بررسی اثر عوامل دستگاهی و مشخصات هندسی نمونه بر سرعت موج فشاری در نمونه‌های سنگی تراورتن

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه شاهرود

چکیده

برآورد شاخص‌های مکانیکی و فیزیکی سنگ‌ها برای طراحی و تحلیل سازه‌های سنگی مانند شیب‌های سنگی، تونل‌ها، سدها، ترانشه‌های عمیق و مغارها بسیار حائز اهمیت است. روش مستقیمی که با آن بتوان شاخص‌های سنگ را بدون اجرای مراحل پُرزحمت، پُرهزینه و وقت‌گیر آزمایشگاهی یا برجا تعیین کرد، وجود ندارد. بنابراین به یک روش آسان، با اطمینان قابل‌قبولو غیرمستقیم برای تعیین ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی سنگ‌ها نیاز است. در بین این روش‌ها از روش فراصوتی به منزلة یک راهکار کم‌هزینه، آسان، سریع و با دقتی قابل‌قبول برای تعیین ویژگی‌های سنگ می‌توان بهره جست. در روش فراصوتی با تعیین سرعت موج در نمونه، این امکان وجود دارد که بتوان سایر پارامتر‌های شاخص سنگ و همچنین کیفیت سنگ را تعیین کرد. اندازه‌گیری سرعت موج فشاری را هم در محیط بزرگ‌مقیاس برجا و هم در محیط آزمایشگاهی می‌توان عملی ساخت. سرعت امواج فشاری در سنگ‌ها با ویژگی‌های سنگ بکر ارتباط نزدیکی دارد و با اندازه‌گیری سرعت موج فشاریدر محیط سنگی می‌توان ساختار و بافت سنگ را ارزیابی کرد.نگارنده رابطjalalisme@shahroodut.ac.irCorresponding author:     روش‌ سرعت تپ (پالس) یا فراصوتی زمان عبور موج فرا‌صوتی را درون جسم اندازه‌گیری می‌کند.در روش فراصوتی از بعضی مبدل‌های الکترومکانیکی برای ارسال و دریافت امواج کشسان استفاده می‌شود. سرعت موج با تقسیم طول نمونه بر زمان عبور موج اندازه‌گیری شده در نمونه که بین مبدل‌های فرستنده و گیرنده قرار گرفته است، به‌دست می‌آید. در این تحقیق به اجرای مجموعه‌ای آزمایش فراصوتی روی هجده نمونة متفاوت از سنگ تراورتن اقدام شده است. این آزمایش‌ها روی پارامترهای نسبت طول به قطر نمونه، بسامد و دامنة موج و تکرار تپ در واحد زمان و تأثیر آنها بر سرعت موج فشاری متمرکز شده است. در این تحقیق از دستگاه فراصوتی استفاده شده است که دارای قابلیت ارسال و دریافت امواج فراصوتی فشاری با استفاده از دو نوع مبدل 75 و 125 کیلوهرتزی است. توانایی تغییر در بسامد موج فشاری ارسال شده، تغییر در دامنة موج و تعداد تپ در واحد زمان از دیگر امکانات این دستگاه به شمار می‌رود.روند اجرای آزمایش‌ها به این صورت است که در هر مرحله، فقط یک پارامتر تغییر می‌کند و بقیة پارامتر‌ها ثابت در نظر گرفته می‌شوند تا ارزیابی اثر پارامتر مورد بررسی ممکن شود.برای هریک از مبدل‌ها، نسبت طول به قطر نمونه‌ها در شش سطح از 5/0 تا 3، بسامد موج ارسالی در بازة 50 تا 210 هرتز، دامنة موج ارسالی از 1/0 تا 4 ولت و تکرار تپ موج در بازة 5/0 تا 16 هرتز تغییر داده و نتایج ثبت شد. شایان ذکر است که نتایج هر آزمایش حاصل میانگین‌گیری عددی از سه بار اجرای آزمایش در هر مرحله است که هدف از این کار، کمینه‌کردن اثر خطاهای گوناگون در حین اجرای آزمایش‌ها است. برای تحلیل نتایج از یک کُد نرم افزاری توسعه داده شده در محیط نرم‌افزار مَت‌لَب استفاده شد که امکان تعیین سرعت عبور موج در نمونه با استفاده از ترسیم پوش موج را فراهم می‌آورد. به‌طورکلی روشن شده است که با افزایش نسبت طول به قطرنمونه‌ها، افزایش دامنة موج و کاهش بسامد، سرعت موج فشاری، به‌ترتیب در بازة تقریبی 3400 تا 4300 متر بر ثانیه برای مبدل 75 کیلوهرتزی و 2200 تا 3800 متر بر ثانیه برای مبدل 125 کیلوهرتزی افزایش می‌یابد؛ درحالی‌که با تغییرات تکرار تپ در واحد زمان در یک مقدار مشخص از این پارامتر، سرعت موج فشاری حداکثر می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of the device parameters and geometric characteristics of the sample on the pressure wave velocity in travertine rock samples

نویسندگان [English]

  • Soheyl Mohajerani
  • Seyed Mohamad Esmaeil Jalali
چکیده [English]

The importance of estimation of mechanical and physical characteristics of rocks is not negligible for designing and analyzing rock structures such as rock slopes, deep trenches, and caverns. Also, these characteristics are necessary for studying rock bursts in underground mines, designing pillars and evaluation of rock failures. There are not any direct methods by which rock characteristics can be determined without a laborious, costly and time-consuming process. Therefore, a simple but reliable method is needed to determine the mechanical and physical properties of rocks in an indirect way. Non-destructive methods of measurement of physical and mechanical characteristics of rocks are considered as indirect methods. Among these, ultrasonic methods, as a low cost, simple and quick approach, are employed to determine the characteristics of rocks. In the ultrasonic method, it is possible to determine other indicator parameters and the quality of a rock using the measurement of wave velocity in the rock. The measurement of the P-wave velocity can be carried out in both field and laboratory environments. The P-wave velocity of rock is closely related to the intact rock properties and measuring the velocity in rock media interrogates the rock structure and texture. Pulse velocity measures the passing time of an ultrasonic pulse within a material, and hence it measures the pulse velocity of the mediumIn the ultrasonic method, some of the electro-mechanical transducers are used for transmitting and receiving elastic waves. The velocity of wave is obtained by dividing sample length to wave transmit time which is measured for the sample that has placed between transmitter and receiver transducers. In this research, in order to find the influence of these parameters on the pressure wave velocity, it was attempted to fulfill a series of laboratory experiments on eighteen samples of travertine rocks by using an ultrasonic device which was able to transmit and receive pressure wave. These experiments were focused on four parameters, i.e. the sample length to diameter ratio, frequency and amplitude of the wave, and pulse repetitions per unit time. An ultrasonic device used in this research had the ability to transmit and receive ultrasonic pressure waves by using two types of transducers 75 and 125 KHz. Other features of this device can be cited as the ability to change the frequency, amplitude and repetition of pulse per unit time of the transmitted pressure wave. Ateach stage of the testing process, only one parameter was changed, and the rest of the parameters were considered constant to make the assessment of the impact of evaluated parameter possible.For each transducer, the sample length to diameter ratio was changed at six levels from 0.5 to 3, the submitted wave frequency from 50 to 210 Hz, the amplitude from 0.1 to 4 volts and the wave pulse repetition from 0.5 to 16 Hz. The results were recorded.It is worth mentioning that the results of each test were the outcome of averaging three tests at each level. The purpose of averaging was to minimize the effect of different errors during the tests.To analyze the results, a software developed code was used to obtain the possibility of determination of the wave velocity in the samples by plotting the wave envelopeIn general, it was shown that by increasing the length to diameter ratio and amplitude and decreasing the frequency, the pressure wave velocity decreases. However, with changes of repetitions per unit time, the pressure wave velocity was maximized at a certain value of this parameter.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-destructive tests
  • Pressure Wave
  • ultrasonic method
  • mechanical parameters
  • travertine rock samples
حسینی، م.، فولادچی، س.، گنجی، م.، 1386، چگونگی تاثیر ابعاد نمونه بر ویژگی های الاستیک دینامیک سنگ: نشریه دانشکده فنی دانشگاه تهران، 41(3)، 333-342.
فولادچی، س.، حسینی، م.، گنجی، م.، 1385، بررسی آزمایشگاهی تاثیر هندسه نمونه بر ویژگی های الاستیک دینامیک و استاتیک سنگ آهک نکاء: نشریه علمی – پژوهشی مهندسی معدن، دوره اول، شماره 1، 1-10.
Al Jarrah, F., 2009, Methods of Fitting Compressional and Shear Wave Velocities Versus Saturation Curves and the Interpretation of Laboratory Velocity Measurements in Partially Saturated Rocks: M.Sc. Thesis, University of Houston.
ASTM, 2000, ASTM Annual Book of ASTM Standards: Vol 04.08, USA.
Bahremandi, M., Mirshahanim M., Saemi, M., 2012, Using of compressional-wave and shear-wave velocities ratio in recognition of reservoir fluid contacts case study: A Southwest Iranian oil field: J. Scientific Research and Reviews, 1(2), 15–19,
Bakhorji, A. M., 2010, Laboratory Measurements of Static and Dynamic Elastic Properties in Carbonate, Ph.D. Thesis, University of Alberta, Department of Physics, Canada.
Biot, M. A., 1956, Theory of propagation of elastic waves in fluid-saturated porous solids. II. Higher frequency range: J. Acoust. Soc. Am., 28, 179–191.
Bray, D. E., McBride, D., 1992, Nondestructive Testing Technique, John Wiley and Sons Press, ISBN 0-471 52513-8, New York, USA.
Chary, K. B., Sarma, L. P., Prasanna Lakshmi, K. J., Vijayakumar, N. A., Naga Lakshmi, V., and Rao, M. V. M. S., 2006, Evaluation of Engineering Properties of Rock Using Ultrasonic Pulse Velocity and Uniaxial Compressive Strength: Proc. National Seminar on Non-Destructive Evaluation, Hyderabad, India, 379–385.
D'Andrea, D. V., Fischer, R. L., Fogelson, D. E., 1965, Prediction of compressive strength from other rock properties: US Bureau of Mines Report of Investigations, 6702.
Deere, D. U., Miller, R. P., 1966, Engineering classification and index properties for intact rock: Air Force Weapons Lab. Tech. Report, AFWL-TR 65–116, Kirtland Base, NM.
Deliormanli A. H., Burlini L., Yavuz A. B., 2007, Anisotropic dynamic elastic properties of Triassic Milas marbles from Mugla region in Turkey: Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 44, 279–288.
Domenico, S. N., 1974, Effect of water saturation on seismic reflectivity of sand reservoirs encased in shale: Geophysics, 39, 759–769.
Gardner, G. H. F., Gardner, L.W., Gregory, A. R., 1974, Formation velocity and density: the diagnostic basis for stratigraphic: Geophysics, 39, 770–780.
Gassmann, F., 1951, U ber die elastizita t poro sermedien, Vierteljahrsschrift der Natur forschenden Gesellschaft in Zurich, 96, 1–23.
Gaviglio, P., 1989, Longitudinal waves propagation in a limestone: The relationship between velocity and density: Rock Mech. Rock Eng., 22, 299–306.
Gladwin, M. T., 1982, Ultrasonic stress monitoring in underground mining: Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 19, 221–228.
Green, R. E., 1991, Introduction to Ultrasonic Testing in: Ultrasonic Testing: Birks, A. S., Green, R. E., and McIntyre, P., (Eds.), American Society for Nondestructive Testing, Metals Park, Ohio, 1–21.
Gregory, A. R., 1976, Fluid saturation effects on dynamic elastic properties of sedimentary rocks: Geophysics, 41, 895–92 1.
Hudson, J. A., Jones, E. T. W., New, B. M., 1980, P-wave velocity measurements in a machine bored chalk tunnels: Quart. J. Eng. Geol., 13, 33–43.
Inoue, M., Ohomi, M., 1981, Relation between uniaxial compressive strength and elastic wave velocity of soft rock: Proceedings of the International Symposium on Weak Rock, Tokyo, 9–13.
ISRM, 1979, Suggested methods for determining water content, porosity, density, absorption and related properties and swelling and slake-durability index properties: Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Geomech. Abstr., 16(2), 141–156.
Jambunathan, V., 2008, Study of Mechanical Properties of Carbonates: M.Sc. Thesis, University of Oklahoma.
Kahraman, S., 2002, Estimating the direct Pwave velocity value of intact rock from indirect laboratory measurements: Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 39, 101–104.
Khandelwal, M., Ranjith, P. G., 1996, Correlating index properties of rocks with P-wave measurements: Ultrasonics, 34, 421–423.
Khandelwala, M., Ranjith, P. G., 2010, Correlating index properties of rocks with P-wave measurements: J. Appl. Geophys., 71, 1–5
Knill, T. L., 1970, The application of seismic methods in the interpretation of grout takes in rock: Proceedings of the Conference on In Situ Investigation in Soils and Rocks, British Geotechnical Society, London, 93–100.
Lama, R. D., Vutukuri, V. S., 1978, Handbook on Mechanical Properties of Rocks: 2nd Ed., Trans. Tech. Publications, Switzerland.
Mix, P. E., 1987, Introduction to Nondestructive Testing: A Training Guide: John Wiley and Sons Press, ISBN 0-471-83126-3, New York, USA.
Moozar, P. L., 2002, Non-destructive Appraisal of Paste Backfill: Ph.D. Thesis, Department of Mining and Materials Engineering, McGill University, Montreal, Canada.
Onodera, T. F., 1963, Dynamic investigation of foundation rocks, in situ: Proceedings of the Fifth US Symposium on Rock Mechanics, Pergamon Press, New York, 517–533.
Prassianakis, I. N., Kourkoulis S. K., Vardoulakis I., 2000, Marble monuments examination using the NDT method of ultrasounds: 15th WCNDT, Roma.
Prassianakis, I. N., Prassianakis N. I., 2004, Ultrasonic testing of non-metallic materials, concrete and marble: Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 42, 191–198.
Price, D. G., Malone, A.W., Knill, T. L., 1970, The application of seismic methods in the design of rock bolt system: Proceedings of the First International Congress, Vol. 2., International Association of Engineering Geology, 740–752.
Saito, T., Mamoru, A. B. E., Kundri, S., 1974, Study on weathering of igneous rocks: Rock Mech. Jpn. 2, 28–30.
Sarpün, I. H., Kılıçkaya M. S., 2006, Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first backwall echo height measurements: NDT&E International, 39, 82–86.
Sarpün, I. H., Kılıçkaya M. S., Tuncel S., 2005, Mean grain size determination in marbles by ultrasonic velocity techniques: NDT& E International, 38, 21–25.
Sharma, P. K., Singh, T. N., 2008, A correlation between P-wave velocity, impact strength index, slake durability index and uniaxial compressive strength: Bull. Eng. Geol. Environ., 67, 17–22.
Spencer, J. W., 1981, Stress relaxation at low frequencies in fluid saturated rocks, attenuation and modulus dispersion: Geophysics, Res., 86, 1803–1812.
Tutuncu, A. N., Podio, A. L., Gregory, A. R., and Sharma, M. M., 1998, Nonlinear viscoelastic behavior of sedimentary rocks, Part 1, Effect of frequency and strain amplitude: Geophysics, 63(1), 184–194.
Vanorio T., Prassad M., Patella D., Nur A., 2002, Ultrasonic velocity measurements in volcanic rocks, correlation with microstructure: Geophysics, 149, 22–36.
Vary, A., 1991, Material Property Characterization in: Ultrasonic Testing: Birks, A. S., Green, R. E., and McIntyre, P., (Eds)., American Society for Nondestructive Testing, Metals Park, Ohio, 383–431.
Vasconcelos, G., Lourenco, P. B., Alves, C. A. S., and Pamplona, J., 2008, Ultrasonic evaluation of the physical and mechanical properties of granites: Ultrasonics, 48(5), 453-466..
Winkler, K. W., 1983, Frequency dependent ultrasonic velocities of high porosity sandstones: J. Geophysical Res., 88, 9493–9499.
Youash, Y., 1970, Dynamic physical properties of rocks: Part 2, Experimental result: Proceedings of the Second Congress of the International Society for Rock Mechanics: Beograd, 1, 185–195.
Young, R. P., Hill, T. T., Bryan, I. R., Middleton, R., 1985, Seismic spectroscopy in fracture characterization: Quart. J. Eng. Geol., 18, 459–479.