مدلسازی عددی رشد ترک در سنگ های آنیزوتروپ

آنیزوتروپی یکی از مهمترین شاخصه های سنگ های رسوبی و دگرگونی می باشد که در پایداری فضاها تأثیر گذار بوده و بایستی در طراحی ها در نظرگرفته شود. از اینرو نیاز به بررسی های گسترده ای برای شناسایی اثر آنیزوتروپی در رفتار مکانیکی و مقاومت سنگ وجود دارد. مدلسازی عددی یک ابزار مهم در طراحی ساختارها و تحلیل پایداری به شمار می رود. روشهای عددی که قادر به شبیه سازی فرآیند ترک خوردگی در سنگ هستند، می توانند شکست، تمرکز و گسترش ریزترک ها را در اطراف فضا پیش بینی کنند. در این تحقیق از روش المان مجزا و نرم افزار pfc به دلیل توانایی آن در شبیه سازی صریح شکستگی، جهت مدلسازی سنگ ایزوتروپ عرضی و رفتارنگاری شکست آن تحت فشارهای تک محوره و سه محوره استفاده گردید. بدین منظور اثر جهت آنیزوتروپی بر مقاومت شکست نمونه های ایزوتروپ عرضی مورد تحقیق قرار گرفت. همچنین جهت بررسی اثر ترک باز، به عنوان عاملی موثر در کاهش مقاومت ماده ی سنگ، با ساخت مدلهایی دارای ترک هایی در دو طول متفاوت و در زوایای مختلف، اثر این عامل نیز مورد بررسی قرار گرفت. از نیازهای نرم افزار pfc، کالیبره کردن آن با نتایج آزمایشگاهی است. پس از کالیبراسیون مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی تک محوره و سه محوره، میکروپارامترهای ورودی مدل عددی انتخاب گردید. صحت کالیبراسیون از تطبیق خوب نتایج تک محوره و سه محوره ی عددی با آزمایشگاهی مشخص شد. پس از تطبیق نتایج، مدل های عددی ترک دار نیز ساخته شد و آزمایشات تک محوره و سه محوره روی آنها نیز شبیه سازی گردید. برای این منظور 7 نمونه ی بدون ترک در زوایای لایه بندی از صفر تا 90 درجه بفواصل 15 درجه ای و 98 نمونه ی ترک دار در دو طول ترک 10 و 20 میلیمتری ساخته شده و در 4 فشار جانبی 0، 3، 6 و 9 مگاپاسکال تحت بار فشاری قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که روش المان مجزا قابلیت مدلسازی این نوع آنیزوتروپی را داشته و تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. همچنین نشان داده شد که مقاومت حداکثر سنگ ایزوتروپ عرضی به جهت صفحه ی آنیزوتروپی بستگی دارد. تغییرات مقاومت شکست نمونه های ایزوتروپ عرضی نسبت به زاویه ی لایه بندی آنها، منحنی هایی uشکل با شانه هایی نابرابر است که در زاویه ی لایه بندی صفر درجه، حداکثر مقدار و در زاویه ی 30 درجه کمترین مقدار را دارد. تغییرات مقاومت شکست نمونه های ترک دار نسبت به زاویه ی ترک نشان داد که افزایش زاویه ی ترک منجر به کاهش مقاومت نمونه ی ایزوتروپ عرضی شده و افزایش طول آن در زوایای بیشتر از 30 درجه ی ترک، مقاومت نمونه را بشدت کاهش می دهد. بررسی مرحله ای رشد ترک همچنین نشان داد که زاویه و موقعیت ترک از قبل موجود نقش مهمی در تعیین مسیر رشد ترک دارد. در نهایت مدلی برای پیش بینی مقاومت حداکثر فشاری نمونه های ایزوتروپ عرضی پیشنهاد شد.