مطالعه رفتار هیدرومکانیکی ناپیوستگیهای سنگی

جریان سیال در توده سنگ ناپیوسته یکی از مباحث مهم در مهندسی معدن، عمران، محیط زیست و انرژی می باشد. شبکه ناپیوستگی مسیرهای اصلی جریان را تشکیل داده و نفوذپدیری توده سنگ توسط نفوذپذیری ناپیوستگیها کنترل می شود. مطالعه آزمایشگاهی درزه های تکی اساس درک رفتار هیدرولیکی و مکانیکی توده سنگ می باشد. جریان سیال در یک درزه توسط بازشدگی وابسته به تنش درزه(تابعی از تنش خارجی، امتداد بارگذاری نسبت به امتداد درزه، فشار سیال، خصوصیات هندسی درزه و همچنین مواد پرکننده)، مسیرهای جریان(پیچ و خم) در درزه، اتساع و ایجاد گوژ در اثر برش، زبری، سطح تماس، سختی درزه، امتداد ناپیوستگی و رفتار بارگذاری-باربرداری درزه کنترل می شود. تنش اعمالی بر ناپیوستگی را می توان به دو مولفه نرمال و برشی تجزیه نمود. در مجموع، اثرات این دو مولفه بشدت بهم وابسته بوده و تغییرشکل حاصل از نیروی برشی به بزرگی نیروی نرمال وابسته است. با افزایش تنش نرمال بازشدگی درزه کاهش یافته و مساحت نسبی سطح تماس درزه افزایش می یابد. با افزایش جابجایی برشی، درزه اتساع نموده و گذردهی هیدرولیکی افزایش می یابد. در طی برش درزه، دندانه ها دچار آسیب شده و مسیرهای جریان تغییر می یابند. در این شرایط مقادیر گذردهی حاصل از قانون مکعبی دارای بیش تخمینی خواهند بود. لذا نیاز است به منظور استفاه از قانون مکعبی در محاسبه نفوذپذیری درزه، بازشدگی اصلاح شده و بازشدگی معادل(هیدرولیکی) تعیین شود. در این رساله تلاش شده است رفتار هیدرومکانیکی درزه در طی جابجایی برشی بررسی شده و اثر توسعه آسیب بر رابطه بازشدگیهای مکانیکی و هیدرولیکی مطالعه شود. با توجه به پیچیدگی فرآیند توسعه آسیب و اثر آن بر رفتار هیدرومکانیکی درزه، پیش از مطالعه رفتار هیدرولیکی درزه در طی جابجایی برشی، تلاش شد با درنظر گرفتن پارامترهای هندسی سطح درزه، میزان جابجایی برشی، تنش نرمال و مشخصات مقاومتی درزه، فرآیند آسیب در آزمایشهای برش مکانیکی بررسی و کمّی سازی شده و سپس ارتباط بازشدگیهای هیدرولیکی و مکانیکی با استفاده از پارامتر آسیب تعیین شود. به منظور بررسی اثر آسیب بر رفتار هیدرومکانیکی درزه ها، مطالعه آزمایشگاهی برروی رفتار مکانیکی و هیدرومکانیکی درزه های کششی انجام شد. بدین منظور 150 آزمایش برش مستقیم مکانیکی تحت شرایط بار نرمال ثابت و در جابجاییهای برشی و نیروهای نرمال مختلف انجام شده و براساس آن رابطه ای جهت پیش بینی رشد آسیب برحسب پارامترهای هندسی و مکانیکی درزه ارائه شد. در بخش بعد با انجام 9 آزمایش هیدرولیکی تحت نیروهای نرمال مختلف و محاسبه بازشدگی هیدرولیکی معادل و بازشدگی مکانیکی تلاش شد، رابطه بین این دو پارامتر برحسب مشخصات هندسی سطح درزه و پارامتر آسیب تعیین شود. علاوه بر بررسیهای فوق براساس نتایج بدست آمده در بخش آزمایشهای مکانیکی، معیاری جهت محاسبه مقاومت برشی درزه ارائه شد. براساس مطالعات انجام شده مشخص شد که مقاومت برشی درزه به هندسه درزه وابسته بوده و در ارائه معیار مقاومت برشی علاوه بر پارامترهای زاویه ای، پارامترهای ارتفاعی نیز باید لحاظ شود. در طی جابجایی برشی، گذردهی افزایش یافته و تغییرات گذردهی با زبری درزه در ارتباط می باشد. در طی آزمایش برش-جریان و با افزایش بازشدگی مکانیکی، نسبت بازشدگی هیدرولیکی به بازشدگی مکانیکی(eh/em) به دلیل آسیب دندانه های درزه و تولید مواد گوژی و در نتیجه مسدود شدن مسیرهای جریان و افزایش پیچ و خم مسیر جریان کاهش یافته و در مقادیر بالای بازشدگی مکانیکی، نسبت eh/em به سمت عدد ثابتی که به هندسه درزه وابسته می باشد میل می کند. براساس تحقیق انجام شده مشخص شد که در ناحیه پس از مقاومت برشی حداکثر، استفاده از پارامتر بازشدگی متوسط جهت محاسبه نفوذپذیری درزه مناسب نبوده و نیاز است از پارامترهای دیگری استفاده شود. بدین منظور پارامتر آسیب درزه در محاسبه بازشدگی اعمال شده و بازشدگی معادل برحسب حاصلضرب بازشدگی متوسط مکانیکی و پارامتر آسیب(پارامتر آسیب توسط تنش نرمال اعمالی بر درزه و جابجایی برشی اوج نرمالسازی شده است) بیان شده و معیاری جهت تعیین بازشدگی معادل(بازشدگی هیدرولیکی) ارائه شد. معیار ارائه شده به طور مناسبی توانایی پیش بینی بازشدگی هیدرولیکی را در نمونه های مختلف و جابجاییهای برشی مختلف دارا می باشد.