مطالعه اثرات هندسه نمونه، توزیع و اندازه دانه ها بر چقرمگی شکست سنگ با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و مدلسازی عددی

چقرمگی شکست سنگ، یک پارامتر بنیادی در مکانیک شکست سنگ است که مقاومت ذاتی سنگ را در برابر آغاز و گسترش ترک توصیف می کند. این پارامتر کاربردهای فراوانی در زمینه های گوناگون مکانیک سنگ دارد. از این رو اندازه گیری صحیح و دقیق این پارامتر اهمیت ویژه ای دارد. با این حال هنوز بحث پیرامون تعیین روش(های) اندازه گیری آن ادامه دارد. از سوی دیگر خصوصیات سنگ در مقیاس میکرو همواره عوامل تعیین کننده ای در رفتار فیزیکی/مکانیکی سنگ هستند. چگونگی این اثرگذاری در بسیاری از موارد به خوبی روشن شده است اما تاکنون آگاهی کافی درباره ی اثر توزیع دانه بندی بر چقرمگی شکست سنگ فراهم نشده است. اگر چه آزمون های تجربی در مطالعات چقرمگی شکست سنگ از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند اما روش های عددی در موارد زیادی مزایا و قابلیت های بیشتری از خود نشان می دهند. با این وجود، تاکنون اقدامات اندکی برای استفاده از روش های عددی در این زمینه گزارش شده است. در این تحقیق، با بیش از 140 آزمون تجربی، چقرمگی شکست سه مرمریت (نیریز، باغات و مارون) که تنها در توزیع دانه بندی متفاوت هستند، توسط دو نمونه ی دیسک ترک دار با سوراخ مرکزی (hccd) و دیسک برزیلی با شکاف v شکل(ccnbd) تحت بارگذاری های مودهای i، ترکیبی i-ii و ii اندازه گیری شده اند. توصیف کمّی توزیع دانه بندی مرمریت ها مستقیماً از مقاطع نازک آنها تعیین شده است. بر اساس این توزیع دانه بندی، نمونه های عددی مرمریت ها به گونه ای با روش اجزای مجزا (dem) مدل شده اند که در آزمایش مقاومت فشاری سه محوره همان پاسخ ماکروسکپی واقعی (آزمایشگاهی) را ارائه کنند. آنگاه با استفاده از این نمونه های عددی، آزمایش های تجربی چقرمگی شکست انجام شده شبیه سازی شده اند. مستقل از نوع نمونه ی آزمایشگاهی، با مقایسه ی چقرمگی شکست مرمریت ها نشان داده شد که اندازه ی دانه بندی همبستگی معکوس با چقرمگی شکست مود i (kic) خالص دارد. در هر مرمریت، همواره نمونه hccd در مقایسه با نمونه ی ccnbd، چقرمگی شکست کمتری بدست می دهد. این اختلاف در مود i خالص ناچیز است اما با افزایش سهم بارگذاری مود ii این اختلاف برجسته تر می شود تا آنجایی که نتایج این دو نمونه در بارگذاری مود ii خالص عملاً قابل مقایسه نیستند. از میان پارامترهای فیزیکی/مکانیکی اندازه گیری شده مقاومت کششی برزیلی (?tb)، سختی چکش اشمیت و سرعت گذر موج فشاری (vp) با kic همبسته هستند. در آزمایش های عددیِ چقرمگی شکست مود ii (kiic) خالص، نمونه ها در شرایطی بارگذاری شده اند که از لحاظ تئوری پیش بینی می شود شکست برشی خالص را تجربه می کنند. اما نتایج نشان داده اند که در این شرایط عملاً بارگذاری مود ii خالص وجود ندارد بلکه همواره مولفه ای از مود i نیز اعمال می شود. در نتایج عددی نیز نمونه hccd در مقایسه با نمونه ی ccnbd مقادیر چقرمگی شکست کمتری بدست می دهد با این تفاوت که در روش عددی این اختلاف چشمگیرتر است. بطور کلی، روش عددی مقادیر چقرمگی شکست را بالاتر از نتایج تجربی تعیین کرده است. با این حال بهترین هماهنگی های روش عددی با نتایج تجربی، از بین مرمریت ها، مودهای بارگذاری و نمونه های آزمایشگاهی به ترتیب در نیریز، مود i خالص و hccd مشاهده می شود.