بررسی پارامترهای شکست سنگ در نمونه دیسک ترک دار با سوراخ مرکزی تحت شرایط بارگذاری شبه استاتیکی

احمدیان, حسن; باغبانان, علیرضا; هاشم الحسینی, حمید

doi:10.30479/jmre.2019.9429.1182

بررسی پارامترهای شکست سنگ در نمونه دیسک ترک دار با سوراخ مرکزی تحت شرایط بارگذاری شبه استاتیکی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکترا، گروه مهندسی معدن، مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

² دانشیار، گروه مهندسی معدن، مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

³ دانشیار، گروه مهندسی عمران-ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

10.30479/jmre.2019.9429.1182

چکیده

آزمایش‌ها نشان داده است که پارامترهای شکست سنگ با نرخ بارگذاری تغییر می‌کنند. در این مطالعه خواص میکروساختاری دو نوع مرمریت با استفاده از سه روش میکروسکوپی شامل مقطع نازک پتروگرافی، تکنیک جایگزینی رنگ فلورسنت و روش پراکنش میکروسکوب الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از روش آزمایشگاهی رفتار شکست دو نوع سنگ کریستالین با تغییر خواص میکروساختاری مطالعه شد. نمونه دیسک ترک‌دار با سوراخ مرکزی برای تعیین پارامترهای شکست سنگ انتخاب شد و برای اعمال بارگذاری متغیر دستگاه تراکم هیدرولیکی مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای شکست سنگ با استفاده از دوربین سرعت بالا و مدار الکترونیکی برای پایش ترک اندازه‌گیری و محاسبه شد. تغییرات چقرمگی، سرعت گسترش ترک و بازشدگی نوک ترک با تغییر نرخ بارگذاری در محدوه بارگذاری شبه استاتیکی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. تفاوت خواص میکروساختاری مرمریت‌ها با تعیین ابعاد دانه‌بندی و فراوانی میکروترک‌ها در هر سه روش در دو نوع مرمریت مشخص شد. افزایش چقرمگی شکست و سرعت گسترش ترک با افزایش نرخ بارگذاری در دو مرمریت با خواص میکروساختاری متفاوت از نتایج این مطالعه است. همچنین نتایج این کار نشان داد چقرمگی شکست نمونه‌های باغات (درشت دانه‌تر و با میکروترک کمتر) از چقرمگی شکست نمونه‌های مارون (ریز دانه‌تر و با میکروترک بیشتر) بالاتر است و اختلاف در میزان چقرمگی با افزایش نرخ بارگذاری افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مکانیک سنگ

عنوان مقاله [English]

Investigation Of Rock Fracture Parameters With Hollow Center Cracked Disc Under Quasi-Static Loading Condition

نویسندگان [English]

H. Ahmadian ¹
A. Baghbanan ²
H. Hashemolhosseini ³

¹ PhD Student, Dept. of Mining Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

² Associate Professor, Dept. of Mining Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

³ Associate Professor, Dept. of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

چکیده [English]

Experiments have indicated that the fracture properties of rocks change with variations of loading rate. In this study, the microstructural properties of two marbles are characterized by three different microscopic techniques including petrographic thin sections method, fluorescent replacement technique, and scanning electron microscopy (SEM). An experimental investigation is conducted to study the quasi-static fracture behavior in different microstructural features of crystalline rocks. The hollow center cracked disc (HCCD) method is employed to determine the fracture parameters with variations of loading rates using a hydraulic machine. Microscopic studies on microstructure deficits reveal that fractal dimension in Maroon marble is higher than in Baghat marble. Variations of toughness, crack propagation speed, and crack tip opening displacement (CTOD) with changes of loading rate are also investigated. The results indicate that toughness and crack propagation speed increase with loading rate, but the effect of microstructure in two marbles reduces the rate of growth. The fracture toughness in Baghat marbles is higher than in Maroon marble, and difference of fracture toughness is magnified with the loading rate.

کلیدواژه‌ها [English]

Fracture toughness
High-speed imaging technology
Fracture properties
Quasi-static loading

مراجع

[1] Gdoutos, E. (2005). “Fracture Mechanics An Introduction”. Springer. ISBN 978-1-4020-3153-3.

[2] Xing, H. Z., Zhang, Q. B., Braithwaite, C. H., Pan, B., and Zhao, J. (2017). “High-Speed Photography and Digital Optical Measurement Techniques for Geomaterials: Fundamentals and Applications”. Rock Mechanics and Rock Engineering, 50(6): 1611-1659.

[3] Wong, L. N. Y., Zou, C., and Cheng, Y. (2014). “Fracturing and failure behavior of Carrara marble in quasi-static and dynamic Brazilian disc tests”. Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(4): 1117-1133.

[4] Song, B., Chen, W., and Frew, D. J. (2004). “Dynamic compressive response and failure behavior of an epoxy syntactic foam”. Journal of composite materials, 38(11): 915-936.

[5] Zhang, Q. B., and Zhao, J. (2014). “Quasi-static and dynamic fracture behaviour of rock materials: phenomena and mechanisms”. International Journal of Fracture, 189(1): 1-32.

[6] Lim, I. L., Johnston, I. W., and Choi, S. K. (1993). “Stress intensity factors for semi-circular specimens under three-point bending”. Engineering Fracture Mechanics, 44(3): 363-382.

[7] Bieniawski, Z. T. (1967). “Mechanism of brittle fracture of rock: Part I—theory of the fracture process”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 4(4): 395-406.

[8] Bieniawski, Z. T. (1967). “Stability concept of brittle fracture propagation in rock”. Engineering Geology, 2(3): 149-162.

[9] Fatehi Marji, M. (2013). “On the use of power series solution method in the crack analysis of brittle materials by indirect boundary element method”. Engineering Fracture Mechanics, 98: 365-382.

[10] Haeri, H., Khaloo, A., and Marji, M. F. (2015). “Experimental and Numerical Simulation of the Microcrack Coalescence Mechanism in Rock-Like Materials”. Strength of Materials, 47(5):740-755.

[11] Shiryaev, A., and Kotkis, M. (1982). “Methods for determining fracture toughness of brittle porous materials”. Industrial Laboratory, 48(9): 917–918.

[12]Amrollahi, H., Baghbanan, A., and Hashemolhosseini, H. (2011). “Measuring fracture toughness of crystalline marbles under modes I and II and mixed mode I–II loading conditions using CCNBD and HCCD specimens”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48(7): 1123-1134.