مدلسازی عددی تأثیر فشار جانبی بر الگوی شکست سنگهای شکننده در آزمایش سه محوری

چکیده برای درک رفتار مکانیکی سنگ در شرایط مختلف، از تفسیر نتایج آزمونهای آزمایشگاهی و صحرایی استفاده می گردد. یکی از اهداف اصلی آزمایشات، تعیین ویژگیهای تغییر شکل و مقاومت نمونه های سنگ تحت شرایط حاکم درمحل بوده و نحوه شکل گیری گسیختگی، تحت اثر آزمایش سه محوری، از موضوعاتی است که می تواند در کاربردهای مهندسی ژئوتکنیک مورد استفاده قرار گیرد. تغییر در فشار همه جانبه در آزمایش سه محوری باعث تأثیر در نتایج آزمایش و تغییر در الگوی شکست نمونه گشته و مطالعات آزمایشگاهی بر روی سنگ گرانیتی اینادا نشان می دهند که در تنشهای همه جانبه کم، صفحه شکست بصورت قائم (اسپیلیتینگ) و در تنشهای همه جانبه بیشتر، صفحه شکست به حالت مایل (گسیختگی برشی) تغییر خواهد کرد. در این پایان نامه، جهت بررسی تأثیر فشار همه جانبه بر آزمایش سه محوری، محیط سنگ را به صورت ذرات متصل به هم (bonded-particles method) در نظر گرفته و چنین مدلی با استفاده از روش المان مجزا و کُدنویسی در برنامه pfc3d شبیه سازی گردیده است. مدل مفروض دارای ذراتی هم اندازه ذرات سنگ مورد نظر (قطر 2 میلیمتر) بوده و بر خلاف حالت طبیعی آن، دارای ریزترکهای اولیه نمی باشد و هندسه مدل با نمونه آزمایشگاهی یکسان است. در زمان آزمایش و با اعمال تنش، ریزترکهای ایجاد شده تغییر شکل نداده و برای تشکیل ریزترکی بزرگتر، به یکدیگر نمی پیوندند. به منظور کالیبراسیون نتایج مدلسازی با آزمایش تک محوری، از روش تئوری ابعادی بهره گرفته و پارامترهای بی بعد موثر بر مدل تعیین و دو منحنی کالیبراسیون مدل بدست آمده است. برای مقایسه رفتار مکانیکی و الگوی شکست مدل و نمونه آزمایشگاهی در آزمونهای تک محوری و سه محوری با شرایط یکسان، خصوصیاتی از قبیل مدول الاستیسیته، ضریب پواسون و نیز میزان تنش ماکزیمم محوری مورد بررسی قرار گرفته است. جهت بررسی روند گسترش ریز ترکها در مدلسازی آزمایشات تک محوری و سه محوری با فشارهای همه جانبه متفاوت، تعداد ریزترکها تا لحظه گسیختگی گزارش و تغییر الگوی شکست با تغییر فشار همه جانبه، با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. عدد چگالی ترک در نتایج آزمایشگاهی با افزایش تنش محوری، از مقدار اولیه خود کاهش و در لحظه شکست تقریبا ثابت می باشد. نتایج حاصل از مدلسازی و مطالعات آزمایشگاهی در مورد تنش ماکزیمم محوری و ضریب پواسون از نزدیکی مناسبی برخوردار می باشد. مدول الاستیسیته حاصل از مدلسازی کمتر از مدول الاستیسیته آزمایشگاهی بوده و میزان اختلاف مشاهده شده در حدود 36 درصد می باشد. بنظر می رسد این اختلاف از عدم حضور ریزترکهای اولیه در مدل ناشی شده است. عدد چگالی ترک در مدلسازی دارای مقدار اولیه صفر بوده و در نزدیکی تنش شروع ترک، رشد پیدا کرده و این رشد در حوالی تنش ماکزیمم دچار افزایشی ناگهانی می گردد. این افزایش ناگهانی از رشد ناپایدار ریزترکها در حوالی تنش ماکزیمم ناشی می شود. در تمامی آزمایشهای تک محوری و سه محوری با تنشهای همه جانبه متفاوت، عدد چگالی ترک در لحظه گسیختگی در بازه ای ثابت قرار گرفته است که می تواند معیاری برای رخ دادن شکست در مدل باشد. مطالعات آزمایشگاهی نیز حاکی از قرار گیری عدد چگالی ترک دربازه ای ثابت در زمان گسیختگی نمونه می باشد.