بررسی نقش خواص ساختاری و مکانیکی سنگ در طراحی دینامیکی مغارها با استفاده از آزمایش میله فشاری هاپکینسون

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی معدن-مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشیار، گروه مهندسی معدن-مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان

3 دانشیار، گروه مهندسی عمران-ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان

4 استاد، گروه مهندسی مکانیک-طراحی جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف تهران

چکیده

اهمیت سازه های امن و مقاوم، ایجاد مغارهای زیرزمینی در محیط سنگی را ضروری می سازد  که این موضوع از اصول طراحی ایمن و بهینه در هر کشوری می باشد. اما طراحی این سازه ها بر عمق روباره ، نوع سازه مدفون و پارامترهای طراحی در سطح زمین متمرکز است و  رفتار مکانیکی سنگ در بارگذاری دینامیکی، کمتر  مورد توجه قرار می گیرد و این درحالی است که پارامترهای مکانیکی سنگ نظیر مقاومت فشاری با نرخ کرنش  و تنش محصور کننده تغییر می کنند. در این مقاله ابتدا جایگاه مطالعات دینامیکی سنگ  در چارچوب طراحی بهینه سازه های امن ،با تاکید بر وقایع تهدید کننده آنها تشریح شد . در ادامه تاثیر خواص میکروساختارها بر رفتار مکانیکی سنگ در بارگذاری شبه استاتیکی و دینامیکی با استفاده از آزمایش های پیشنهادی انجمن بین المللی مکانیک سنگ مطالعه گردید. ضریب افزایش در مقاومت فشاری با تغییر نوع بارگذاری، نرخ کرنش و تنش محصور کننده در دو نمونه مرمریت با میکروساختارهای متفاوت بررسی شد و همچنین مشخص شد که ضریب افزایش مقاومت سنگ تحت تنش محصور کننده در نرخ کرنش معین، در مرمریت های مورد مطالعه تا عمق 85 متری زمین در بارگذاری شبه استاتیکی مقدار 1/15 و  در  بارگذاری دینامیکی 1/65 است. که تبیین کننده وجود رابطه مستقیم بین ضریب افزایش در مقاومت فشاری سنگ و عمق استقرارسازه با لحاظ کردن اثر نرخ کرنش می باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the role of the structural and mechanical properties of rock in dynamic design of caverns using Split Hopkinson Pressure Bar device

نویسندگان [English]

  • H. Ahmadian 1
  • A. Baghbanan 2
  • H. Hashemolhosseini 3
  • R. Naghdabadi 4
1 Ph.D Student, Dept. of Mining Engineering, Isfahan University of Technology
2 Associate Professor, Dept. of Mining Engineering, Isfahan University of Technology
3 Associate Professor, Dept. of Civil Engineering, Isfahan University of Technology
4 Professor, Dept. of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
چکیده [English]

The importance of caverns makes it necessary to create underground structures in the rocky environment. However, in designing  these structures the depth of the overburden is mostly considered, and the dynamic mechanical behavior of rocks in dynamic loading is less taken into account. This is while the mechanical properties of rocks such as compressive strengths is also changed due to the strain rate and confining stress. In this paper, the role of rock dynamics in the framework of the safe design of caverns was considered. In the following, the effect of microstructure properties on the mechanical behavior of rock in quasi-static and dynamic loading was studied, and experiments suggested by ISRM were conducted. The rate of compressive strength increase by changing the loading type, strain rate and confining stress in two marble samples with different microstructures was investigated. The rock strength increase factor with confining stress for marbles at a depth of 85 m was also determined being 1.15 in a quasi-static loading, and 1.65 in dynamic loading, which clarifies that there is a direct relationship between rock strength increase factor and the depth of deployment when strain rate is applied.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dynamic behavior
  • Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)
  • Hard and Deeply Buried Targets (HDBT)
[1]     Amrollahi, H., Baghbanan, A., and Hashemolhosseini, H. (2011). “Measuring Fracture Toughness of Crystalline Marbles Under Modes I and II and Mixed Mode I–II Loading Conditions Using CCNBD and HCCD Specimens”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48: 432-439.

[2]     Aliabadian, Z., Sharafisafa, M., Mortazavi, A., and Maarefvand, P. (2014). “Wave and Fracture Propagation in Continuum and Faulted Rock Masses: distinct element modeling”. Arabian Journal of Geosciences, 7: 5021-5035.

[3]     Amiri, M., Bakhshandeh Amnieh, H., Hasanipanah, M., and Mohammad Khanli, L. (2016). “A New Combination of Artificial Neural Network and K-nearest Neighbors Models to Predict Blast-Induced Ground Vibration and Air-Overpressure”. Engineering with Computers, 32: 631-644.

[4]     Chen, S., and Zhao, J. (1998). “A study of UDEC modelling for blast wave propagation in jointed rock masses”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 35: 93-99.

[5]     Nateghi, R. (2011). “Prediction of Ground Vibration Level Induced by Blasting at Different Rock Units”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Scienc, 48: 899-908.

[6]     Khandelwal, M., and Singh, TN. (2009). “Prediction of Blast-Induced Ground Vibration Using Artificial Neural Network”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 289: 22-46.

[7]     Zhang, Q. B., and Zhao, J. (2014). “Quasi-static and Dynamic Fracture Behavior of Rock Materials: Phenomena and Mechanisms”. International Journal of Fracture, 189: 1-32.

[8]     Zhou, Y., and Zhao, J. (2011). “Advances in rock dynamics and applications: CRC Press”. P.O. Box 447, 2300 AK Leiden,The Netherlands.

[9]     Antoun, T., Glenn, L., Walton, O., Goldstein, P., Lomov, I., and Liu, B. (2006).“Simulation of hypervelocity penetration in limestone”. International Journal of Impact Engineering, 33: 45-52.

[10]  Xia, K., Nasseri, M. H. B., Mohanty, B., Lu, F., Chen, R., and Luo, S. N. (2008). “Effects of microstructures on dynamic compression of Barre granite”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 45: 879-87.

[11]  Frew, D., Forrestal, M. J., and Chen, W. (2001). “A split Hopkinson pressure bar technique to determine compressive stress-strain data for rock materials”. Experimental Mechanics, 41: 40-46.

[12]  Hokka, M., Black, J., Tkalich, D., Fourmeau, M., Kane, A., and Hoang, N-H. et al. (2016). “Effects of strain rate and confining pressure on the compressive behavior of Kuru granite”. International Journal of Impact Engineering, 91: 183-193.

[13]  Standards RM. 2007-2014.ISRM Suggested Methods,  Basic Rock Sample Preparation.

[14]  Naghdabadi, R., Ashrafi, M., and Arghavani, J. (2012). “Experimental and Numerical Investigation of Pulse-Shaped Split Hopkinson Pressure Bar Test”. Materials Science and Engineering: A., 539: 285-93.

[15]  Ross, C. A., and Tedesco, J. (1989). “Split-Hopkinson Pressure-bar Tests on Concrete and Mortar in Tension and Compression”. Materials Journal, 86: 475-481.