توصيفگر ها :
مقاومت خستگي سنگ ها , بارگذاري معكوس شونده , حد دوام , Environmental phenomena , Freeze-thaw cycles , Multivariate analysis , Carbonate rocks
چكيده فارسي :
برخلاف شكست استاتيكي كه در اثر بارگذاري ثابت رخ ميدهد، خستگي ناشي از تجمع آسيبهاي مكرر است كه در نهايت به گسيختگي ناگهاني سنگ منجر ميشود. تركيب بارگذاري خستگي و هوازدگي انجماد-ذوب در سازههاي سنگي مسئلهاي پيچيده است كه درك بهتر آن ميتواند به بهبود طراحي و جلوگيري از تخريب زودرس پروژههايي مانند ذخيرهگاههاي زيرزميني زبالههستهاي، مخازن زيرزميني سوخت، ذخيرهسازي انرژي حرارتي، چاههاي زمينگرمايي، پايداري حفريات زيرزميني، تكيهگاههاي سنگي سدها و ديوارههاي معادن روباز تحت تأثير شرايط جوي، عرض جغرافيايي و ارتفاع قرار دارند،كمك كند. عدم بررسيهاي علمي در مورد تعامل دوسويه كشش-فشار در سالهاي اخير توجه پژوهشگران را به خود جلب كرده ولي همچنان مطالعات كمي در حوزه ژئومكانيك به اين موضوع پرداختهاند. اين مسئله وقتي پيچيدهتر ميشود كه اثرات محيطي مانند دورههاي انجماد-ذوب نيز به اين تعامل افزوده شود. اين پژوهش با تمركز بر اندركنش بين آسيبهاي حرارتي ناشي از دورهاي انجماد و ذوب تحت بارگذاري كاملاً معكوس شونده، تلاش ميكند تا اثر رفتار خستگي و شكست آن را در سنگها را به طور دقيقتري مدلسازي كند. براي بررسي خواص خستگي نمونههايي از سه نوع سنگ بر اساس روش تنش-عمر،كه تحت اجراي طرح آزمايش براي10، 30 و50 دوره انجماد در دماي 5- و20- و ذوب در دماي 20، 40 و 60 درجه سانتيگراد و بارگذاري متناوب معكوس شونده، قرار ميگيرند. تغييرات خواص آنها با نمونههاي شاهد مقايسه ميشود. براي اين منظور، ازدستگاه توسعه يافته آزمايش خستگي تير سنگي چرخان كه با الهام از دستگاه تير چرخان تحت خمش در فلزاست، استفاده شد. هدف از اين تحقيق، يافتن رابطه اي براي تعيين و پيشبيني ميزان آسيب و ارزيابي تأثير آن بر پارامترهاي مقاومت خستگي براي سه نوع سنگ كربناته با ويژگيهاي فيزيكي و مكانيكي متفاوت است. نتايج نشان مي دهد سه سنگ تراورتن، مرمريت و مرمر سبز انتخاب شده، داراي حد دوام مشخصي هستند كه در محدوده 49/0 تا 66/0 مقاومت كششي تحت خمش قرار دارد. در طرح آزمايش انجامشده، فاكتورهاي مؤثر مانند دماي انجماد، دماي ذوب، تعداد دورههاي F-T و تخلخل اوليه تأثيرات متفاوتي بر مقاومت خستگي داشتند. اين تغييرات در سطح تنش پايين (حد دوام) منجر به كاهش 33/1% تا 77/60% و در سطح تنش بالا (عمر خستگي كم) باعث كاهش 18/1% تا 85/51% شده است. همچنين، نرخ شيب نمودار برازششده نسبت به نمودار شاهد تا 96/51% افزايش يافته است. نمونههايي كه قبلاً تحت تأثير دوره حرارتي گرفتهاند، نسبت به نمونههاي شاهد، تردي كمتري دارند و رفتار شكلپذيرتري از خود نشان ميدهند، شيب نمودارهاي مربوط به اين سنگها كمتر است. در 60% از موارد، نمودارهاي آسيبديده نسبت به نمونههاي شاهد نشان دادند كه در سطوح تنش بالا، كاهش مقادير كمتر از زماني است كه سطح تنش پايين است. افزايش تخلخل از حداقل 74/0% تا حداكثر 16/86% و كاهش سرعت موج از حداقل 1% تا حداكثر 07/22% مشاهده شده است. با توجه به نتايج به دست آمده از طرح آزمايش اجرا شده، روابط بين تغييرات در فاكتور ها وسطوح پاسخ مختلف (خستگي و فيزيكي)، در طي فرآيندهاي ذوب و انجماد توسعه داده شده است. نتايج بررسي سطح مقطع شكست خستگي نمونههاي آسيبديده تحت دورههاي دمايي F-T، نشان ميدهد كه اين مقاطع بسته به تعداد دورهاي انجماد-ذوب، محدودهي دمايي و تخلخل، رفتار متفاوتي دارند. براي سنگ تراورتن و مرمريت، شكست ناصاف است، اما در نمونههاي مرمر سبز، هيچ گونه خردشدگي يا تغيير ظاهري وجود ندارد. اين نتايج نشاندهندهي تفاوتهاي قابل توجه در رفتار شكست ميان انواع مختلف سنگها تحت تأثير دماهاي انجماد-ذوب است.
چكيده انگليسي :
Rock fatigue denotes the progressive degradation in rock strength due to cyclic loading, as opposed to static failure which results from a constant load. Understanding the interaction between fatigue loading and freeze-thaw cycling is crucial for improving design and preventing premature failure in various rock engineering projects, such as thermal energy storage, geothermal wells, underground excavation stability, and open-pit mining subjected to diverse climatic conditions. The bidirectional interaction between tension and compression in rocks remains under-researched, rendering it a significant topic of interest.The present study examines the fatigue behavior of three rock types through stress-life tests conducted under different freeze-thaw conditions: 10, 30, and 50 cycles at temperatures of -5°C and -20°C, followed by thawing at 20°C, 40°C, and 60°C, and subjected to reversed cyclic loading. The properties of these rocks were then compared to reference specimens using an innovative rotating rock beam fatigue testing apparatus, inspired by metallic rotating beam bending tests. The objective of this study is to develop a mathematical model for quantifying and predicting damage, evaluating its impact on fatigue strength parameters, and investigating the relationship between physical properties (porosity and P-wave velocity) and fatigue behavior in three carbonate rock types. The results indicated that travertine, marble, and green onyx possess defined endurance limits ranging from 0.49 to 0.66 of their flexural tensile strength, revealing a strong correlation between endurance limits and tensile strength. Experimental results demonstrated that factors such as the number and temperatures of freeze-thaw cycles and initial porosity significantly affect fatigue strength. These factors resulted in reductions in fatigue strength ranging from 1.33% to 60.77% at low stress levels and from 1.18% to 51.85% at high stress levels, with an increase of up to 51.96% in the slope difference between the fitted and reference curves. Specimens subjected to thermal cycling exhibited more ductile behavior and reduced brittleness compared to control specimens, leading to lower slopes in their corresponding curves. This altered behavior is attributed to the combined influence of temperature and the number of cycles, rather than either factor alone. In 60% of cases, the reduction in values at high stress levels was less pronounced than at low stress levels, suggesting that the effects of freeze-thaw cycles become more significant as fatigue life increases, resulting in a greater reduction in endurance limits. Freeze-thaw cycles have a substantial impact on the physical properties of rocks. Repeated cycles induce changes in physical properties that are dependent on the rock type. In travertine, porosity increases with repeated cycles, followed by a deceleration in the rate of increase, which parallels a decrease in wave velocity. The other two rock types did not exhibit a specific pattern, with porosity increasing and wave velocity decreasing rapidly due to the number of F-T periods and the wider temperature range. Overall, porosity increased from a minimum of 0.74% to a maximum of 86.16%, while wave speed decreased from a minimum of 1% to a maximum of 22.07%. Analysis of fracture surfaces of fatigue-damaged specimens subjected to F-T cycles showed that the characteristics of these surfaces are influenced by the number of freeze-thaw cycles, temperature range, and porosity. Fatigue cracks were not evident, and there was distortion due to crushing and loss of intergranular bonding, possibly from volumetric expansion and water intrusion. Travertine and marble exhibited rough fracture surfaces, whereas green onyx showed no crushing or visible alteration, indicating substantial differences in fracture behavior among rock types under freeze-thaw conditions.