مكانيك شكست مود مركب نمونه هاي ديسك برزيلي تركدار مركزي (CSTBD) به روش هاي عددي و آزمايشگاهي

MIXED-MODE FRACTURE MECHANICS OF CSTBD: NUMERICAL an‎d EXPERIMENTAL STUDIES

تركهاي موجود در سنگ يكي از مهمترين نقشها را در رفتار سنگ ايفا ميكنند. مقاومت شكست به عنوان عامل مهم با ترك سنگ نيز ارتباط دارد. در اين مقاله عوامل شكست مود مركب نمونه درست شده از مصالح گچ با استفاده از تحليلهاي المان محدود و آزمايش ديسك برزيلي با ترك مركزي مطالعه شده است. با توجه به راستاي ترك نسبت به اعمال نيرو، آزمايش از صفر درجه (مود I) و با تغييرات 15 درجه اي براي مودهاي مركب و حداقل سه نمونه براي هر زاويه انجام شده است. تحليلهاي المان محدود توسط نرم افزار (Abaqus 6-13) و با استفاده از روش انتگرال J جهت تعيين ضريب شدت تنش بيبعد براي تمام زواياي بارگذاري صورت گرفته است. نتايج تحليلها بيانگر تأثير وجود ترك (كاهش 60 تا 80 درصدي مقاومت) و شيب ترك در نمونه مطالعه شده ميباشد. چقرمگي شكست مود I در نتيجه انرژي كرنشي رهايي مود I تا زاويه حدود 27 درجه كاهش و سپس افزايش مييابد در حاليكه براي مود II اين مقادير افزايش و سپس كاهش مييابد. انرژي كرنشي رهايي كل با افزايش زاويه، افزايش مييابد. همچنين رابطه چند جمله اي درجه 1 براي تعيين ضرايب شدت تنش بيبعد مود I بر حسب طول ترك به شعاع نمونه حاصل شده است.

Rock mediums commonly contain many cracks. These cracks control the mechanical behavior of rock masses. In this paper, mixed mode fracture tests have been conducted on prepared gypsum Cracked Straight Through Brazilian Disc (CSTBD) specimens to investigate the fracture behavior of gypsum under compressive loads condition. Six different crack orientation angles (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, and 90°) with regard to the loading direction were considered. At least, three samples for each angle have been carried out and average reported. 2D finite element simulations of CSTBD specimens containing a crack were performed under considerations using ABAQUS software. The interaction J-integral method was used to separate the stress intensity factors at the crack-tip under different mode conditions. Using experimentally measured critical loads and finite element results, pure mode I and mixed mode critical stress intensity factor and associated critical strain energy release rate were obtained and discussed. The results show that in specimens containing a crack with the length of 1/3 of specimen diameter, related to the crack inclination, the compressive strength of cracked specimens 60 to 80 percentage decreases in comparison to the un-cracked specimen. The specimen with flat crack show highest strength and the 45 degree cracked specimen show lowest strength. The results indicate changing the mode of fracture from mode I (0°, opening mode) to mixed mode (tension- shear for angle approximately less than 27° and compression-shear for angle approximately greater than 27°) by rotating the crack inclination angle with respect to the loading direction. Mode I fracture toughness (critical stress intensity factor, consequently critical strain energy realest rate) decreases from 0° to approximately 27° and then begins to increase while for mode II, it is increasing up to approximately 27° and then decreases and reaches 0 at 90°. However, total energy release rate increases by increasing loading angle. Finally, the third order equation to determine none- dimensional stress intensity factors for mode I have been obtained.