نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

بررسی تطبیقی رفتار خاک و سنگ تحت چرخه‌های ذوب و انجماد با نگرشی بر کاربرد در سازه‌ها و تأسیسات مهندسی نفت در مناطق سردسیری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 رشته مهندسی معدن، گرایش مکانیک سنگ، دانشکده فنی، دانشگاه تربیت مدرس، شهر تهران، ایران
2 گروه مکانیک سنگ، رشته مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
اهمیت مطالعه چرخه‌های ذوب و انجماد ناشی از تأثیر قابل توجه آن بر پایداری سازه‌های احداث شده در مناطق سردسیر است. با وجود مدل‌های متعدد برای پیش‌بینی رفتار خاک و سنگ، تاکنون مطالعه‌ای به مقایسه تطبیقی این دو محیط تحت شرایط حرارتی یکسان نپرداخته است. هدف این پژوهش، پر کردن این شکاف با استفاده از مدل‌های عددی پیشرفته است. بدین منظور، خاک با مدل NTNU در نرم‌افزار Plaxis و سنگ با مدل اجزای مجزا در نرم‌افزار PFC2D تحت یک چرخه حرارتی مشترک (۱+ تا ۴- درجه سانتی‌گراد، مدت ۲ ساعت) شبیه‌سازی شدند. نتایج نشان داد که علی‌رغم رفتار غیرقابل‌بازگشت در هر دو محیط، مکانیزم‌های حاکم بر تغییر شکل کاملاً متفاوت است؛ در خاک، پدیده غالب تفکیک یخ و تشکیل عدسی‌های یخی است که منجر به بالازدگی ناگهانی (حدود ۲ درصد کرنش حجمی) در دمای ۲- درجه سانتی‌گراد می‌شود، در حالی که در سنگ، رشد تدریجی ریزترک‌ها در اثر انجماد آب منافذ، کاهش مقاومت را به‌دنبال دارد. دامنه تغییرات در خاک به‌مراتب بیشتر از سنگ بوده و نقاط عطف دمایی در سنگ در دمای پایین‌تری (۳- درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد. این یافته‌ها نشان می‌دهند که مدل‌های رفتاری خاک با کالیبراسیون مناسب، قابلیت پیش‌بینی رفتار سنگ‌های بسیار متخلخل را داشته و کاربرد مستقیمی در تحلیل پایداری سازه‌های نفتی مناطق سردسیر دارند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparative Analysis of Soil and Rock Behavior Under Freeze-Thaw Cycles: Applications in Structures and Petroleum Engineering in Cold Regions

نویسندگان English

Armita Hajizadeh 1
Ehsan Taheri 2
1 Mining Engineering, Rock Mechanics field, Faculty of Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Rock Mechanics, Faculty of Engineering and Technology, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran,
چکیده English

The study of freeze-thaw cycles is significant due to their substantial impact on the stability of structures built in cold regions. Despite the existence of numerous models for predicting soil and rock behavior, no study has yet conducted a comparative analysis of these two media under identical thermal conditions. This research aims to bridge that gap using advanced numerical models. To this end, soil was simulated using the NTNU model in Plaxis software, while rock was modeled using the distinct element method in PFC2D software, both subjected to a shared thermal cycle (ranging from +1°C to -4°C over a two-hour period). The results demonstrated that, despite the irreversible behavior observed in both media, the mechanisms governing deformation differ significantly; in soil, the dominant phenomenon is ice segregation and the formation of ice lenses, leading to abrupt heave (approximately 2% volumetric strain) at -2°C, whereas in rock, the gradual growth of micro-cracks due to pore-water freezing results in a reduction of strength. The magnitude of change is far greater in soil than in rock, and critical temperature thresholds in rock occur at lower temperatures (-3°C). These findings indicate that soil behavior models, with appropriate calibration, can predict the behavior of highly porous rocks and have direct application in stability analysis for oil-related structures in cold regions.

کلیدواژه‌ها English

Freeze-Thaw Cycle
Frozen Rock
Frozen Soil
Ice Saturation
Comparative Analysis