مدلسازی گسترش ترک در سنگ تحت بارگذاری سیکلی

درزه ها و ترک ها جزء لاینفک سازه های سنگی بوده که بر اساس نوع کاربری سازه تحت تأثیر مجموعه ای از بارهای استاتیک و دینامیک قرار می گیرند. یکی از مهمترین عامل گسیختگی سازه های سنگی گسترش همین درزه ها و ترک های موجود در سنگ می باشد. این مساله در مورد سازه هایی که تحت تأثیر بارهای سیکلی قرار دارند بیش از سایر سازه ها اهمیت دارد زیرا شکست تحت تأثیر بارهای سیکلی یا شکست خستگی در سطوح بارگذاری پایین تر از حد تسلیم سنگ و بدون هیچ پیش آگهی و نشانه ای صورت می‎گیرد. هدف از تحقیق حاضر، بررسی مکانیزم شکست خستگی سنگ ها با درجات مختلف شکنندگی و در شرایط مختلف بارگذاری می باشد. بخش عمده بررسی های انجام شده در این تحقیق به صورت مطالعات آزمایشگاهی بوده و در برخی از موارد از مدلسازی عددی برای تحلیل حساسیت پارامترهای موثر بر شکست سنگ استفاده شده است. در بخش اول تحقیق، مکانیزم شکست نمونه های cscbd تحلیل شده و تاثیر طول و زاویه تمایل ترک نسبت به راستای بارگذاری به صورت آزمایشگاهی و عددی (با نرم افزار pfc-2d) مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه با انجام آزمایش های خستگی روی نمونه های cscbd مکانیزم شکست این نمونه ها ارزیابی شده است. همچنین برای بررسی بیشتر مکانیزم شکست خستگی نمونه های cscbd از نرم افزار franc-2d بهره گرفته شده است. پس از راستی آزمایی نتایج مدلسازی عددی با نتایج آزمایشگاهی و روابط تحلیلی، تاثیر زاویه تمایل ترک نمونه های cscbd به صورت عددی شبیه سازی و ارزیابی شده است. بررسی مکانیزم شکست خستگی سنگ ها با درجات مختلف شکنندگی از دیگر بخش های این تحقیق بوده که برای انجام آن نمونه های secbd از سه سنگ اونیکس، ماسه سنگ و سنگ آهک نرم تهیه شده است. همچنین در برخی از آزمایش های انجام شده امواج صوتی ساطع شده از نمونه ها در حین بارگذاری با دستگاه ae ثبت شده و و با تحلیل امواج ثبت شده، انواع ریزترک های ایجاد شده در نمونه ها از لحاظ کیفی و کمی مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه تاثیر فرکانس بار سیکلی بر طول عمر خستگی سه نوع سنگ گرانیت، اونیکس و سنگ مصنوعی ساخته شده با گچ و سیمان تحلیل و ارزیابی شده است. بررسی فرآیند های فیزیکی ـ مکانیکی مرتبط با گسیختگی نمونه های سنگی تحت نرخ بارگذاری مختلف از دیگر بخش های این تحقیق می باشد که با اعمال بارگذاری یکنواخت در نرخ های مختلف بارگذاری به نمونه های برزیلی از جنس ماسه سنگ و ثبت امواج صوتی ساطع شده از آنها تحلیل و شناسایی شده است. مجموعه آزمایش های انجام شده نشان می دهد که میزان شکنندگی سنگ ها تاثیر بسزایی بر مکانیزم شکست خستگی آنها دارد. تحلیل امواج صوتی ثبت شده از سنگ ها در حین بارگذاری بیانگر این واقعیت است که افزایش شکنندگی سنگ ها از یک طرف باعث افزایش تعداد ریزترک ها در سنگ شده و از طرف دیگر میزان ترک های کششی سنگ ها را افزایش می دهد. افزایش نرخ بارگذاری نیز از عوامل تاثیرگذار بر مکانیزم شکست سنگ ها می باشد به طوریکه با افزایش نرخ بارگذاری، پدیده انشعاب ترک در نمونه ها اتفاق افتاده و همچنین ممکن است از میزان ریز ترک های کششی ایجاد شده در نمونه ها کاسته شده و بر تعداد ریزترک های برشی افزوده شود؛ این مساله باعث افزایش مقاومت شکست دینامیک سنگ ها نسبت به مقاومت شکست استاتیک آنها می شود. افزایش فرکانس بارگذاری سیکلی تاثیری بر طول عمر خستگی سنگ ها ندارد. این مساله در مورد سه نوع سنگ با درجه شکنندگی مختلف صادق بوده و لذا شکنندگی سنگ ها تأثیری بر روی این موضوع ندارد