sandstone
در نشریات گروه مهندسی معدن-
در مراحل مقدماتی یک پروژه تونلسازی دانستن میزان سایندگی مصالح برای انتخاب یک روش حفاری مقرون به صرفه بسیار تاثیرگذار است. در این پژوهش روابطی برای تخمین سایندگی سرشار ماسه سنگ و توف ارایه شد. برای این منظور انواع ماسه سنگ و توف با ویژگی های زمین شناسی گوناگون انتخاب شده است تا نتایج جامع و قابل استناد به دست آید. پس از جمع آوری نمونه های ماسه سنگ و توف از نقاط مختلف و آماده سازی آن ها، آزمایش های گوناگونی برای تعیین مقاومت فشاری تک محوری، مقاومت کششی، سرعت امواج طولی، سختی واجهشی چکش اشمیت و محتوای کوارتز معادل انجام شد، سپس با توجه به نتایج حاصل از آزمایش ها با استفاده از نرم افزار آماری SPSS و Excel دو رابطه ارایه شد. اولین رابطه بر اساس مقاومت فشاری تک محوری و میزان کوارتز معادل با ضریب تعیین 81/0 شاخص سایندگی سرشار ماسه سنگ را تخمین می زند. برای تخمین شاخص سایندگی سرشار توف رابطه ای بر اساس تحلیل داده ها به کمک نرم افزار اکسل ارایه شد. این رابطه بر اساس سختی واجهشی چکش اشمیت با ضریب تعیین 88/0 شاخص سایندگی توف را تخمین می زند.
کلید واژگان: ماسه سنگ، توف، شاخص سایندگی سرشار، خواص سنگ، سایندگیThe abrasivity of materials is of vital importance in selecting an affordable excavation method in the early stages of a tunneling project. The amount of specific energy and the Mode I and Mode II stress intensity factors in the eroded disc is more than the non-eroded disc. Vickers hardness number rock (VHNR), rock abrasivity index (RAI), Cerchar abrasivity index (CAI), LCPC abrasivity coefficient, and Norwegian University of Science and Technology (NTNU) abrasion test are among the methods for estimating rock abrasivity. Correlations were proposed in this study for estimating the CAI of sandstone and tuff. To achieve reliable comprehensive results, various kinds of sandstone and tuff with different geological properties were selected. Sandstone and tuff samples were collected from different regions. Various tests were then carried out on prepared rock specimens to determine the uniaxial compressive strength (UCS), tensile strength, longitudinal waves velocity, Schmidt hammer rebound hardness, and the equivalent quartz content (EQC). Two correlations were presented by analyzing the experimental results with the help of SPSS and Excel. The first correlation estimated the CAI of sandstone based on the UCS and EQC with a coefficient of determination (R2) of 0.81. Moreover, using data analysis in Excel, another correlation was proposed to estimate the CAI of tuff. The second correlation estimated the Schmidt hammer rebound hardness of tuff with an R2 of 0.88.
Keywords: Sandstone, Tuff, Cerchar Abrasivity Index, Rock Properties, Mechanized Excavation -
در حفاری تونل هایی با خواص سنگ های رسوبی متورم شونده تغییر ارتفاع کف و حرکت دیوارهای جانبی به سمت داخل اغلب مشاهده و سبب ایجاد تنش و تخریب سازه می شود. سنگ هایی که متورم می شوند رفتار ویسکوالاستیک نیز از خود نشان می دهند که احتمالا به دلیل لغزش لایه های رسی است. این پژوهش به منظور تعیین پارامترهای فیزیکی، مکانیکی و دینامیکی شیل، گلسنگ و ماسه سنگ دربرگیرنده تونل شماره 3 شرقی معدن پرورده طبس، بر روی نمونه ها مطالعات سنگ شناسی، آزمایش های وزن مخصوص، تخلخل، درصد جذب آب، مقاومت فشاری تک محوری، آزمایش مقاومت برزیلی، آزمایش تورم پذیری ، آزمایش پراش اشعه ایکس (XRD) و... صورت گرفته است. ایجاد روابط میان پارامترهای مکانیک سنگ مداخله کننده با میزان تورم سنگ های دربرگیرنده این تونل پرداخت شده است. تونل مورد مطالعه متشکل از ماسه سنگ دانه ریز، شیل و گلسنگ در هم جواری زغال سنگ است. سیمان موجود در سنگ های مورد مطالعه به صورت سیلیسی، آهک و اکسید آهن می باشد که عامل مهم در تاثیرپذیری مقاومت نمونه ها دارند. کانی های رسی غالب ایلیت و کلریت و به میزان کمتر مونت موریونیت و کائولینیت می باشد. ضریب تورم پذیری سنگ های مورد بررسی شامل شیل، گلسنگ و ماسه سنگ ها به ترتیب 64/23، 6/17 و 3/12 درصد پیش بینی شده است. با توجه به بررسی ها درصد تخلخل، جذب آب و چگالی می تواند بر روی میزان تورم پذیری تاثیر بگذارد و با افزایش میزان تورم پذیری مقاومت سنگ ها کاهش یافته است. همچنین میزان سرعت اموج در نمونه سنگ های مورد مطالعه نیز کاهش می یابد.کلید واژگان: تورم پذیری، معدن زغال سنگ پرورده، ماسه سنگ، شیل، گلسنگIn excavation tunnels with properties of inflatable sedimentary rocks, the change in floor height and movement of side walls inwards is often observed and causes tension and destruction of the structure. Stones that swell also exhibit viscoelastic behavior, possibly due to the sliding of clay layers. In order to determine the physical and mechanical parameters of shale, mudstone and sandstone which include tunnel No. 3 of the eastern tunnel of Parvadeh Tabas mine, special gravity tests, porosity, water absorption percentage, uniaxial compressive strength, Brazilian resistance test, swellability test, X-ray diffraction (XRD) test, and… Face. The relationship between the parameters of the intervening rock mechanics and the swelling of the rocks containing this tunnel has been paid. The tunnel is composed of fine-grained sandstone, shale and coal-juxtaposed mudstone. Cements are in the form of silica, lime and iron oxides which are important factors in the impact of the resistance of samples. Clay minerals are dominant in ilite and chlorite and to a lesser extent montmorionite and kaolinite. The inflation coefficient of the studied rocks including shale, mudstone and sandstone were predicted to be 23.64, 17.6 23 and 12.3 percent, respectively.Keywords: Swelling, Parvadeh Coal Mine, Sandstone, Shale, Mudstone
-
Due to the challenge of finding identical rock samples with varying grain sizes, investigating the impact of texture on rock material has been given less attention. However, macroscopic properties such as compressive strength, tensile strength, and modulus of elasticity can indicate microscopic properties like intergranular resistance properties influence rock fracture toughness. In this work, both the experimental and numerical methods are used to examine the effect of grain size on the mechanical properties of sandstone. Uniaxial compressive strength and indirect tensile tests are conducted on sandstone samples with varying grain sizes, and the particle flow code software is used to model the impact of grain dimensions on intergranular properties. Flat joint model is applied for numerical modeling in the particle flow code© software. The aim of this work is to validate the numerical model by peak strength failure and stress-strain curves to determine the effect of grain size on the mechanical behavior. The results show that increasing grain size significantly decrease compressive strength, tensile strength, and modulus of elasticity. The impact of the change in grain size is more significant on compressive strength than on the other two properties. The correlation coefficient for tensile strength and grain size is R2 = 0.57, while for modulus of elasticity and grain size, it is R2 = 0.79. The PFC software helps calibrate intergranular properties, and investigate the effect of changing grain size on these properties. Overall, this study offers valuable insights into the relationship between the grain size and the mechanical properties of sandstone, which can be useful in various engineering applications, especially in petroleum geo-mechanics.
Keywords: Grain size, Sandstone, PFC2D, DEM, Mechanical Properties -
اهمیت شکست سنگ را میتوان از این واقعیت دریافت که پیدایش و ادغام ریزشکستگی در توده سنگ منجر به شکستگی در مقیاس بزرگ میشود. سنگ ممکن است به دلیل افزایش تنش موضعی، شکستگیهای طبیعی، ایجاد ریزترک ناشی از هوازدگی شکسته شود. بنابراین، درک جامع مکانیسم شکست در مقیاس میکرو ماسه سنگهایی با درجه هوازدگی مختلف بر اساس مشاهده سطح میکرو و شبیه سازی مبتنی بر ساختار میکرو ضروری است. شکست در مقیاس میکرو ماسه سنگهایی با درجه هوازدگی مختلف در شرایط مرطوب و خشک مورد مطالعه قرار گرفت. هر نمونه برای شناخت ریز ساختار و ریزشکستگی با استفاده از آنالیز تصویر مورد مطالعه قرار گرفت. علاوه بر این، میکروگرافهای به دست آمده نیز برای ایجاد مدلهای مبتنی بر ریزساختار استفاده شدند که سپس در نرم افزار ANSYS شبیه سازی بکار رفت. یافته های بدست آمده نشان داد، ماسه سنگهایی با درجه هوازدگی متوسط نسبت به ماسه سنگها با درجه هوازدگی کمتر کاهش وزن کمتری را نشان میدهند. همچنین نتایج به دست آمده نشان میدهد که با تر و خشک کردن نمونه تاثیر کمی بر شکل و اندازه ذرات دارند. با این حال، تغییر در شکل و اندازه ذرات نشان دهنده ی برهمکنش غالب سنگ و ذرات آب است. شبیه سازی در مقیاس میکرو نشان میدهد که هر دو UCS و BTS از 37 مگاپاسکال به 19 مگاپاسکال و 9 مگاپاسکال به 4 مگاپاسکال با افزایش چگالی ریز ساختار کاهش مییابند. بر این اساس انحراف شکست اولیه از محور بارگذاری با افزایش چگالی در ریزساختارهای افزایش مییابد، اگرچه این اثر با افزایش بیشتر تراکم در ریزساختارها کاهش مییابد.
کلید واژگان: شکست در مقیاس میکرو، درجه هوازدگی، ماسه سنگ، تر و خشک، شکستگیهای ریزThe significance of rock failure can be found from the fact that microfracture genesis and coalescence in the rock mass results in macroscale fractures. Rock may fail due to an increase in the local stress, natural fractures, weathering inducing micro-crack genesis, coalescence, and propagation. Therefore, a comprehensive understanding of the micro-scale failure mechanism of various weathering grade sandstones based on micro-level observation and microstructure-based simulation is essential. The microscale failure response of various weathering grade sandstones is studied under the wet and dry cycles. Each sample is tested for the micro-structure and micro-fracture characteristics using the image analysis. Furthermore, the micrographs obtained are also used to create the microstructure-based models, which are then simulated in the ANSYS software. The findings indicate that the moderately weathered sandstones indicate less weight reduction than the slightly weathered sandstone. The results obtained also demonstrate that the wet and dry cycles have little effect on the particle shape and size. However, variation in the particle shape and size implies that this is a result of the prevailing interaction of rock and water particle. The microscale simulation reveal that both UCS and BTS decrease from 37 MPa to 19 MPa and 9 MPa to 4 MPa as the density of the micro-structure increases. The results reveal that the primary fracture deviation from the loading axis increases with increasing density in the micro-structural micro-structures, although this effect reduces with further increasing density in the micro-structures.
Keywords: Microscale failure, weathering grade, Sandstone, wet, dry, microfractures -
Strength measurement of rock requires testing that must be carried out on test specimens with particular sizes in order to fulfill testing standards or suggested methods. Often, the coring process breaks up the weaker core pieces, and they are too small to be used in either index tests or conventional strength tests such as point load index (Is) and Brazilian tensile strength (BTS). One of the index tests to indirectly determine the rock strength is the block punch index (BPI) test, which requires flat disc specimens without special treatment. This study aimed to evaluate the applicability of the BPI test for predicting the uniaxial compressive strength (UCS), BTS and IS of the sandstones by empirical equations. Also, we have compared the performance of the BPI and IS for predicting the UCS and BTS. It was experimentally shown that BPI is a reliable method for predicting the UCS, BTS and Is of the sandstones under study. Moreover, the results indicate that BPI could be utilized with same importance as Is for predicting the UCS, while predicting the BTS by Is appears to be more reliable than BPI.
Keywords: Block punch index, Brazilian tensile strength, point load index, Sandstone, Uniaxial compressive strength -
Indirect tensile testing is used in order to investigate the effect of particle morphology (shape and size) on the various weathering grade sandstone fracture characteristics. Several fracture characteristics are discussed in depth in this work including the fracture length (FL), fracture deviation area (FDA), fracture angle (FA), and fracture maximum deviation distance (FMDD). A tabletop microscope (TTM) is used to measure the particle morphology. The image analysis techniques induce the uncertainty-related particle shape and size. Therefore, the Monte Carlo simulation (MCS) is used in order to incorporate the inherent uncertainties-related particle morphology. The results obtained reveal that the sandstone fracture angle presents an unclear relationship with the particle shape and size. The effect of particle size on FL is completely obvious, and FL increases with the particle size. In contrast, the particle shape and size have an unclear relationship with the fracture characteristics. Furthermore, the sandstone porosity affects the fracture characteristics, which increase with the weathering grade. Moreover, the findings reveal that the Monte Carlo simulation is a viable tool for integrating the inherent uncertainties associated with the particle shape and size.
Keywords: Particle morphology, Sandstone, fracture characteristics, Monte Carlo Simulation, weathering grade -
The particles within the rock samples are present in extensive ranges of shapes and sizes, and their characterization and analysis exist with a considerable diversity. The prior research works have appraised the significance of the particle shape types and their effects on the geotechnical structures and deficiencies by evaluating the uncertainty-related rock particle shape descriptors (PSDs). In this work, the Monte Carlo simulation (MCS) is used in order to present a framework to integrate the inherent uncertainty associated with PSDs. A tabletop microscope is used to measure the primary particle shape distribution for the sandstone samples. An open-source processing tool, ImageJ, is used in order to analyze PSDs. The probabilistic distribution of PSDs is acquired using MCS according to the relative frequency histogram of the input parameters. Additionally, a probabilistic sensitivity analysis is performed in order to evaluate the importance of the input parameters in PSDs. The sensitivity analysis results demonstrate that the major axis and area are the most influential parameters involved. The simulation results obtained have revealed that the proposed framework is capable of integrating the inherent uncertainties related to the particle shape.
Keywords: Sandstone, Sensitivity Analysis, tabletop microscope, ImageJ -
در این پژوهش روابط بین مقاومت فشاری تک محوری با تخلخل و خصوصیات پتروگرافی شامل نوع سیمان و مقادیرکوارتز، فلدسپات و خرده سنگ بر روی ماسه سنگ های سازند های زون کپه داغ در شمال شرق ایران بررسی گردید. برای این منظور 22 نمونه از ماسه سنگ های سازندهای شوریجه و نیزار برداشت شد و مورد ارزیابی قرار گرفت. تعیین مقاومت فشاری علیرغم اهمیت آن در پروژه های مهندسی، آزمایشی زمان بر و پر هرینه می باشد. از این رو استفاده از روابط همبستگی بین مقاومت فشاری تک محوری ماسه سنگ ها با خصوصیات پتروگرافی آن می تواند کاربرد های بسیاری در پروژه های مختلف مهندسی در تخمین مقاومت فشاری با هزینه و زمان کم تر داشته باشد. برای این منظور در این تحقیق از ضریب همبستگی آماری پیرسن و رگرسیون های آماری تک متغیره و چندمتغیره استفاده شده است. نتایج بدست آمده نشان دهنده آن است که روش پتروگرافی معرفی شده در این تحقیق جهت محاسبه مقاومت فشاری تک محوری سنگ های مورد مطالعه روشی با برآورد خطای پایین جهت تعیین مقاومت ماسه سنگ ها می باشد. این نتایج نشان داد که برخلاف سنگ های دیگر، نقش نوع سیمان (سیلیسی یا آهکی) بر مقاومت این نوع سنگ ها بیشتر از نقش نوع کانی ها تشکیل دهنده و تخلخل تاثیر دارد. براساس نتایج تحقیق رابطه ای با ضریب هبستگی بالا (R2 = 0.93) برای پیش بینی مقاومت فشاری ماسه سنگ های مورد مطالعه بر اساس درصد و نوع سیمان پیشنهاد شده است.کلید واژگان: مقاومت فشاری تک محوری، ماسه سنگ، تخلخل، ویژگی های پتروگرافی، رگرسیون تک متغیره و رگرسیون چندمتغیرهThis study was evaluated relationships between uniaxial compressive strength with porosity and characteristics of petrography contains type of cement and quantities of quartz, feldspar and rock fragment on 22 samples of sandstone which collected from formation of Kope Dogh zone. Use of correlation relations among uniaxial compressive strength with petrographic properties can be used in the estimation of compressive strength at a lower cost and less time. For this purpose used Pearson correlation coefficient and univariate and multivariate statistical regression. The results show that the method of petrography introduced to calculate uniaxial compressive strength is a method with low error estimation to find the strength of sandstones studied. These results showed that in sandstones, unlike other rocks the role of the type of cement (silica or calcium) on the strength of these types of rocks is more than the role of the type of constituent minerals and porosity. According to the results a relationship with acceptable accuracy is proposed to predict the uniaxial compressive strength of sandstones based on the percentage and type of cement.Keywords: uniaxial compressive strength, sandstone, porosity, petrographic properties, single-regression, multiple regression
-
In the case of explosions and fires, the rocks undergo a cycle of heating and cooling. For that, first, they are exposed to considerable heat and then cooled after extinguishing the fire. Temperature variations and subsequent contraction and expansion affect the physical and mechanical properties of rocks. Through two series of tests, the effects of temperature and the number of heating-cooling cycles on the mode I, mode II and the effective mixed-mode I-II fracture toughness of Lushan sandstone were investigated. In the first series, the effect of temperature was studied in a heating–cooling cycle at ambient temperature (25°C) and 60, 150, 200, 300, 500, and 700°C. The highest and lowest mode I, mode II and the effective mixed-mode I-II fracture toughness were, observed at 150 and 700°C, respectively. In the second series of tests, the effect of the number of heating–cooling cycles was investigated on the mode I, mode II and the effective mixed-mode I-II fracture toughness of sandstone specimens at 150°C (for hydraulic fracturing modeling) and a crack inclination angle of 45°. According to the results, the mode I, mode II and the effective mixed-mode I-II fracture toughness increased in the first cycle and decreased with increasing the number of heating–cooling cycles. As the crack inclination increased, the effective mixed-mode I-II fracture toughness of the sandstone specimens increased. The mode II fracture toughness increased up to a crack inclination angle of 45° and then decreased. Moreover, the mode of fracture changes from opening mode (mode I) at the crack inclination angle of zero degree to mixed mode (tension-shear) at the crack inclination angle of less than 28.8°. The mode of fracture changes from tensile-shear to compression-shear at the crack inclination angle of greater than 28.8°.Keywords: Fracture toughness, Heating–cooling cycle, Mixed-mode, Sandstone, Crack inclination angle
-
سنگ ها مواد طبیعی شکننده می باشند که تحت تاثیر عوامل محیطی زیادی از قبیل دما، فشار محصور کننده، رطوبت و فرسایش قرار دارند. از این بین، تاثیر درجه حرارت بر روی شکست سنگ در بیشتر زمینه های علوم مهندسی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله این موارد می توان به تعیین مقاومت سازه های سنگی جهت انباشت ضایعات اتمی در مخازن زیرزمینی، فرآیند شکست هیدرولیکی جهت استخراج نفت و گاز از لایه های مختلف زمین و تحلیل پایداری معادن زیرزمینی اشاره کرد. در این مقاله به بررسی تاثیر درجه حرارت بر روی چقرمگی شکست مود I و مود II ماسهسنگ لوشان، پرداخته شده است. جهت این بررسی، از دیسک برزیلی با ترک چورون استفاده شده است. در این پژوهش، برای بررسی اثر درجه حرارت، نمونه ها تحت درجه حرارت 20 (دمای محیط)، 60، 100 و 150 درجه سانتیگراد قرار گرفته اند. نتایج نشان می دهد، با افزایش درجه حرارت تا 150 درجه سانتی گراد، چقرمگی شکست مود I و II ماسه سنگ افزایش یافت.کلید واژگان: درجه حرارت، ماسهسنگ، چقرمگی شکست، مود اول، مود دومRock is a brittle naturally that is sobjected to a variety of environment impacts , such as temperature , confining pressure, humidity and water erosion. Moreover, the effect of temperature on rock fracture in most engineering fields has been considered. These include the determination of the resistance of rock structures to accumulate atomic waste in underground reservoirs, the hydraulic fracture process for extraction of oil and gas from different layers of the earth and analysis of the structures of underground mines. In this paper, we investigate the effect of temperature on mode I and mode II fracture toughness of Lowshan sandstone. To investigate the effect of temperature on mode I and II fracture toughness, was used a Cracked Chevron Notched Brazilian Disc. In this study, the specimens were subjected to a temperature of 20, 60, 100 and 150℃. The results show that, with increasing temperature up to 150℃ , mode I and II fracture toughness of sandstone increases.Keywords: Temperature, Sandstone, Fracture toughness, Mode I, Mode II
-
در صنعت نفت برای افزایش شاخص تولید و بازیافت از چاه هایی که به علت برداشت طولانی مدت، بازده آن کاهش یافته است یا سنگ های اطراف چاه میزان نفوذپذیری کمی دارند از شکست هیدرولیکی استفاده می شود و چون عملیات شکست هیدرولیکی پرهزینه است، به دست آوردن فشار لازم برای شکست هیدرولیکی و تعیین پمپ مناسب برای این عملیات، برای مجریان پروژه اهمیت به سزایی دارد. در این تحقیق از نمونه های ماسه سنگ منطقه لوشان برای مطالعه استفاده شد و تاثیر تنش حرارتی روی فشار شکست هیدرولیکی ماسه سنگ مورد بررسی قرار گرفت. برای مدلسازی آزمایشگاهی شکست هیدرولیکی بر روی سلول سه محوری هوک تغییراتی داده شده استتا برای مدلسازی شکست هیدرولیکی مناسب سازی شود. نمونه های مورد مطالعه به شکل استوانه ای توخالی جدار ضخیم، دارای قطر خارجی 7/54، قطر داخلی 12 و ارتفاع 108 میلی مترند. برای بررسی اثر تنش حرارتی، آزمایش ها بر روی نمونه هایی که ابتدا تا دمای 100 درجه سانتی گراد در کوره گرم شده و سپس در آب 5، 10 و 15 درجه سانتی گراد سرد شده اند، انجام شده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که با کاهش دمای سرد کردن نمونه ها، فشار شکست هیدرولیکی کاهش می یابد.در عملیات شکست هیدرولیکی این کاهش فشار شکست باعث می شود که پمپی با ظرفیت تولید فشار کمتری خریداری شود و در نتیجه هزینه های عملیات کاهش یابد. تغییرات فشار شکست هیدرولیکی در اثر تنش حرارتی با تغییرات سرعت امواج طولی، وزن مخصوص خشک، مقاومت تراکم تک محوری و نفوذپذیری تطابق دارد. از تصاویر سی تی اسکن نیز برای بررسی تغییرات میکرو ترک ها استفاده شده است، مقدار سی تی از 1654 هانسفیلد به 1614 هانسفیلد کاهش پیدا کرد. مقدار سی تی محاسبه شده از این تصاویر نیز تغییرات فشار شکست هیدرولیکی را تایید می کند.کلید واژگان: ماسه سنگ، تنش حرارتی، شکست هیدرولیکیHydraulic fracturing is used in the oil industry in order to increase the index of production and processing in wells whose efficiencies have been dropped due to long-term harvest or the rocks around the well are low permeable. Since the hydraulic fracturing operation is costly, it is of special importance to determine the pressure required for hydraulic fracturing and the suitable pump for this operation to the project managers. In this research, sandstone specimens of Lushan area were used and investigated the effect of thermal stress on hydraulic fracturing pressure of sandstone. The Hoek triaxial cell was adapted for a laboratory modelling of hydraulic fracturing. The specimens under study are in the shape of thick-walled hollow cylinders with an external diameter of 54.7 mm, an internal diameter of 12 mm, and a height of 108 mm. To study the effect of thermal stress, the tests were conducted on the specimens that heated up to 100 °C in the furnace at heating process and then cooled in water 5, 10 and 15 °C. Results indicated that hydraulic fracturing pressure reduced with decreasing Cooling temperature of samples. In hydraulic fracturing operations, this decreasing fracture pressure causes the pump to be purchased at a lower pressure production capacity, resulting in lower operating costs. Hydraulic fracturing pressure changes in the effect of thermal stress were consistent with the variations of velocity of longitudinal waves, dry unit weight, uniaxial compressive strength and permeability. CT scan images were used to examine micro cracks changes in the effect of thermal stress and the CT value calculated by the images confirms hydraulic fracturing pressure variations.Keywords: Sandstone, thermal stress, Hydraulic fracturing
-
سنگ ها در شرایط متعددی در معرض تر و خشک شدن مداوم قرار می گیرند. تناوب چنین عملی باعث تشدید هوازدگی و کاهش مقادیر ویژگی های مکانیکی سنگ و در نتیجه وقوع مکرر بلایای زمین شناسی می شود. تاثیر سیکل های تر و خشک شدن متناوب روی تخریب سنگ ها از تاثیر آن در تر شدن بلند مدت بیشتر است که یک امر بحرانی در پایداری مهندسی توده سنگ به حساب می آید. در این تحقیق نمونه های ماسه سنگ سازند لالون منطقه لوشان برای مطالعه استفاده شد و تاثیر تعداد سیکل های تر و خشک شدن (0، 1، 4 و 16 سیکل) روی ویژگی های فیزیکی مانند تخلخل موثر، وزن مخصوص خشک و اشباع، سرعت امواج طولی و همچنین روی ویژگی های مکانیکی همچون مقاومت کششی، مقاومت فشاری تک محوری، ضریب ارتجاعی، مقاومت فشاری سه محوری، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی بررسی شد. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که با افزایش سیکل های تر و خشک شدن تخلخل موثر افزایش یافته ولی سرعت امواج طولی، وزن مخصوص خشک و اشباع، مقاومت کششی، مقاومت فشاری تک محوری و سه محوری، ضریب ارتجاعی، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی کاهش می یابند.کلید واژگان: ماسه سنگ، ویژگی های فیزیکی، ویژگی های مکانیکی، سیکل تر و خشک شدنIn many environments, rocks are usually exposed to continuous wetting and drying. The number wetting-drying cycles will exacerbate weathering and reduce the mechanical properties of the rock and due to that process, geological disasters occur. The effects of alternating wetting and drying cycles on rocks degradation have a greater impact than long-time soaking, which is a critical issue in the sustainability of rock mass engineering. In this research , sandstone specimens of Lalun Formation in Loshan area were used and the effect of wetting-drying cycles (0, 1, 4, 16 ) on physical properties including effective porosity, P-wave velocity, dry and saturated specific weight and mechanical properties including indirect tensile strength, uniaxial compressive strength, elasticity modulus, triaxial compressive strength, cohesion and internal friction angle was investigated. The results indicate that by increasing the wetting-drying cycles, Effective porosity increased but dry and saturated specific weight, P-wave velocity, tensile strength, uniaxial compressive strength, triaxial compressive strength, elasticity modulus, cohesion and internal friction angle decreased.Keywords: Sandstone, Physical properties, Mechanical properties, wetting-drying cycle
-
مجله محیط و معدن، سال دهم شماره 1 (Winter 2019)، صص 257 -270Effect of freeze-thaw cycle on strength and rock strength parameters (A Lushan sandstone case study)In an era of continued economic development around the globe, numerous rock-related projects including mining and gas/oil exploration are undertaken in regions with cold climates. Winters in the Iranian western and northwestern provinces are characterized by a high precipitation rate and a cold weather. Under such conditions, rocks are exposed to long freezing periods and several freeze-thaw (F-T) cycles. It is thus necessary to examine the impact of these cycles on the physical and mechanical properties of rocks. Considering the abundant sandstone resources in Iran, in this work, we focused on the Lushan sandstone by investigating the effects of F-T cycles and freezing temperatures on the uniaxial and triaxial compressive strengths, cohesion, internal friction angle, and elastic modulus of the rocks. To study the impact of the number of F-T cycles on the strength of rocks, the specimens frozen at -16 °C were subjected to 1, 4, 8, 16, and 32 F-T cycles. Similar tests were also carried out on the specimens frozen at -24 °C. Furthermore, a number of tests were undertaken at the ambient temperature (25 °C) on specimens that did not undergo an F-T cycle. According to the results obtained, an increase in the number of F-T cycles and freezing temperatures reduced the uniaxial and triaxial compressive strengths, cohesion, internal friction angle, and elastic modulus due to the growth of the existing cracks and the nucleation of new cracks in the rock. Consequently, the effective porosity increased, whereas the dry specific gravity decreased with more F-T cycles and lower freezing temperatures.Keywords: Freeze-Thaw Cycle, Sandstone, Strength Parameters, Triaxial Compressive Strength
-
فرایند یخبندان-ذوب از جمله این عوامل است که به صورت گسترده خواص سنگ ها و بتن را تحت تاثیر قرار می دهد. بنابراین در مناطقی که احتمال رخ دادن این فرایند است ضروری می باشد تاثیر این فرایند بر روی ویژگی های فیزیکی و مکانیکی مصالح در نظر گرفته شود. در بیشتر پژوهش های انجام شده دمای دوره ی یخبندان و دوره ی ذوب و مدت زمان آن بدون توجه به وضعیت آب و هوایی مناطقی که احتمال رخ دادن فرایند یخبندان-ذوب است انتخاب شده است و همچنین در مورد مصالح بر پایه سیمان تمرکز پژوهش ها بر روی بتن بوده و پژوهش های اندکی در رابطه با تاثیر یخبندان-ذوب روی ملات سیمان انجام شده است. در این پژوهش تاثیر تعداد سیکل های یخبندان-ذوب روی تخلخل، مقاومت تراکمی تک محوره و مقاومت کششی برزیلی نمونه ماسه سنگ و ملات سیمان با توجه به داده های هواشناسی مناطق غرب و شمالغرب ایران که احتمال رخ دادن فرایند یخبندان- ذوب در این مناطق می باشد بررسی شده است.همچنین برای بررسی تخریب در اثر یخبندان-ذوب عکس برداری سی تی اسکن از نمونه ماسه سنگ به عمل آمده است نتایج نشان داده است با افزایش تعداد سیکل های یخبندا-ذوب مقدار درصد تخلخل نمونه ها به صورت خطی افزایش در حالی که مقاومت تک محوره و مقاومت کششی آن ها کاهش پیدا کرده است همچنین بررسی عکس های سی تی اسکن نشان می دهد فاکتور آسیب در نمونه ماسه سنگ با افزایش سیکل افزایش پیدا کرده است.کلید واژگان: خواص فیزیکی و مکانیکی، سیکل یخبندان- ذوب، ماسه سنگ، ملات سیمانFreeze-thaw process is one of these factors which extensively affects rocks and concrete properties. Thus, taking its impact on physical and mechanical properties of materials into account is required in the regions susceptible to the process. In most of the previous studies, the freezing and thawing periods' temperatures and their duration were chosen regardless of the weather conditions of the regions susceptible to the freeze-thaw process and regarding cement-based materials, the investigations were focused on concrete and there are a few studies on freeze-thaw effect on cement mortar. This study addressed the effect of number of freeze-thaw cycles on porosity, uniaxial compressive strength and Brazilian tensile strength of sandstone and cement mortar specimens considering the climatic data of western and northwestern regions of Iran in which the occurrence of freeze-thaw process is possible. Furthermore, the computerized scan (CT) was carried out on the sandstone specimen to examine the damage resulting from freeze-thaw. The results indicated that the increase in the number of freeze-thaw cycles caused in linear increase in the porosity of the specimens, while reducing their uniaxial and tensile strength. The study of the CT images also showed that the damage factor was increased by increasing the number of cycles.Keywords: physical, mechanical properties, Freeze-thaw cycle, Sandstone, cement mortar
-
در بسیاری از محیط ها، سنگ ها معمولا در معرض شرایط یخبندان – ذوب و یا گرمایش- سرمایش قرار می گیرند، بنابراین ضروری است که تاثیر این فرایندها بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ از جمله نفوذپذیری بررسی شود. در این تحقیق از نمونه های ماسه سنگ سازند منطقه لوشان برای مطالعه استفاده شد و تاثیر تعداد سیکل های انجماد- ذوب و دما در فرآیند گرمایش- سرمایش روی نفوذپذیری ماسه سنگ مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی اثر تعداد سیکل ها آزمایش ها روی نمونه هایی که 1، 5، 10 و 20 سیکل انجماد- ذوب را تحمل کرده اند انجام شد. برای بررسی اثر گرمایش – سرمایش آزمایش ها بر روی نمونه هایی که یک سیکل گرمایش- سرمایش را تحمل کرده اند و در مرحله گرمایش دمای 60، 100، 200 ، 400، 600، 800 و 1000 درجه سانتیگراد را تحمل کرده اند و در محیط سرد شده اند انجام شده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که با افزایش تعداد سیکل های انجماد- ذوب میزان نفوذپذیری بعد از یک سیکل کاهش پیدا کرد و این کاهش تا 5 سیکل ادامه می یابد، هر چند کاهش نفوذپذیری از 1 سیکل تا 5 سیکل بسیار ناچیز است. در 10 سیکل نفوذپذیری اندکی افزایش می یابد و در 20 سیکل این افزایش چشمگیر است. همچنین با افزایش دما در مرحله گرمایش در فرآیند گرمایش – سرمایش نفوذپذیری ماسه سنگ تا 100 درجه سانتیگراد کاهش و سپس افزایش می یابد. تغییرات نفوذپذیری در فرآیند گرمایش – سرمایش با تغییرات سرعت امواج طولی، وزن مخصوص خشک و تخلخل موثر تطابق دارد. مقدار سی تی محاسبه شده از تصاویر سی تی اسکن نیز تغییرات نفوذپذیری را تایید می کند.کلید واژگان: ماسه سنگ، نفوذپذیری، فرآیند انجماد -ذوب، فرآیند گرمایش - سرمایش، سنگRocks are usually exposed to freeze-thaw and/or heating-cooling conditions in many environments. In this research, sandstone specimens of Lushan area were used and investigated the impact of number of freeze-thaw cycles and the effect of temperature in the heating-cooling process on sandstone permeability. The freezing temperature of -16°C was considered to study the effect of number of cycles. In this state, the tests were carried out on the specimens withstood 1, 5, 10, and 20 freeze-thaw cycles. To study the effect of heating-cooling, the tests were conducted on the specimens that withstood one heating-cooling cycle. The specimens withstood temperatures of 60, 100, 200, 400, 600, 800, and 1000 °C at the heating process and then cooled in the laboratory environment. Results indicated that permeability rate reduced after one cycle of freeze-thaw cycles the reduction continued to 5 cycles. Permeability increased slightly in 10 cycles and the increase was significant in 20 cycles. Sandstone permeability reduced up to 100 °C and then increased with the temperature increasing at the heating-cooling process. Permeability changes in the heating-cooling process were consistent with the variations of velocity of longitudinal waves, dry unit weight, and effective porosity.Keywords: Sandstone, Permeability, Freeze-thaw process, Heating-cooling process, Rock
-
The fracture mechanics examines the development and expansion of cracks in solids and how they affect the deformation of materials. The stress intensity factors at the tip of the crack and the critical stress intensity factors or fracture toughness of materials are considered in the relevant criteria. There are three main modes of applying forces to a crack including the tensile mode, shear mode, and mixed mode. Mode II fracture toughness, which is also called the shear mode, is an important parameter for investigating the rock behaviors. This parameter is used in many different areas such as mining and tunneling. Several methods have been proposed for determining the mode II fracture toughness. In this work, the Punch-True-Shear (PTS) test, standardized by the International Society for Rock Mechanics, was used to determine the fracture toughness while the confining pressure is present. The studied sample was the Lushan sandstone. In this work, notchd cylindrical specimens were prepared for PTS testing. In order to investigate the effect of confining pressure, some tests were conducted in the presence of the confining pressures of 0, 3, 5, 7, and 10 MPa, and to check the effect of temperature, some tests were conducted under 1, 5, and 10 heating and cooling cycles at 60, 100, and 150 ˚C as well as at the ambient temperature (25 °C). The confining pressure of 3 MPa was used in all the tests to examine the effect of temperature. The analyses results showed that with increase in the confining pressure, the mode II fracture toughness and the fracture energy would increase as well. By increasing the number of heating-cooling cycles, the mode II fracture toughness as well as the fracture energy would decrease leading to a reduced fracture toughness and energy for all the three modes of heating specimens up to 60, 100, and 150 ˚C. The effect of the number of heating-cooling cycles on reducing the fracture toughness and fracture energy was greater than the effect of temperature.Keywords: Fracture toughness, Mode II, Confining pressure, Temperature, Sandstone
-
به طور کلی، ناهمسانی یکی از فاکتورهای تاثیرگذار بر روی رفتار سنگ ها است. خواص مهندسی چنین سنگ هایی با تغییر جهت ناهمسانی، دچار تغییر می شود. ناهمسانگردی سنگ عمدتا ناشی از حضور فولیاسیون، کلیواژ، شیستوزیته، درزه ها، ترک های میکروسکوپی یا ماکروسکوپی و همچنین سطوح لایه بندی است (Al-Harti، 1998). در طبیعت، سنگ های رسوبی و دگرگونی نسبت به سنگ های آذرین از ناهمسانگردی بیشتری برخوردار هستند(Ramamurthy، 1993). اثر جهت یابی لایه ها بر روی مقاومت کششی برزیلی سنگ ها در آزمایش برزیلی توسط افراد مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است که از جمله می توان به مطالعات صورت گرفته توسط هابس(Hobbs، 1964) بر روی سیلتستون، مادستون و ماسه سنگ، مک لامور و گری (McLamore and Gray، 1967) بر روی شیل، بارلا(Barla، 1974) بر روی گنیس و شیست، تولالی و ورورت (Tavalali and Vervoort، 2010) بر روی ماسه سنگ، چن و همکاران (Chen et al.، 1998) بر روی ماسه سنگ و دبکر و ورورت (Debecker and Vervoort، 2009) بر روی اسلیت اشاره کرد. با این وجود، رفتار انیزوتروپی سنگ های ناهمسانگرد بخصوص ماسه-سنگ ها در آزمایش بار نقطه ای کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است. بنابراین در این مطالعه سعی شده است که الگوهای گسیختگی ماسه سنگ-های لامینه دار سازند قرمز بالایی در جنوب غرب استان قم، در آزمایش برزیلی و بار نقطه ای مورد بررسی قرار گیرد.کلید واژگان: ماسه سنگ های لامینه دار، آزمایش برزیلی، شاخص بار نقطه ای، لامیناسیون، سازند قرمز بالاییThis paper deals with the effect of lamination on the failure strength and fracture pattern of Upper Red Formation sandstones in southwest of Qom, Iran using Brazilian and point load tests. For this purpose, six blocks were taken from a part of this formation and have been drilled at different directions of lamination planes such as 0°, 30°, 45°, 60° and 90°.Although, the selected sandstones are seems similar but, the carried out test results and their failure patternsare different. The tensile strength, point load index and failure patterns in different inclination angles were determined for this group of sandstones. Also, the transitional angle of failurehas been determined for Brazilian and point load tests. The test results clearly indicated that failure strength and fractures pattern of laminated sandstones is a function of lamination inclination angle. Also, the results show there is a good correlation between strength and failure pattern of this group of sandstones under Brazilian and point load test conditions.Keywords: Sandstone, Brazilian test, Point load index, Lamination, Failure mode, Upper red formations
-
سنگ هایی که در معرض فرایندهای هوازدگی از قبیل ذوب - انجماد و تبلور نمک قرار می گیرند یکپارچگی خود را از دست داده و در طی زمان معینی تخریب می شوند. با افزایش تعداد و شدت چرخه های هوازدگی میزان این تخریب نیز بیشتر خواهد شد، هر چند که سرعت تخریب برای انواع مختلف سنگ ها متفاوت است. در این مطالعه دوام پذیری ماسه سنگ های سازند قرمز بالایی (منطقه آوج، جنوب غرب استان قزوین) در مقابل عملکرد چرخه های ذوب - انجماد و تبلور نمک، با استفاده از مدل تابع تخریب مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای این منظور تعداد 9 نمونه ماسه سنگ (مشخص شده با حروف A، B، C، CG، S، S1، Tr، Min و Sh) از بخش های مختلف سازند قرمز بالایی (در محدوده آوج – آبگرم) جمع آوری شده و پس از تعیین خصوصیات فیزیکی، مکانیکی و کانی شناسی، در معرض آزمایش های ذوب - انجماد و تبلور نمک قرار داده شدند. مدل تابع تخریب این امکان را به ما می دهد که بتوانیم پارامترهای معنی داری از قبیل ثابت تخریب و نیمه عمر را برای انواع مختلف سنگ ها محاسبه کرده و درباره تخریب آنها اظهار نظر کنیم. نتایج به دست آمده از این مدل نشان می دهند که پارامترهای نیمه عمر و ثابت تخریب می توانند در کارهای مهندسی و با صرف کمترین هزینه و زمان، جهت تعیین دوام سنگ ها به کار روند. همچنین این مدل نشان می دهد که سرعت تخریب انواع مختلف ماسه سنگ ها متفاوت می باشند.
کلید واژگان: ماسه سنگ، سازند قرمز بالایی، مدل تابع تخریب، ثابت تخریب، نیمه عمرRocks subjected to cyclic weathering processes such as freeze – thaw and salt crystallization may lose their integrity and be deteriorated during time. By increasing in cycle numbers and their intensity, the rate of deterioration will be increased; however, this rate is not the same for different rocks. In this study long term durability of upper red formation sandstones against freeze – thaw and salt crystallization were evaluated using decay function model. By using this model it is possible to obtain some meaningful parameters and determine deterioration characteristics of rocks. For this purpose, 9 specimens of sandstones (specified by A, B, C, CG, S, S1, Tr, Min and Sh) were collected from different parts of the studied area, then their physical and mechanical characteristics including unit weight, effective porosity, water absorption, P-wave velocity, Brazilian tensile strength and point load strength were determined. In order to assess the effect of freeze – thaw and salt crystallization on physical and mechanical characteristics of sandstones, 60 cycles of freeze-thaw test and 20 cycles of salt crystallization test were performed. Then their effects on tensile strength and point load strength were recorded in different cycles. Also, decay constant and half – life of these parameters were calculated. In addition, slake durability index test was performed in three different cases such as standard (wet state), freeze – thaw (performing test on samples subjected to freeze – thaw action) and salt crystallization (performing test on samples subjected to salt crystallization action). Obtained slake durability index from different cases were used to estimate decay constant and half-life parameters. Bye using these parameters (tensile strength, point load strength and slake durability index test) and applying decay function model, long term durability of sandstones against freeze – thaw and salt crystallization were evaluated. Results show that decay constant and half – life can be used in engineering practice for determining long term durability without consuming more cost and time. Also this model indicates that the disintegration rate of sandstones is different and the half-lives obtained from three parameters are different for each sandstone.Keywords: Sandstone, Upper Red formation, Decay function model, Decay constant, Half, life -
به کارگیری آزمایش انتشار اکوستیک و اثر کایزر (Kaiser Effect)برای تخمین تنش برجا توده سنگ به میزان زیادی افزایش یافته است. در این مقاله یک روش خودکار، مبتنی بر روش های شناسایی الگو(Pattern Recognition)، برای تعیین دقیق اثر کایزر با ترکیب نتایج روش های مختلف متداول و تصمیم گیری برای تعیین مقدار دقیق تر تنش اثر کایزر ارائه شده است. در این روش از داده های سیگنال های به دست آمده از آزمایش های انجام شده بر روی نمونه های ماسه سنگ پیش بارگذاری شده استفاده شده است. با این روش جدید پیشنهادی، تنش حداکثر قبلی در سنگ ها را می توان بطور مستقیم و بدون تحلیل بر روی سیگنال های جبهه موج تعیین کرد. نتایج تحقیق نشان می دهند که روش های شناسایی الگو می توانند برای تصمیم گیری و تعیین نقطه اثر کایزر استفاده شوند و روش توسعه یافته دقت قابل قبول و مطلوبی برای تشخیص و تعیین نقطه اثر دارد.
کلید واژگان: انتشار اکوستیک (آوایی)، اثر کایزر، شناسایی الگو، ماسه سنگ، تنش برجاNowadays, acoustic emission tests based on the Kaiser Effect are increasingly used for estimating in-situ stress in laboratories. The present article proposes an automatic method based on pattern recognition methods, which accurately determines Kaiser Effect by combining the results of different common methods. The proposed method uses the signals obtained from uniaxial pressure tests on samples of pre-loaded sandstone samples sandstone. In the proposed new method, previous maximum stress in samples can be determined directly without analysis of waveform signals. Our results show that pattern recognition methods can be used for determining the point of Kaiser Effect. The developed method has a desirable level of precision for determining the Kaiser Effect point.Keywords: Acoustic emission, Kaiser Effect, pattern recognition, sandstone, in, situ stress -
تعیین مقاومت تراکمی تک محوره ی نمونه های سنگی در آزمایشگاه به عنوان یکی از پارامترهای بسیار مهم در مهندسی سنگ همواره با مشکلات زیادی همراه می باشد. یکی از مهم ترین مشکلات در این زمینه، پراکندگی نتایج آزمایش های تراکمی تک محوره و نبود معیار خاصی برای انتخاب داده های معرف مقاومت ماده ی سنگ می باشد. بررسی شکل و نحوه ی شکست نمونه ها در آزمایش تک محوره موید تاثیر به سزای ریزشکستگی ها و ناپیوستگی های میکروسکوپی در شکل شکست و نتایج آزمایش می باشد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که حداکثر نسبت مقاومت تراکمی تک محوره به مقاومت کششی و در نتیجه حداکثر مقدار مقاومت تراکمی تک محوره در شکست نوع کششی ساده بوقوع می پیوندد که این موضوع معرف عدم تاثیر یا تاثیر بسیارکم ریزشکستگی ها در شکست نمونه در این حالت، برخلاف سایر اشکال گسیختگی می باشد. در حد نهایی دیگر حداقل نسبت مقاومت تراکمی تک محوره به مقاومت کششی و نیز مقاومت تراکمی تک محوره متعلق به نمونه هایی است که دارای شکست نوع برشی ساده بوده و در این حالت شکستگی نمونه به طور کامل متاثر از ریزشکستگی ها می باشد. بنابراین با توجه به نسبت مقاومت تراکمی تک محوره به مقاومت کششی و هم چنین شکل شکست نمونه ها به راحتی می توان داده های واقعی معرف مقاومت تراکمی تک محوره ی ماده ی سنگ را انتخاب نمود. در این تحقیق معیار مناسبی جهت انتخاب داده های درست آزمایش تراکمی تک محوره ارائه گردیده است.کلید واژگان: مقاومت تراکمی تک محوره، ماسه سنگ، شکل شکست، ریزشکستگی، سازند شمشکDetermining the UCS of rock samples as one of the most important parameters of rock engineering is so difficult because of occurrence of so many problems. One of the most important problems in this regard is the scattering of the results of USC tests and lack of specific criteria for choosing the data which represents the strength of intact rock. Investigating the form and the mechanism of samples failure through the USC tests shows the significant impact of micro-fractures and microscopic discontinuities on the failure mode and also on test results. According to the research results, that the maximum ratio of UCS to tensile strength and consequently maximum rate of USC occurs in the simple extension failure which indicates no impact or so weak impact of micro-fractures on the sample failure of this type unlike other types. In case of other extreme, the minimum USC ratio to tensile strength and the USC belongs to the samples with simple shearing failure and in this case the failures is totally impacted by micro-fractures. So regarding the ratio of USC to tensile strength and also considering the samples fracture mode, the real data representing the USC of intact rock could be chosen. The suitable criteria for choosing the correct data of the UCS tests is submitted in this research.Keywords: uniaxial compressive strength, Sandstone, Mode of Failure, Micro Cracks, Shemshak Formation
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.