The estimation of Brittleness indexes of Qom Formation sandstones in northern Hamedan using the ratio between point load index and porosity

Authors

1 Prof., Dept., of Geology, Faculty of Science, Bu Ali Sina University, Hamadan, Iran

2 Ph. D. student, Dept., of Geology, Faculty of Science, Ferdowsi University, Mashhad, Iran

Abstract

Brittleness which is of great significance in rock engineering properties is one of the most important properties of rock. The evaluation of brittleness indexes is a helpful method for the estimation of rock brittleness. However, there is still much uncertainty about the relation between rock brittleness and rock failures (i.e. Hydraulic fracture, Rock blasting in coal mines and tunnels). This fact can be attributed to the lack of a concept of universally accepted brittleness and brittleness index. In this paper, the relationship between rock brittleness is investigated by using the ratio of point index to porosity (PMP) in the sandstones of the Qom Formation. In addition, the available estimation methods for the rock brittleness index are summarized and their application is briefly discussed. In order to estimate of brittleness index and the ratio of point load index, 15 blocks from Latgah sandstones in northern Hamedan have been selected. Lithological characteristics, physical and mechanical properties of these sandstones have been determined. The samples have been tested under point load strength index uniaxial compressive strength (UCS), and Brazilian tensile strength experimentals. Then, the ratio of point load index to porosity (PMP) has been calculated. To achieve the desired target, the most appropriate and meaningful relationships between brittleness rock and the ratio of point load index to porosity (PMP) have been presented by the regression method. The relationships between point load index, porosity, and brittleness indexes (B1, B2, B3, B4, and BI) have been evaluated by simple regression (SR) techniques using Minitab 16 software. The statistical analyses revealed the existence of powerful correlations between the ratio point load index to porosity (PMP) with brittleness indexes (B3, B4)in the dry state and also, the powerful correlations between the ratio point load index to porosity (PMP) with brittleness indexes (B1, B2) in the saturated state.

Keywords

References

آقانباتی، ع (۱۳۸۳) زمین‌شناسی ایران، انتشارات سازمان زمین­شناسی و اکتشافات معدنی کشور.
جبین­پور، ع. ر.، یاراحمدی بافقی، ع. ر.، غلام­نژاد، ج (1397) مدل‌سازی زمین‌آماری تخریب­پذیری توده­سنگ مبتنی بر روش تجربی لابسچر در معدن سه‌چاهون، نشریه مهندسی منابع معدنی، دوره 3، سماره 2، ص 53-69.
حسنی­پاک، ع (1389) زمین­آمار (ژئواستاتیستیک)، انتشارات دانشگاه تهران، چاپ سوم، 314 ص.
رحیمی­شهید، م.، کرمی، م.، لشکری­پور.، غ. ر (1400) استفاده از رگرسیون چندمتغیره برای ارزیابی تراوایی توده سنگ‌های ساختگاه سد خرسان 2 با استفاده از ویژگی‌های سیستم ناپیوستگی، نشریه یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی، دوره 16، شماره 31، ص 32-51.
سازمان زمین‌شناسی و اکتشاف معدنی کشور، نقشه زمین‌شناسی چهارگوش همدان، مقیاس ۱:۱۰۰۰۰۰، تهران.
صفری­فرخد، س.، لشکری‌پور، غ. ر.، حافظی­مقدس، ن (1398) ارزیابی شاخص شکنندگی S20 سنگ­آهک و بررسی عوامل موثر بر آن در حالت خشک و اشباع، مجله زمین­شناسی مهندسی ایران، جلد 12، شماره 3، ص 21-36.
فهیمی‏فر، ا.، و سروش ح (۱۳۸۰) آزمایش‏های مکانیک سنگ، مبانی نظری و استانداردها، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، چاپ اول.
قبادی، م. ح.، امیری، م.، آلیانی، ف (1399) بررسی خصوصیات زمین­شناسی مهندسی پریدوتیت­ها (مطالعه­ی موردی: شهرستان هرسین، استان کرمانشاه)، نشریه­ی زمین­شناسی مهندسی، شماره 1، ص 105-132.
قبادی، م. ح.، حیدری، م.، رفیعی، ب.، موسوی، س (1392) بررسی تأثیر و زمان چرخه‌ها بر روی رفتار دوام‌پذیری ماسه‌سنگ‌های سازندهای سازند آغاجاری در جنوب استان خوزستان، هشتمین همایش اﻧﺠﻤﻦ زمین‌شناسی ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ و محیط‌زیست اﯾﺮان، دانشگاه فردوسی مشهد.
قبادی، م.، امیری، م.، آلیانی، ف (1397) تعیین شکنندگی پریدوتیت‌ها با استفاده از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی (مطالعه موردی: هرسین، استان کرمانشاه)، مجله یافته‌های نوین زمین شناسی کاربردی، دوره 12، شماره 24، ص 26-38.
کراری، س. م.، حیدری، م.، خادمی­حمیدی، ج.، شریفی تشنیزی، ا (1399) ارزیابی شاخص­های شکنندگی سنگ­ها برای تخمین مدول چقرمگی، مجله انجمن زمین­شناسی مهندسی ایران، دوره 13، شماره 3، ص 51-65.
کرمی، م.، رحیمی­شهید، م.، لشکری­پور، غ. ر (1400) پیش‌بینی شاخص شکنندگی و تعیین همبستگی تجربی بین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ‌آهک سازند تله­زنگ در ساختگاه سد هواسان، مجله یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی، دوره 15، شماره 30، ص 125-145.
محمدی، د.، توسلی لاین، ن (۱۳۹۵) تخمین شاخص شکنندگی سنگ‌های آهکی سازند قم با استفاده از خصوصیات فیزیکی، نهمین همایش ملی زمین شناسی مهندسی و محیط زیست ایران.
محمدی، د.، موسوی، س.، محمدی، ن (1395) بررسی ویژگی‌های زمین‌شناسی مهندسی ماسه‌سنگ‌های سازند آغاجاری در شمال و شمال شرق استان خوزستان، نهمین همایش ملی زمین‌شناسی مهندسی و محیط‌زیست ایران،  دانشگاه خوارزمی تهران.  
Altindag, R (2002) the evaluation of rock brittleness concept on rotary blast hold drills. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 102 (1): 61-66.
Altindag, R. and Guney, A (2010) Predicting the relationships between brittleness and mechanical properties (UCS, TS and SH) of rocks. Scientific research and Essays, 5(16): 2107-2118.
ASTM (2001) “Annual Book of ASTM Standard – Natual Building Stone”: Soil and Rock, part 19. ASTM Publication office. Philadelphia.
ASTM (2001) “Standard method for determination of the point load strength index of rock”, ‍ ASTM Standards on Disc 04.08.; Designation D5731.
ASTM (2001) “Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens” D3967.
Chamanzadeh, A., Moshrefy-Far, M. R., Rahimi Shahid, M., Moosavi, S. M (2016) Statistical analysis of the rock masses permeability in Shahid dam site. International Conference on Civil Engineering, Architecture, Urban Management and Environment in the Third Millennium, Rasht, Iran, p.12
Folk, R. L (1974) Petrology of sedimentary rocks, Hemphill Publishing CompanyTexas, USA.
Frough, O., Khetwal, A., Rostami, J (2019) Predicting TBM utilization factor using discrete event simulation models. Tunnelling and Underground Space Technology, 87: 91-99.
Goktan, R. M., and Yilmaz Gunes, N (2005) a new methodology for the analysis of the relationship between rock brittleness index and drag pick cutting efficiency. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 105 (10): 727–734.
Heidari, M. Khanlari, G. R., Torabi-Kaveh, M. Kargarian, S. Saneie, S (2014) Effect of porosity on rock brittleness. Rock Mech Rock Eng, 47: 785–790
Hetenyi, M., I (1966) Handbook of Experimental Stress Analysis. 15p.
Hoek, E (1983) Strength of jointed rock masses. Geotechnique, 33 (3): 187–223.
Hucka, V. Das, B (1974) Brittleness determination of rocks by different methods. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, 11: 389–392.
ISRM (2007) “The Complete ISRM, Suggested Methods for Rock characterization testing and monitoring, International Society of rock mechanics. Morley, A., 1944. Strength of Material. Longman, Green, London.
Jamshidi, A., Abdi, Y., Sarikhani, R (2020) Prediction of Brittleness Indices of Sandstones Using a Novel Physico-Mechanical Parameter. Geotech Geol Eng., 9pp.
Kahraman, S. and Altindag, R (2004) a brittleness index to estimate fracture toughness. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 41: 343–348.
Karakul, H., Ulusay, R (2013) Empirical correlations for predicting strength prop-erties of rocks from P-wave velocity under different degrees of saturation. Rock Mech. Rock Eng, 46 (5): 981-999.
Kaunda, R. B., Asbury, B (2016) Prediction of rock brittleness using nondestructive methods for    hard rock tunneling. JRMGE, 8 (4): 533-540.
Lashkaripour, G. R., Rastegarnia, A. and Ghafoori, M (2018) Assessment of brittleness and empirical correlations between physical and mechanical parameters of the Asmari limestone in Khersan 2 dam site, in southwest of Iran. Journal of African Earth Sciences, 138: 124-132.
Obert, L., Duvall, W. I (1967) Rock mechanics and the design of structures in rock. J. Wiley.     
Rahimi Shahid, M., Hashemian, N. S (2021) Evaluation of Kriging method on estimation of Lugeon data. 39th   National Congress and 4th International Congress of Earth Sciences, Tehran, Iran, 1-12.
Ramsay, J. G (1967) Folding and fracturing of rocks. Mc Graw Hill Book Company, 568p
Salimi, A., Faradonbeh, R. S., Monjezi, M., Moormann, C (2018) TBM performance estimation using a classification and regression tree (CART) technique. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 77: 429-440.
Xia, Y., Zhou, H., Zhang, C., He, S., GAO, Y., Wang, P (2019) the evaluation of rock brittleness and its application: a review study, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 4: 1–41.
Yarali, O. & Soyer, E (2011) The effect of mechanical rock properties and brittleness on drillability, Scientific Research and Essays, 6(5): 1077-1088.
Yarali, O. and Soyer, E (2013) Assessment of relationship between drilling rate index and mechanical properties of rocks. In: Tunnelling and Underground Space Technology, 33: 46-53.
 

Files

History

  • Receive Date: 29 September 2021
  • Revise Date: 08 January 2022
  • Accept Date: 09 January 2022

Share

How to cite

Statistics