مطالعه آزمايشگاهي انتشار ترك در نمونه‌هاي با درزه‌هاي بسته و باز تحت بارگذاري تك‌محوري

Experimental Research on Crack Propagation in Specimens with Open and Closed Crack Under Uniaxial Loading

چكيده- اين مطالعه به بررسي آزمايشگاهي رفتار نمونه‌هاي شبه سنگي داراي درز‌ه تحت بارگذاري تك‌محوري پرداخته است. تعدادي مدل فيزيكي درزه دار با سطح صاف و ناصاف با تركيب سيمان، گچ و آب با ابعاد 5×20×10 سانتي متر ساخته شده است. درزه ها به صورت باز و بسته در مركز نمونه و با سطح صاف و زبر (دندانه اره اي) قرار گرفته است. طول درزه ها برابر با 4، 5 و 6 سانتيمتر است كه با زواياي 30، 45 و60 درجه نسبت به محور بارگذاري قرار گرفته است. به منظور ايجاد درزه هاي زبر در نمونه ها از پروفيل هاي دندانه اره اي استفاده شد. نتايج بررسي هاي آزمايشگاهي حاكي از آن است كه بسته به طول و شيب قرارگيري درزه بسته يا باز دو نوع ترك (باله اي و ثانويه) از نوك ترك تعبيه شده در نمونه منتشر مي شود. انتشار ترك هاي ثانويه پس از ايجاد ترك‌هاي باله اي رخ مي دهد. با افزايش تنش داخلي ناشي از بارگذاري تك محوري در نمونه، ابتدا تمركز تنش كششي و سپس تمركز تنش برشي در نوك درزه باز ايجاد مي شود. انتشار ترك از نوك نمونه نشان مي‌دهد كه تمركز تنش در نوك درزه مي‌باشد و قطعاً در ساير قسمت هاي اين درزه ناهموار و دندانه اره اي تمركز تنش كم تر از نوك درزه بوده است. در درزه هاي بسته با كاهش زاويه درزه نسبت به افق (عمود بر محور بارگذاري) محل شروع انتشار ترك باله‌اي از نوك درزه به سمت مركز درزه منتقل و تمركز تنش كششي در مركز نمونه بيش تر از اطراف نمونه مي‌شود. شيب قرارگيري، طول، باز و بسته بودن درزه بر تنش شروع تركها موثر مي باشد. تنش شروع ترك باله‌اي با زاويه درزه از قبل موجود نسبت به محور بارگذاري رابطه مستقيم و با طول درزه رابطه معكوس دارد. در شرايط يكسان تنش شروع انواع ترك ها در درزه-هاي بسته بيش تر از باز است. در اين مطالعه همچنين به عوامل موثر در انتشار ترك هاي ثانويه پرداخته شد. نتايج نشان مي دهد كه در انتشار ترك هاي ثانويه شيب درزه و هم‌چنين ميزان فاصله نوك ترك از لبه نمونه تعيين كننده است. در صورتي كه كوچك ترين فاصله ميان نوك ترك و لبه نمونه (s) و عرض نمونه (b) ناميده شود، در نمونه هايي كه شيب درزه برابر با 30 درجه و نسبت كوچك تر از 3/0 است، ترك هاي ثانويه از نوك درزه از قبل موجود شروع به انتشار نموده و تا لبه نمونه منتشر مي شوند.

An attempt in this paper has been made to experimentally investigate the behavior of rock like pre-cracked samples under uniaxial loading. To reach that aim, several physical models made up mixture of cement, gypsum and water with 5×10×20 cm of dimensions which contained open and closed joints with rough and smooth surface. Open and closed joints with rough and smooth surfaces were located in the center of samples. Open and closed joints with 4, 5 and 6 cm of lengths and 30, 45 and 60 degree of angles relative to loading direction were located in the center of samples. Saw cut profiles were used to make a roughness in the specimens. Experimentally results illustrate that depend on length and angle of closed or open joints, two types of cracks (wing and secondary cracks) propagated from the tips of pre-existing joints. Secondary cracks propagated after than wing cracks. With increasing internal stress due to loading, tensile stress concentration were happened earlier than shear stress concentration at the tips of pre-existing open cracks. Propagation of cracks from the tips of joint proved stress concentration was larger than another part of joints. In fact stress concentration in the central part of joint is more than joint tips. Location of crack propagation changed into the central part of joint with decreasing of closed joints angle relative to horizontal direction so stress concentration in the center more than another part of closed joints. Crack initiation stress depends on length, dip and closed or open state of joints. Wing crack initiation stress proportional to joint angle relative to loading axis and inversely proportional to joint length. In the Similar circumstances Initiation stress for closed joints more than open joints. In this research, effective parameters on secondary crack propagation were investigated. The experimental results reveal that secondary crack propagation depends on joint dip and distance between crack tips and sample sides. If minimum distance between crack tips and sample sides called (s) and width sample called (b) then for the specimens with 30 degree of dip angle and ratio secondary cracks propagated from crack tips to sample sides.