استفاده از روش ناپيوستگي جابه‌جايي در تحليل مكانيسم انتشار ترك ها در مواد شبه سنگي

Analysis of Crack Propagation Mechanism in Rock-Like Specimens Using Displacement Discontinuity Method (DDM)

در طبيعت، مواد ترد سنگي ترك دار (ترك‌هاي از پيش موجود) معمولاً تحت بارگذاري فشاري قرار مي گيرند. مطالعه مكانيسم انتشار ترك ها در سنگ براي طراحي سازه هاي سنگي از اهميت ويژه اي برخوردار است. در اين تحقيق، مكانيسم شروع، گسترش و بهم پيوستگي ترك هاي از پيش موجود در مدل‌هاي عددي و نمونه هاي شبه سنگي تحليل شده است . همچنين، تاثير زاويه ترك بر تنش شروع رشد ترك، تنش بهم پيوستگي و زاويه شروع رشد ترك مورد بحث قرار گرفته است. روش عددي بكارگرفته شده ناپيوستگي جابه‌جايي به همراه المان‏هاي مرتبه بالا (المان‏هاي كوادراتيك) است كه يكي از زير مجموعه هاي روش المان مرزي غير مستقيم مي‌باشد. نمونه هاي آزمايشگاهي از مواد شبه سنگي ( تركيبي از سيمان، ماسه و آب) تهيه شده‌اند و در آن‌ها ترك هاي از پيش موجود با زواياي مختلف و فاصله داري يكسان نسبت به همديگر ايجاد شده است. با بارگذاري محوري اين نمونه ها تنش شروع ترك، تنش شكست و مسير انتشار و بهم پيوستگي ترك ها تعيين گرديده است.. اثر زاويه ترك‌هاي اوليه نسبت به همديگر باعث تغيير مسير بهم پيوستگي و مسير نهايي شكست مي‌گردد. بر اساس نتايج بدست آمده از آزمايشات و مدل‌سازي عددي، ترك‌هاي باله‌اي ابتدا شروع به انتشار مي‌كنند و نقش اصلي را در شكست نهايي نمونه‌هاي شبه سنگي دارند، اما امكان تشكيل شدن ترك‌هاي ثانويه از نوك ترك‌هاي از پيش موجود وجود دارد. مقايسه نتايج عددي و آزمايشگاهي نشان مي دهد كه روند انتشار و بهم پيوستگي ترك ها از تطابق بسيار خوبي برخوردار هستند.

The rocks with pre-existing cracks are normally under compression. Study of the propagation mechanism of these pre-existing cracks is important in the design of rock structures. In the present paper, a coupled numerical-experimental analysis of crack propagation, cracks coalescence and breakage process of brittle solids such as rocks and rock-like specimens are studied. The pre-cracked cylindrical specimens of rock-like materials (using specially made rock-like specimens from Portland Pozzolana Cement (PPC), fine sand and water) tested under compressive loading. Several tests accomplished on the rock-like specimens containing two cracks to evaluate the final breakage path in these samples. The effect of the orientations of these two cracks with a constant spacing on the crack propagation paths and cracks coalescence have been experimentally investigate. These results show that the changing in the orientation of the second crack affect the crack growth and coalescence paths. The same specimens simulated numerically by an indirect boundary element method known as displacement discontinuity method. The numerical and experimental results obtained from the tested specimens compared with each other and showing good agreements between the corresponding values. The accuracy, validity and effectiveness of these approaches are quite evident by comparing these experimental and numerical results.