Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

तकनीकी सारांश: रियोलॉजी (Rheology) को ध्यान में रखते हुए या नहीं, इसके आधार पर गहरे मृदु चट्टान (Soft Rock) सड़क मार्ग के आसपास के रियोलॉजिकल प्लास्टिक ज़ोन का तुलनात्मक विश्लेषण

समस्या विवरण
चीन में गहरी खनन गतिविधियों में अक्सर ऐसे मृदु चट्टानों (soft rock) के निर्माणों का सामना करना पड़ता है जो स्पष्ट रियोलॉजिकल (समय-निर्भर) व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। सड़क मार्ग के आसपास की चट्टानों के पारंपरिक इलास्टोप्लास्टिक विश्लेषण अक्सर चट्टान के नमूनों की शिखर संपीड़ित शक्ति (peak compressive strength) को विफलता मानदंड के रूप में उपयोग करते हैं, जिससे चट्टान के द्रव्यमान के रियोलॉजिकल गुणों की उपेक्षा हो जाती है। यह दृष्टिकोण अक्सर सैद्धांतिक परिणामों के रूप में आसपास की चट्टान की शक्ति का अतिरंजित आकलन करता है और विरूपण (deformation) तथा प्लास्टिक (ढीलापन) क्षेत्र के विस्तार को कम करके दिखाता है, जिसके परिणामस्वरूप डिजाइन इंजीनियरिंग वास्तविकता से विचलित हो जाते हैं और दीर्घकालिक स्थिरता से समझौता करते हैं। मुख्य समस्या प्लास्टिक ज़ोन के सैद्धांतिक पूर्वानुमानों और गहरे मृदु चट्टान सड़क मार्गों में वास्तविक क्षेत्रीय अवलोकनों के बीच का अंतर है, जो विशेष रूप से रियोलॉजिकल प्रभावों को छोड़ने और स्थिर परिवेशी चट्टान में शिखर प्रतिबल अवस्था (peak stress state) की गलत पहचान के कारण होता है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक बहुआयामी दृष्टिकोण का उपयोग करता है जिसमें क्षेत्र की निगरानी (field monitoring), प्रयोगशाला परीक्षण, सैद्धांतिक व्युत्पत्ति और संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulation) शामिल हैं, जो एक खदान में -848 मीटर चार्जिंग रेक्टिफायर चैंबर परीक्षण सड़क पर केंद्रित है।

1. क्षेत्रीय जांच: अध्ययन स्थल का चयन इसलिए किया गया क्योंकि आसपास की चट्टान गंभीर प्रारंभिक विरूपण के बाद एक स्थिर अवस्था में पहुँच गई थी। निगरानी खंडों ने सतह के विस्थापन (आर्च स्प्रिंगिंग, छत-से-फर्श अभिसरण, फर्श के कोने) को मापा ताकि स्थिरता की पुष्टि की जा सके। वास्तविक ढीलेपन क्षेत्र (प्लास्टिक ज़ोन) की गहराई निर्धारित करने के लिए अल्ट्रासोनिक तरंग वेग परीक्षण किए गए, जो रिब्स (ribs) पर 2.7 से 3.2 मीटर के बीच था।
2. प्रयोगशाला परीक्षण: यांत्रिक मापदंडों को निर्धारित करने के लिए रॉक कोर का परीक्षण किया गया।
   • त्रिअक्षीय संपीड़न (Triaxial Compression): पूर्ण प्रतिबल-विकृति वक्र (stress-strain curves) और शिखर शक्ति ($\sigma_{pk}$) प्राप्त करने के लिए 0, 4, 8, 12, और 16 MPa के सीमित दबावों के तहत नमूनों का परीक्षण किया गया।
   • क्रीप परीक्षण (Creep Tests): समान सीमित दबावों के तहत स्टेप-लोडिंग क्रीप परीक्षण किए गए।
   • दीर्घकालिक शक्ति निर्धारण: "क्रीप टर्मिनेशनما ट्रेजेक्टरी थ्योरी" का उपयोग करते हुए, फिट किए गए क्रीप टर्मिनेशनमा ट्रेजेक्टरी और पूर्ण प्रतिबल-विकृति वक्र के प्रतिच्छेदन का उपयोग प्रत्येक सीमित दबाव के लिए दीर्घकालिक शक्ति ($\sigma_{\infty}$) निर्धारित करने के लिए किया गया।
3. सैद्धांतिक विश्लेषण: एक इलास्टिक-ब्रिटल-प्लास्टिक मॉडल स्थापित किया गया। अध्ययन ने दो स्थितियों के तहत प्लास्टिक ज़ोन त्रिज्या के लिए विश्लेषणात्मक समाधान व्युत्पन्न किए:
   • स्थिति A (रियोलॉजी को ध्यान में रखते हुए): परिवेशी चट्टान के शिखर प्रतिबल ($\sigma_s$) को दीर्घकालिक शक्ति ($\sigma_{\infty}$) के रूप में परिभाषित किया गया।
   • स्थिति B (रियोलॉजी की उपेक्षा करते हुए): शिखर प्रतिबल को शिखर संपीड़ित शक्ति ($\sigma_{pk}$) के रूप में परिभाषित किया गया।
   • प्रतिबल निर्माण पद्धति का उपयोग करके अक्षीय (axisymmetric) स्थितियों ($\lambda = 1$) और द्विअक्षीय असमान प्रतिबल क्षेत्रों ($\lambda = 0.86$) दोनों के लिए समाधान व्युत्पन्न किए गए।
4. संख्यात्मक सिमुलेशन: ABAQUS परिमित तत्व सॉफ्टवेयर का उपयोग सड़क के सिमुलेशन के लिए किया गया। दो मॉडल चलाए गए: एक दीर्घकालिक शक्ति मापदंडों (संसंजन $c_0 = 5.58$ MPa) का उपयोग करके और दूसरा शिखर शक्ति मापदंडों (संसंजन $c_0' = 11.26$ MPa) का उपयोग करके।

प्रमुख योगदान

• शिखर प्रतिबल मानदंड का पुनर्परिभाषा: शोध पत्र प्रस्तावित करता है कि गहरे मृदु चट्टान सड़क मार्गों के लिए, परिवेशी चट्टान के शिखर प्रतिबल को एक दिए गए सीमित दबाव के तहत चट्टान की दीर्घकालिक शक्ति के बराबर माना जाना चाहिए, न कि इसकी अल्पकालिक शिखर संपीड़ित शक्ति के। यह इस धारणा पर आधारित है कि यदि प्रतिबल दीर्घकालिक शक्ति से अधिक हो जाता है, तो अस्थिर रियोलॉजिकल विरूपण तब तक जारी रहेगा जब तक कि प्रतिबल एक स्थिर स्तर तक नहीं गिर जाता।
• विश्लेषणात्मक समाधान: अध्ययन प्लास्टिक ज़ोन त्रिज्या और प्रतिबल वितरण के लिए स्पष्ट इलास्टोप्लास्टिक विश्लेषणात्मक समाधान प्रदान करता है, जो रियोलॉजी को ध्यान में रखने वाले (दीर्घकालिक शक्ति का उपयोग करके) और रियोलॉजी को अनदेखा करने वाले (शिखर शक्ति का उपयोग करके) परिदृश्यों के बीच अंतर करता है।
• तुलनात्मक सत्यापन: क्षेत्र के डेटा को एकीकृत करके, अध्ययन मात्रात्मक रूप से रियोलॉजी को अनदेखा करने से होने वाली त्रुटि के परिमाण को प्रदर्शित करता है।

परिणाम

• क्षेत्रीय अवलोकन: रिब्स पर मापा गया ढीलापन क्षेत्र की गहराई 2.7–3.2 मीटर थी।
• सैद्धांतिक तुलना:
  • रियोलॉजी की उपेक्षा करना: शिखर शक्ति का उपयोग करते हुए, गणना की गई प्लास्टिक ज़ोन त्रिज्या लगभग 2.83 मीटर ($\lambda=1$ के लिए) और 2.93–3.22 मीटर ($\lambda=0.86$ के लिए) थी। परिणामी प्लास्टिक ज़ोन की गहराई रिब्स पर केवल ~0.68 मीटर थी, जो सुझाव देती है कि चट्टान काफी हद तक इलास्टिक रही। यह वास्तविक ढीलेपन क्षेत्र को काफी कम करके दिखाता है।
  • रियोलॉजी को ध्यान में रखना: दीर्घकालिक शक्ति का उपयोग करते हुए, गणना की गई प्लास्टिक ज़ोन त्रिज्या 4.96 मीटर ($\lambda=1$) और 4.69–5.24 मीटर ($\lambda=0.86$) थी। रिब्स पर परिणामी प्लास्टिक ज़ोन की गहराई 2.42 मीटर से 2.70 मीटर के बीच थी, जो क्षेत्र-मापित सीमा (2.7–3.2 मीटर) के साथ निकटता से मेल खाती है।
• संख्यात्मक सिमुलेशन: सिमुलेशन के परिणाम सैद्धांतिक निष्कर्षों को दर्शाते हैं। रियोलॉजी की उपेक्षा करने से एक छोटा, घोड़े की नाल के आकार का प्लास्टिक ज़ोन (~0.58 मीटर गहराई) प्राप्त हुआ, जबकि रियोलॉजी को ध्यान में रखने से ~2.12 मीटर की गहराई वाला एक दीर्घवृत्तीय (elliptical) वितरण प्राप्त हुआ, जो क्षेत्र की वास्तविकता के बहुत करीब है।
• प्रतिबल वितरण: रियोलॉजी की उपेक्षा करने से परिवेशी चट्टान की शक्ति का महत्वपूर्ण अतिरंजित आकलन हुआ और एक असुरक्षित स्थिरता मूल्यांकन प्राप्त हुआ।

महत्व और दावे
शोध पत्र दावा करता है कि चट्टान के द्रव्यमान के रियोलॉजिकल गुण गहरे मृदु चट्टान सड़क मार्गों के विरूपण और प्रतिबल वितरण के लिए एक प्रमुख कारक हैं। प्राथमिक महत्व इस खोज में निहित है कि रियोलॉजी की उपेक्षा करने से परिवेशी चट्टान की शक्ति का अत्यधिक आकलन होता है, जिसके परिणामस्वरूप प्लास्टिक ज़ोन की गणना इंजीनियरिंग अभ्यास से काफी विचलित हो जाती है और सुरक्षा जोखिम पैदा करती है।

लेखक तर्क देते हैं कि गहरे मृदु चट्टान सड़क मार्गों के दीर्घकालिक स्थिरता मूल्यांकन और समर्थन डिजाइन के लिए, रियोलॉजिकल विशेषताओं पर पूरी तरह से विचार किया जाना चाहिए। विशेष रूप से, सैद्धांतिक मॉडलों में शिखर प्रतिबल को चट्टान की तात्कालिक शिखर संपीड़ित शक्ति के बजाय दीर्घकालिक शक्ति पर आधारित होना चाहिए। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि सैद्धांतिक विश्लेषण और इंजीनियरिंग डिजाइन वास्तविक विरूपण विकास और क्षेत्र में देखे गए स्थिरता स्थितियों के अनुरूप हों। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि द्विअक्षीय असमान दबाव के लिए सटीक विश्लेषणात्मक समाधान जटिल बने हुए हैं, प्रस्तावित अनुमानित विधि (जो रियोलॉजी पर विचार करती है) इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए एक विश्वसनीय और सुरक्षित आधार प्रदान करती है।