بررسی مکانیزم شکست دیسک‌های شبه سنگی حفره‌دار در آزمون برزیلی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران

2 استاد، دانشکده مهندسی معدن، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران

چکیده

بررسی  و شناخت رفتار تغییر شکل نمونه‌های سنگ ترد در طول بارگذاری و تاثیر آن در مکانیزم آسیب و توسعه آن حایز اهمیت است. روش‌های مختلفی برای رفتارنگاری آسیب و شکست مصالح ارایه و بسط داده شده است. از بین آن‌ها، روش انتشار آوایی به علت داشتن ویژگی‌های منحصربه‌فرد و توانایی رفتارنگاری جامع در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در این تحقیق، مکانیزم شکست نمونه‌های شبه‌سنگی حفره‌دار با استفاده از آزمون برزیلی توصیف شده است. هدف این مقاله، بررسی مکانیزم شکست و تاثیر آن روی مقاومت کششی با استفاده از دو روش عددی المان مجزا (DEM) با نرم‌افزار UDEC و اجزای محدود (FEM) با نرم‌افزار RFPA است. در این تحقیق، تاثیر اندازه و موقعیت قرارگیری حفره‌ها بر الگوی شکست و مقاومت کششی نمونه بررسی شده است. بدین منظور، تعدادی مدلسازی عددی با تخلخل‌های مختلف برای شبیه‌سازی آزمون برزیلی انجام شد. شکست کششی معمولا از بالا یا پایین حفره شروع می‌شود و ترک‌ها تا سطح تماس نمونه و فک، گسترش می‌یابند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که مدل‌های ساخته ‌شده با نرم‌افزار UDEC و RFPA از لحاظ الگوی شکست و رشد ترک با آزمون‌های آزمایشگاهی، مطابقت قابل قبولی دارند. همچنین با افزایش تخلخل، مقاومت کششی، رخداد آوایی و انرژی تولید شده به‌ صورت نمایی کاهش می‌یابند. مدلسازی عددی، مقدار مقاومت کششی نمونه‌های شبه سنگی را به دلیل حل کرنش مسطحه، کمتر از آزمون‌های آزمایشگاهی تخمین می‌زند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An appraisal of Fracture Mechanism of Pseudo-Rock Samples using Brazilian Test

نویسندگان [English]

  • H. Sarfaraz 1
  • A. Majdi 2
1 M.Sc of Rock Mechanic Student, School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran
2 Professor, School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

Characterisation of the deformation behavior of the brittle rocks during loading plays a significant role on rock damage growth. There are a variety approaches to monitor the damage development. Among which the method of Acoustic Emission, due to its accountability, has attracted many researchers’ attention in recent years. The paper describes fracture mechanism of pseudo-rock samples by using Brazilian Test results. Hence, evolution of crack growth and its effect on tensile strength is the prime objective of this research. The work has been performed numerically by using UDEC (Universal Distinct Element Method) and RFPA (Rock Failure Process Analysis) for DEM and FEM analyzes, respectively. The effect of size and position of the artificial voids in disc-type samples on their tensile strength have been investigated. On this basis, several numerical models were constructed and analyzed. Typically, tensile cracks were initiated at the bottom or at the top of the voids, and then propagated parallel to the loading axis and finally reached to the sample surface. The results obtained by numerical methods have been compared with those obtained by Brazilian laboratory tests. Crack initiation, propagation, and coalescence produced by the numerical models have proven very good conformity with the experimental tests’ results. Finally, it has been concluded that by increasing the porosity, the corresponding tensile strength, count, and energy required to brick the rock will decrease exponentially. However, due to plane strain analysis of numerical software, tensile strength is estimated less than that obtained experimentally.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fracture Mechanism
  • Rock Damage
  • Acoustic Emission
  • Tensile Strength
  • Brazilian Test

[1]     Grosse, C. U., and Ohtsu, M. (Eds.). (2008). “Acoustic emission testing”. Springer Science & Business Media.

[2]     Wong, R., Lin, P., and Tang, C. A. (2006). Experimental and numerical study on splitting failure of brittle solids containing single pore under uniaxial compression”. Mechanics of Materials, 38(1): 142–159.

[3]     Baud, P., Wong, T., and Zhu, W. (2014). Effects of porosity and crack density on the compressive strength of rocks”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 67: 202–211.

[4]     Oraee, K., Oraee, N., Goodarzi, A., and Khajehpour, P. (2016). “Effect of discontinuities characteristics on coal mine stability and sustainability: a rock fall prediction approach”. International Journal of Mining Science and Technology, 26(1): 65–70.

[5]     Peng, S.S. (2015). “Topical areas of research needs in ground control – a state of the art review on coal mine ground control”. International Journal of Mining Science and Technology,  25(1): 1–6.

[6]     Ke, C. C., Chen, C. S., and Tu, C. H. (2008). “Determination of fracture toughness of anisotropic rocks by boundary element method”. Rock Mechanics and Rock Engineering, 41: 509–538.

[7]     حـائری، ه.؛ 1390؛ "مـدلسـازی عـددی ارتبـاط بـین ترکهای میکرو با ترکهای ماکرو در مکانیسم شکست سـنگ بـا اسـتفاده از روش ناپیوســتگی جابـه جــایی؛ پایـان نامــه دکتــری". دانشـکده مهندسـی معــدن، دانشـگاه آزاد اســلامی واحـد علــوم تحقیقات، تهران.

[8]     Park, C. H., and Bobet, A. (2010). “Crack initiation, propagation and coalescence from frictional flaws in uniaxial compression”. Engineering Fracture Mechanics, 77: 2727–2748.

[9]     Lee, H., and Jeon, S. (2011). “An experimental and numerical study of fracture coalescence in precracked specimens under uniaxial compression”. International Journal of Solids and Structures, 48: 979-999.

[10]  Lin, P., Wong, R. H. C., and Tang, C.A. (2015). “Experimental study of coalescence mechanisms and failure under uniaxial compression of granite containing multiple holes”.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 77: 313–327.

[11]  Al-Harthi, A. A., Al-Amri, R. M., and Shehata, W. M. (1999). “The porosity and engineering properties of vesicular basalt in Saudi Arabia”. Engineering Geology, 54(3–4): 313–320.

[12]  Yu, F., Tham, L. G., and Lee, P. K. K. (2012). “Damage evolution of uniaxial compressed Hong Kong granite”. 22(12): 2027.

[13]  Zhao, X. G., Cai, M., Wang, J., and Ma, L. K. (2013). “Damage stress and acoustic
emission characteristics of the Beishan granite”.
International Journal of Rock Mechanics and
Mining Sciences, 64: 258-269.

[14]  Ji, M., Zhang, Y. D., Liu, W. P., and Cheng, L. (2014). “Damage evolution law based on
acoustic emission and Weibull distribution of granite under uniaxial stress”.
Acta
Geodynamica et Geromaterialia, 11(3): 269-278.

[15]  Li, H., Li, H., Gao, B., Jiang, D., and Feng, J. (2015). “Study of acoustic emission and
mechanical characteristics of coal samples under different loading rates”
. Shock and Vibration, 2015: 1-11.

[16]  Jie, C., Junwei, Z., Song, R., Lin, L., and Liming, Y. (2015). “Determination of Damage
Constitutive Behavior for Rock Salt Under Uniaxial Compression Condition with Acoustic
Emission”
. Open Civil Engineering Journal, 9: 75-81.

[17]   James, A. N. (2009). “Tensile Strength and Failure Criterion of Analog Lithophysal Rock”. George Washington University, Washington.

[18]  Lin, P., Wong, R. H. C., Tang, C. A. (2015). “Experimental study of coalescence mechanisms and failure under uniaxial compression of granite containing multiple holes”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 77: 313–327.

[19]  Itasca Consulting Group, (2014) UDEC- Universal Distinct Element Code, version 6.

[20] Hu, J., and Xu, N. (2011). “Numerical analysis of failure mechanism of tunnel under different
confining pressure”.
Procedia Engineering, 26: 107-112.

[21] Tang, C. A., and Hudson, J. A. (2010). “Rock failure mechanisms: explained and illustrated”. CRC press, 229-236.