Skip to main content
SUPERVISOR
Hamid Hashemalhosseini,Alireza Baghbanan
حميد هاشم الحسيني (استاد راهنما) عليرضا باغبانان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saeed Jamali zavare
سعيد جمالي 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 طي پديده خستگي جسم به علت تجمع آسيب و گسترش ترک ناشي از تکرار روند بارگذاري، در تنشي کمتر از مقاومت استاتيکي خود به‌صورت ناگهاني و ترد مي‌شکند. تجربيات گذشته نشان مي دهد که بيش از 90 درصد از مجموع شکست هاي مکانيکي که در ساير مواد از جمله فلزات اتفاق مي افتد ناشي از اثر خستگي است. سازندها و سازه‌هاي سنگي ازجمله گسل‌ها، درزه‌ها، صفحات لايه‌بندي، مخازن زيرزميني، ديواره تونل‌ها، ديواره حائل پل‌ها، پي راه‌ها و سدها و ... مي‌توانند تحت تأثير بارهاي ديناميکي ناشي از زمين‌لرزه‌هاي بزرگ، انفجار سنگ، آتشباري، حفاري، ترافيک قرار گيرند. اگرچه بررسي هاي زيادي در مورد شکست سازه هاي سنگي تحت بار خستگي صورت نگرفته است ولي بدون شک در سازه هاي سنگي نيز به علت وجود شکستگي هاي و ترک هاي بسيار زياد و همچنين تأثير طيف وسيعي از انواع بارگذاري هاي ديناميکي بر سازه هاي سنگي مطالعه شکست خستگي از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. در اين تحقيق با انجام چند مجموعه مطالعه آزمايشگاهي، رفتار سنگ‌ها تحت تأثير بارگذاري متناوب بر اساس روش تنش-عمر بررسي شده است. براي اين منظور، دستگاه آزمايش خستگي تير سنگي چرخان با الهام از دستگاه تير چرخان تحت خمش که در فلزات کاملا متداول و رايج است، توسعه داده شد. نتايج به‌دست‌آمده از آزمايش خستگي روي پنج نوع سنگ ساختماني پرکاربرد با ترکيب کاني‌شناسي و منشأ ساخت متفاوت نشان مي‌دهد که در نمودار تنش-عمر براي همه سنگ ها با کاهش مقدار تنش اعمالي به نمونه، تعداد دوره تحمل شده به‌صورت لگاريتمي افزايش پيدا مي‌کند. رابطه بين تنش و عمر در نمونه هاي سنگي تطابق مناسبي با روابط وهلر، باسکواين، استرومير و ويبول دارد، اما نتايج آزمايش ها بهترين تطبيق را با رابطه وهلر دارد. همچنين برآورد مقدار حد دوام به کمک اين نوع آزمايش امکان پذير شده و نتايج نشان مي‌دهد که تمام سنگ هاي آزمايش شده داراي حد دوام هستند. حد دوام استخراج شده از نتايج نشان مي دهد که براي همه سنگها حد دوام در محدوده يک تا ده ميليون دوره بارگذاري و براي سنگهاي آزمايش شده در محدوده 0.4 تا 0.6 مقاومت کششي خمشي آنهاست. تحليل ها نشان داد که حد دوام بيشترين وابستگي را به مقاومت کششي تحت خمش دارد و رابطه اي درجه دو به فرم رابطه برند و ساترلين مناسب ترين نتايج را براي برآورد حد دوام از روي مقاومت کششي خمشي براي سنگ ها دارد. بررسي اثر فرکانس بارگذاري روي مقاومت خستگي نمونه ها، نشان دهنده ي افزايش عمر خستگي در پي افزايش فرکانس است؛ اما فرکانس بارگذاري بر مقدار حد دوام تاثيرگذار نيست و نمونه هايي تحت تنش کمتر از حد دوام توانستند بيش از يک ميليون دوره را تحمل کنند. بررسي سطح مقطع شکست خستگي نشان داد که ترک خستگي به صورت منحني انتشار يافته و ناحيه مربوط به گسترش ترک خستگي با حالت موج هاي جهت يافته و قسمت مربوط به سطح مقطع باقيمانده نمونه که بعد از گسترش ترک خستگي در انتهاي دوره بارگذاري به صورت ناگهاني جدا شده را از هم جدا ميکند. همچنين جدا شدگي دانه ها و پودر شدگي در تصاوير ميکروسکوپي مربوط به شکست خستگي به وضوح از شکست استاتيکي بيشتر است. نتايج بررسي تاثير تنش ميانگين بر حد خستگي نشان داد که افزايش مقدار تنش ميانگين چه در حالت کششي و چه در حالت فشاري، باعث کاهش مقدار حد خستگي شد و اين نتايج آزمايشگاهي سنگ براي تاثير تنش ميانگين بر مقاومت خستگي بيشترين مطابقت را با معيار گودمن اصلاح شده دارند. تطابق مناسب نتايج حاصل‌شده با نتايج ساير مصالح تأييد مي‌کند که دستگاه ساخته‌شده و روش مورد استفاده در اين تحقيق براي برآورد خستگي سنگ‌ها مناسب است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی