توصيفگر ها :
پارامترهاي شكست ديناميكي , مدها , نرخ كرنش شبه استاتيكي , معيار هاي شكست , اصطكاك سطوح ترك , روش جابجايي - ناپيوستگي , سرعت رشد ترك
چكيده فارسي :
مطالعۀ رفتار سنگ¬ها تحت تأثير بارهاي ديناميكي يكي از مهمترين موضوعات كاربردي در پروژه¬هاي مهندسي مي¬باشد كه اخيراً توجه بسياري از محققين را به خود جلب كرده است. برآورد پارامترهاي شكست ديناميكي، به عنوان نقطه شروع طراحي و تحليل پايداري سازه¬هاي سنگي و عمراني تحت بارهاي ديناميكي شناخته مي¬شوند. با توجه به اينكه بيشتر مطالعات در دهه¬هاي گذشته بر روي مد I تمركز كرده¬اند و تحقيقاتي محدودي بر روي مد تركيبي I/II و مد II انجام شده¬ است، در اين تحقيق پارامترهاي شكست ديناميكي تحت سه مد بارگذاري (مد I، مد تركيبي I/II و مد II) و تحت نرخ كرنش شبه استاتيكي و ديناميكي مورد مطالعه قرار گرفتند. براي رسيدن به اهداف مورد نظر در اين تحقيق، سه روش مطالعه (روش تحليلي، عددي و تجربي) اتخاذ شده است. در ابتدا با استفاده از روش تحليلي، از روابط توزيع تنش در مجاورت نوك ترك ديناميكي استفاده شد و سپس با استفاده از معيارهاي شكست مناسب مانند معيار تنش مماسي حداكثر (MTS-Criterion) و معيار انرژي كرنشي حداقل (S-Criterion) ترك ديناميكي مورد مطالعه قرار گرفت. علاوه بر اين، اگرچه مطالعات ساير مواد عمدتاً بر روي ترك باز متمركز هستند، در اين بررسي با توجه به اهميت اصطكاك در حوزه مكانيك سنگ به دليل وجود تنش¬هاي فشاري همه¬جانبه، يك مدل تحليلي با در نظر گرفتن تأثير اصطكاك بين سطوح ترك تحت فشار دو محوري توسعه داده شد. همچنين با توجه به اهميت روش¬هاي تحليلي در تجزيه و تحليل مسائل مربوط به رشد گسل¬ها به عنوان يك ترك مد II در مقياس ژئوفيزيكي، مدل تحليلي ديگري نيز براي بررسي تأثير نسبت پواسون بر ايجاد ترك¬هاي كششي در مجاورت گسل¬هاي ديناميكي در نظر گرفته شد. از سوي ديگر، بر اين اساس كه روش تحليلي تنها قادر به پيش بيني مشخصات شكست ديناميكي در گام اول رشد ترك مي¬باشد، از روش عددي جهت پيش بيني ادامة مسير رشد ترك استفاده گرديد. بدين منظور يك كد عددي بر مبناي روش جابجايي – ناپيوستگي (DTDCPC)، تحت حالت تنش يك محوره و دو محوره طراحي شد و با استفاده از اين كد، تأثير پارامترهاي مختلف مانند زاويه قرارگيري ترك، ضريب اصطكاك، نسبت تنش و سرعت رشد ترك بر مسير رشد ترك مورد مطالعه قرار گرفت. در ادامه به منظور فهم بهتر مطالب و اعتبار سنجي نتايج مدل¬هاي تحليلي و عددي، مطالعات تجربي در دو مرحله به انجام رسيد. در مرحله اول آزمايش¬هاي اوليه¬اي به منظور تعيين نوع سنگ مناسب بر روي سه نوع سنگ (گرانيت درشت دانه، گرانيت متوسط دانه و هورنفلس ريز دانه) با استفاده از نمونه¬هاي نيم دايره¬اي SCB تحت مد I و تحت نرخ كرنش استاتيكي انجام شدند. نتايج آزمون¬هاي اوليه نشان داد كه سنگ هورنفلس گزينه مناسب¬تري براي پيش¬برد اين مطالعه مي¬باشد. بنابراين آزمون¬هاي اصلي تحت خمش سه و چهار نقطه¬اي در نمونه¬هاي مستطيلي تحت مد I، مد تركيبي I/II و مد II و نرخ كرنش شبه استاتيكي با استفاده از دستگاه سرو هيدروليك و همچنين تحت نرخ كرنش ديناميكي با استفاده از دستگاه سقوط وزنه انجام شدند. عمده¬ي نتايج بيانگر تاثير نوع و اندازه دانه¬ها، نوع مد بارگذاري و نرخ كرنش بر خروجي اين مطالعه مي¬باشند، به گونه¬اي كه با افزايش اندازه دانه¬ها، چقرمگي شكست 66% و سرعت رشد ترك 29% كاهش پيدا كردند. علاوه بر اين، با افزايش نرخ كرنش از 4-10 تا 1+10 بر ثانيه، ميانگين سرعت رشد ترك تحت مد I حدود 12 برابر، تحت مد تركيبي I/II حدود 6/4 برابر و تحت مد II تا حدود 1/4 برابر افزايش پيدا كرد. همچنين با افزايش نرخ كرنش از 4-10 تا 2-10، ناحيه زير پوش شكست و ميانگين نسبت KIIC/KIC به¬طور تقريبي 35% افزايش نشان داد. لازم به ذكر است كه نرخ كرنش مورد استفاده در اين تحقيق، پديده¬هاي مختلفي در مكانيك سنگ و زمين شناسي مهندسي همانند زلزله، لغزش گسل و ريزش سنگ را پوشش مي¬دهد، از اين رو مي¬توان از نتايح اين تحقيق تحت سه مد بارگذاري در راستاي بررسي رشد ترك¬هاي مختلف مرتبط با پديده¬هاي فوق¬الذكر، به¬خصوص رشد ترك¬هاي كششي در مجاورت گسل¬هاي ديناميكي يا در توده¬هاي سنگ تحت تاثير بارهاي مختلف بهره برد.
چكيده انگليسي :
Studying rock behavior under the effect of dynamic loads is one of the practical issues in engineering projects that has been considered by many researchers in last decades. Determining dynamic fracture parameters is considered as a starting point for design and analysis the stability of rock and civil structures under dynamic loads. Given that most studies in recent decades have focused on the mode I and little research has been done on the mixed mode I/II and mode II; in this research, dynamic fracture parameters were determined under three loading modes (mode I, mixed mode I/II and mode II) and under quasi-static and dynamic strain rates. To achieve the goal of this study, three methods (analytical, numerical and experimental method) have been adopted. In the beginning, by using the analytical method, the stress distribution functions in the vicinity of the dynamic crack tip were used and then the dynamic crack was investigated by using dynamic failure criteria such as maximum tangential stress criterion (MTS-Criterion) and minimum strain energy density criterion (S-Criterion). In addition, given that most studies for other materials focus on open crack situation, while in rock masses friction is important due to confining compressive stresses, an analytical model was developed in this study by considering the effect of friction between crack surfaces under biaxial compressive stress. Due to the importance of the analytical method in analyzing the problems related to faults and dynamic shear ruptures at the geophysical scale, an analytical model was developed in this study to investigate the effect of the Poisson ratio on the creation of tensile cracks around dynamic faults. Considering that the analytical method is only able to predict the dynamic fracture parameters in the first stage of crack growth, so the numerical method was used to predict the continuation of the crack propagation path. For this purpose, a numerical code (DTDCPC) based on the displacement-discontinuity method was developed in this study under uniaxial and biaxial stress states. Depending on this code, the effect of different parameters such as crack inclination angle, friction coefficient, stress ratio and crack propagation speed on the fracture path was investigated. In the following, in order to better understand the content and to validate the results of analytical and numerical methods, a series of experiments were conducted in two stages. In the first stage, initial experiments were performed on three rock types (coarse grained granite, medium grained granite and fine-grained hornfels) using SCB specimens under mode I and under static strain rate to determine the appropriate rock type for this study. Results of initial experiments showed that the rectangular specimens of hornfels rock are suitable to continue the experimental program. Therefore, the main tests including three- and four-points bending tests were conducted under pure mode I, mixed mode loading I/II and pure mode II and under quasi-static and dynamic strain rate by suing servo hydraulic machine and drop weight device, respectively. The main results show the effect of grain types and sizes, loading mode and strain rate on the output of this study, so that with increasing grain size, fracture toughness and crack propagation speed decreased by 66 and 29%, respectively. By increasing the strain rate from 10-4 to 10+1 S-1, the average crack propagation speed under pure mode I, mixed mode loading and pure mode II increased by 12, 4.6 and 4.1 times, respectively.
