر قابل ملاحظه ای نیز بر مقاومت توده سنگ دارد. برای این منظور، مطالعه و تحقیق درباره تأثیر بارگذاری دوره ای حرارتی )سرمایش گرمایش( بر خواص ژئومکانیکی توده سنگ با هدف ایجاد سازه سنگی پایدار لازم و ضروری می باشد. در این تحقیق، ابتدا - بلوک های سنگ آهک کریستاله با ابعاد 30 × 30 × 30 سانتیمتر آماده سازی شد. وضعیت ناهمسانگردی بلوک های سنگی بر اساس سرعت موج فشاری تعیین شد. 1200 سانتیمتر عملیات مغزه گیری با قطر 53 و 69 سانتیمتر با استفاده از دستگاه مغزه گیر خودکار انجام شد. پس از آماده سازی نمونه ها طبق استاندارد ISRM ، پارامترهای فیزیکی و مکانیکی شامل چگالی، تخلخل، سرعت موج فشاری، سرعت موج برشی، مقاومت فشاری تک محوره، مقاومت کششی غیرمستقیم، مدول الاستیک و نسبت پواسون برای نمونه ها تعیین شد. همچنین پارامترهای شکست شامل، چقرمگی شکست مد اول، مد دوم، مد ترکیبی، زاویه شروع و مسیر گسترش ترک بررسی شد. عمل آوری نمونه ها تحت بارگذاری دوره ای حرارتی در بازه دمایی 30 درجه سانتیگراد تا - 160 درجه سانتیگراد شامل 6 چرخه 2 ، 4 ، 6 ، 8 ، 10 و 24 ساعته بصورت چرخه های منجمد کردن و خنک کردن با نام اختصاری) F-C (، چرخه های حرارت دادن و خنک کردن ) H-C ،) چرخه های منجمد کردن، خنک کردن و حرارت دادن ) F-C-H (، چرخه های حرارت دادن، خنک کردن و منجمد کردن ) H-C-F ( و چرخه های حرارت دادن، خنک کردن، اشباع کردن، منجمد کردن )) Sat. ) H-C-F ( می باشد. این نوع بارگذاری حرارتی دوره ای برای اولین بار برای ارزیابی خواص فیزیکی، مکانیکی و شکست برای مصالح سنگی ارائه شد. در مجموع 12 آزمایش اندازه گیری چگالی، 160 آزمایش سرعت موج فشاری، 30 آزمایش سرعت موج برشی، 25 آزمایش مقاومت فشاری تک محوره، 20 آزمایش کشش غیرمستقیم و 44 آزمایش تعیین چقرمگی شکست انجام شد. همچنین به منظور مطالعه دقیق تر بر روی نمونه های سنگ آهک کریستاله، آزمایش پراش اشعه ایکس ) XRD (، مطالعات میکرسکوپی شامل تهیه مقاطع نازک و آزمایش میکرسکوپ الکترونی ) SEM ( قبل و بعد از عمل آوری نمونه ها انجام شد. نتایج به دست آمده در این تحقیق نشان دادکه مهمترین عامل تغییر در ویژگی های ژئومکانیکی نمونه سنگ آهک کریستاله، وجود ریزترک های بین دانه ای و تا اندازه ای درون دانه ای القا شده در اثر حرارت و تغییر بافت کریستال ها در اثر بارگذاری دوره ای حرارتی می باشد. فرایند گرمایش و سرمایش سبب تغییر در رفتار منحنی تنش کرنش جانبی نمونه های سنگ آهک کریستاله - می شود بطوریکه در هنگام فرایند بارگذاری قطر نمونه کاهش می یابد و نمونه لاغر می شود. میزان کاهش در قطر برای نمونه هایی که دماهای بالاتر را تجربه می کنند به دلیل تغییر در ساختار کریستاله، کمتر است. رفتار کششی و فشاری نمونه ها تحت تأثیر بارگذاری حرارتی دوره ای کاملا با هم متفاوت است. مکانسیم غالب شکست نمونه ها در آزمایش فشاری تک محوره، بصورت صفحات برشی بوده بطوریکه زاویه صفحات برشی در تمامی چرخه های گرمایش و سرمایش یکسان و در بازه 70 تا 75 درجه اندازه گیری شد. در بحث چقرمگی شکست، نتایج نشان داد که معیارهای تئوری شکستی که بر پایه پارامتر غیر تکین T بنا شده مانند معیار بیشترین تنش مماسی اصلاح شده ) MMTS ( و معیار بیشترین کرنش مماسی توسعه یافته ) EMTSN ( به خوبی قادر به پیش بینی پوش منحنی چقرمگی شکست برای نمونه های SCB تحت تأثیر بارگذاری حرارتی دوره ای می باشد. دلیل این امر وابستگی این نمونه ها به پارامتر T می باشد. همچنین نتایج نشان داد که زاویه شروع ترک نمونه ها پس از بارگذاری حرارتی دوره ای تطابق نسبتاً مناسبی با زاویه شروع ترک پیش بینی شده توسط معیارهای تئوری شکست دارد. همچنین زاویه شروع ترک برای مدهای دوم و ترکیبی پس از اعمال بارگذاری حرارتی دوره ای یکسان بوده و به ترتیب برابر با 78 و 58 درجه اندازه گیری شده است. در ادامه بر اساس داده های آزمایشگاهی و روش های آماری به تعیین درجه هوازدگی پرداخته شد. بداین منظور، ضریب همبستگی اسپیرمن برای 11 متغیر به صورت دو به دو بررسی شد. سپس با استفاده از روش طبقه بندی k-means و شاخض ضریب سیلووت، کل داده ها به دو کلاس هوازده و غیر هوازده تقسیم بندی شدند. به دنبال آن، با توجه به روش آنالیز خوشه ای "وارد" شباهت های بین متغیرها تعیین شد. نتایج نشان داد که از نظر شباهت، 11 متغیر را می توان به سه خوشه شامل 1 تخلخل - 2 مقاومت فشاری تک محوره، مدول الاستیک و انرژی کرنشی - 3 مقاومت کششی غیرمستقیم، مد اول، مد دوم و مد - ترکیبی چقرمگی شکست، سرعت موج فشاری و برشی و چگالی دسته بندی کرد. از میان خوشه دوم و سوم پارامتر مقاومت فشاری تک محوره و سرعت موج فشاری به دلیل سادگی در نحوه اندازه گیری نسبت به سایر پارامترها به همراه تخلخل به عنوان متغیرهای مناسب جهت اندازه گیری درجه هوازدگی انتخاب شد. و در نهایت بر اساس روش آماری مولفه های اصلی رابطه خطی بین درجه هوازدگی و