پروژه ارزيابي رفتار تنش كرنش سنگها با استفاده از دستگاه آزمايش خود كنترل

چكيده

مطالعه رفتار سنگ ها بر خلاف بعضي از مصالح مهندسي در محدوده الاستيك خلاصه نمي شود. جهت تعيين رفتار واقعي توده هاي سنگي، مطالعه رفتار سنگ ها در تمام مراحل بارگذاري حتي پس از نقطه مقاومت نهايي، شكست و خرابي كامل سنگ نيز امري ضروري است. به همين دليل ارزيابي رفتار و مطالعه جامع سنگ ها در آزمايشگاه توسط دستگاههاي عادي آزمايش ( كه صرفاً قادر به بارگذاري سنگ تا مقاومت نهايي سنگ هستند) را نمي توان به طور كامل انجام داد و نياز به دستگاه هاي پيچيده و پيشرفته و مجهز به امكانات الكترونيكي است. اين نوع دستگاه ها در مكانيك سنگ تحت عنوان خود كنترل ( servo- control) مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين مقاله سعي شده است تا حدودي مكانيزم رفتاري سنگ ها در بارگذاري، كاربرد منحني هاي كامل تنش- كرنش سنگ ها، انواع آزمايش هايي كه توسط اين نوع دستگاه ها در دنيا انجام شده است و در پايان اندركنش ماشين- نمونه، تاثير سختي ماشين و نمونه در بدست آوردن اين نوع منحني ها و به طور كلي اصول و كليات دستگاه هاي خود كنترل به تفصيل پرداخته شود.

كلمات كليدي: رفتار شكننده، رفتار خميد، خود كنترل، تنش. كرنش، سختي

• • رفتار شكننده و خميري

سنگ ها در اثر بارگذاري و اعمال تنش دچار دو نوع شكست مي گردند. يكي شكست شكننده است و ديگري رفتار خميري مي باشد

شكست شكننده وقتي اتفاق مي افتد كه توانايي سنگ در تحمل بار با افزايش تغيير شكل كاهش مي يابد. شكست شكننده اغلب مرتبط با تغيير شكل دايمي كوچك يا بدون تغيير شكل دايمي قبل از شكست نهايي بوده و به شرايط آزمايش بستگي دارد كه ممكن است به صورت ناگهاني و انفجار گونه رخ دهد. شكست ناگهاني و انفجار گونه سنگها در معادن عميق و با سنگ هاي سخت رخ مي دهد. در شكل (1) منحني تنش- كرنش شكننده ارائه شده است.

شكل 1- منحني تنش- كرنش شكننده در فشار ت محوري

ماده اي داراي رفتار خميري مي باشد كه بتواند تغيير شكل دايمي را بدون از دست دادن توان خود در تحمل بار ادامه دهد. اكثر سنگ ها در فشارهاي جانبي و درجه حرارت هايي كه در كارهاي عمراني و معدني با آنها مواجه مي شويم، رفتاري شكننده دارند. ميزان خميري با افزايش فشار جانبي و افزايش درجه حرارت افزايش مي يابد، ولي در سنگ ها هوازده، توده هاي سنگي شديداً درزدار و بعضي از سنگ ها مثل سنگ هاي تبخيري نيز در شرايط معمول مهندسي پديده خميري اتفاق مي افتد. در شكل (2) منحني تنش- كرنش خميري ارائه شده است.

شكل 2- منحني تنش- كرنش براي رفتار خميري در فشار

افزايش فشار جانبي، سنگ را به مرحله انتقال از شكنندگي به خميري مي رساند. اين مرحله، حدي از فشار جانبي است كه رفتار سنگ از نوع شكننده به خميري كامل انتقال مي يابد. بايرلي (3) فشار انتقال از شكنندگي به خميري را حدي از فشار جانبي تعريف كرده است كه در آن تنش مورد نياز براي تشكيل صفحه شكست در نمونه سنگ برابر  با تنشي است كه موجب لغزش روي آن صفحه مي شود.

همان طور كه اشاره شد، شكست شكننده كه در سنگها تحت شرايط آزمايشگاهي يا شرايط صحرايي رخ ميد هد، اغلب به طور طبيعي ناگهاني. انفجار گونه و غير كنترل شده است. در ساير موارد از قبيل پايه هاي معدني، ممكن است سنگ بعد از ظرفيت باربري  نهايي خود، در حالت كنترل شده بشكند و تغيير شكل دهد و در مقدار بار كمتري به تعادل برسد. در حالت اول، شكست انفجار گونه در تنش نهايي رخ مي دهد، و بخش بعد از اوج منحني تنش – كرنش ثبت نخواهد شد. در حالت دوم، شكست  تدريجي سنگ قابل مشاهده بوده و بخش بعد از اوج منحني تنش- كرنش ثبت خواهد شد.

اينكه كدام يك از اين دو شكل عمومي رفتار رخ خواهد داد، بستگي به سختي نسبي نمونه بارگذاري شده و سيستم بارگذاري دارد ( اعم از اينكه اين سيستم ماشين آزمايش در  آزمايشگاه باشد يا توده سنگي كه يك حجم درجا و در محل سنگ را در برگرفته و بار وارد مي كند) در آزمايشگاه احتمال شكست كنترل نشده را مي توان با به كارگيري دستگاه هاي آزمايش با سختي بالا يا با دستگاه هاي خود كنترل كاهش داد.

در عمل كاربرد اين منحني ها و مفهوم منحني تنش- كرنش يا منحني هاي نيرو- تغيير مكان سنگ هاي شكننده و توده هاي سنگي براي درك صحيح و تحليل رفتاري سنگ هايي كه شديداً تحت تنش هستند( از قبيل پايه هاي معدني و يا سازه هاي زير زميني) پر اهميت و حياتي است رسم اين منحني هاي تنش- كرنش بهترين توصيف را از نحوه تغيير شكل سنگ ها در سطوح مختلف تنش ارائه مي دهند پاره اي از كاربردهاي منحني هاي تنش – كرنش به شرح زير است.

1- طراحي پيلار هاي معدني در روش معدني كاري اتاق و پايه،

2- پيش بيني رفتار سنگ در دراز مدت،

3- پيش بيني رفتار سازه تحت بارهاي تناوبي،

4- تعيين رفتار توده هاي سنگي،

5- پيش بيني عكس العمل توده سنگ حين حفاري هاي زير زميني

• مفهوم اندر كنش ماشين- نمونه ( مفهوم ماشين نرم و سخت)

وقتي ماده اي شكننده مثل سنگ در ماشين بارگذاري معمولي تحت نيروي فشار قارارمي گيرد، با افزايش بار مقداري انرژي كرنشي الاستيك در بدنه ماشين ذخيره مي شود. در چنين ماشين هايي كه تحت عنوان ماشين نرم شناخته مي شوند. پس از رسيدن نمونه به مقاومت نهايي و گسيختگي، انرژي كرنش الاستيكي ذخيره شده در ماشين به صورت ناگهاني، آزاد شده و صفحانت بارگذاري ماشين به سرعت به سمت يكديگر حركت مي كنند. اين حركت ناگهاني باعث خرد شدگي شديد نمونه و در نتيجه موجب شكست انفجاري آن مي گردد.

همان طور كه در شكل (3) ملاحظه مي شود اعمال نيروي P در يك ماشين فشاري باعث تغيير شكل  در نمونه و  در ماشين مي گردد. بنابراين انرژي الاستيك ذخيره شده در ماشين(  طبقه رابطه (1) به دست مي آيد.

با اين تعريف كه شيب منحني نيرو – تغيير مكان محوري نشانگر صليب ماشين مي باشد، مطابق شكل (4) خواهيم داشت.

و در نتيجه رابطه (3) به دست مي آيد

رابطه اخير نشان ميدهد كه هر چه صليب ماشين بيشتر باشد، انرژي الاستيك ذخيره شده در آن كم تر خواهد بود. بدين ترتيب اثر تخريبي ماشين آزمايش روي نمونه كاهش مي يابد. به عبارت ديگر براي اجتناب از شكستن انفجاري نمونه ها، لازم است كه صلبيت  ماشين به مراتب بيشتر ازصلبيت نمونه پس از گسيختگي باشد كه اين خاصيت در ماشين هاي آزمايش نرم وجود ندارد.

فهرست مطالب

عنوانصفحه

چكيده…………………………………………………………………………………………………………. 1

رفتار شكننده و خميري…………………………………………………………………………………. 2

مفهوم اندركنش ماشين – نمونه (مفهوم ماشين ، نرم و سخت) …………………………. 5

عامل مؤثر در شكست كنترل شده سنگها در ماشين آزمايش…………………………….. 8

اصول و مباني دستگاههاي خود كنترل…………………………………………………………… 16

خلاصه اي از مطالعات انجام شده و نتايج حاصل از آن توسط دستگاه خودكنترل             20

نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………….. 28

خلاصه و پيشنهاد………………………………………………………………………………………… 30

منابع   31