نوع مقاله : علمی - پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار دانشگاه صنعتی همدان
2 دانشگاه صنعتی همدان
3 مدیر تحقیق و توسعه و کنترل کیفیت شرکت راهسازی و عمران ایران، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Investigation of behavior of non-persistent joint is important in rock structure stability. This leads to improvement in rock engineering project design. Rock bridges in non-persistent joint increase shear strength of failure surface. For investigation of shear behavior of rock bridge, 24 gypsum samples with dimension of 10 cm × 10 cm × 5 cm were prepared. The joint lengths in various samples are different but in the one sample the joint length are similar. Joint lengths change from 1 cm to 4 cm. in each joint length, joint angularity was 0, 15, 30, 45, 60, 75 degrees. These samples were tested under uniaxial compression test. The results show that failure pattern was affected by joint length, joint angularity and rock bridge length while failure load was controlled by failure pattern.
Concurrent with experimental test, numerical simulation was performed using PFC2D software. The joint lengths in numerical model change from 1cm to 4 cm with increment of 1cm. In each joint length, the joint angularity is 0° and 45°. Failure pattern in numerical model was similar to experimental sample while failure load in numerical model was more than experimental outputs.
کلیدواژه‌ها [English]
مدلسازی آزمایشگاهی و عددی تاثیر درزههای ناممتد بر الگوی شکست و نیروی شکست نمونهها
وهاب سرفرازی1[*]، محمد غفاری2، هادی حایری3
1سرفرازی، وهاب*استادیار دانشگاه صنعتی همدان،vahab.sarfarazi@gmail.com
2غفاری، محمد پژوهشگر دانشگاه صنعتی همدان،sarfarazi@hut.ac.ir
3حایری، هادی مدیر تحقیق و توسعه و کنترل کیفیت شرکت راهسازی و عمران، تهران، ایران haerihadi@gmail.com
(دریافت: 07-09-1396، پذیرش: 16-11-1397)
چکیده
مطالعه رفتار گسیختگی درزههای ناممتد با توجه به نقش آنها در توسعه ناپایداریهای موضعی و کلی در ساختارهای سنگی بسیار مهم است. مطالعه این درزهها بهبود طراحی در پروژههای مهندسی را به ارمغان میآورد. وجود درزههای ناممتد در تودههای سنگ، ضمن تشکیل ساختارهایی به نام پلسنگ، مقاومت برشی را افزایش میدهد.برای مطالعه تاثیر درزههای ناممتد بر رفتار برشی پلسنگ، بارگذاری تکمحوره روی 24 نمونه گچی حاوی درزههای ناممتد به ابعاد 5×10×10 سانتیمتر انجام شد.هر نمونه شامل 4 درزه ناممتد است. در نمونههای مختلف طول درزهها متفاوت ولی در یک نمونه طول درزهها یکسان است. طول درزهها در نمونههای مختلف برابر 1،2،3 و4 سانتیمتر است. در نمونه با طول درزه یکسان، زاویهداری درزهها عبارت از 0، 15، 30، 45، 60 و 75 درجه است.نتایج نشان میدهد مادامی که نیروی شکست نمونهها تابع الگوی شکست مدل است،الگوی رشد ترک تحت تاثیر طول درزه، زاویهداری درزه و طول پلسنگ قرار دارد. همزمان با انجام آزمونهای آزمایشگاهی، شبیهسازیهای عددی با نرمافزار PFC2D انجام شد. مشابه نمونههای آزمایشگاهی، مدلهای عددی دارای طول درزه 1،2،3 و4 سانتیمتر است که در هر طول درزه، زاویهداری درزه 0 و45 درجه است. مادامیکه نیروی شکست نمونههای عددی بیشتر از نمونههای آزمایشگاهی است، الگوی شکست مدلهای عددی و نمونه آزمایشگاهی یکسان است.با توجه به یکسان بودن نتایج نرمافزارPFCبا نتایج آزمایشها میتوان نمونههایی که در آزمایشگاه قابل ساخت نیست را به صورت عددی مدلسازی و نتیجهگیری کرد.
واژههای کلیدی
درزههای ناممتد، رشد ترک، پلسنگ، بارگذاری تکمحوره،PFC2D.
درزههای ناممتد نقش مهمی در مکانیزم شکست تودهسنگ دارند وممکن است در رشد و گسترش ترک تاثیرگذار باشند]1و2[. افزایش شدت تنش در نوک این درزهها ممکن است منجر به رشد ترکهای ثانویه از این نواحی شود. پیشروی و اتصال ترکهای ثانویه به یکدیگر و به درزههای اطراف، باعث کاهش مقاومت تودهسنگ میشود]3 و 4[. ونگ مقاومت برشی و الگوی شکست نمونههای مصنوعی و طبیعی حاوی درزههای ناممتد را تحت برش مستقیم و الگوی شکست نمونههای مصنوعی و طبیعی حاوی درزههای ناممتد را تحت برش مستقیم مطالعه کرد. نتایج نشان داد که الگوی شکست با فاصلهداری نوک درزهها کنترل میشود و مقاومت برشی به الگوی شکست وابسته است]5[.قزوینیان و همکاران، آنالیز کاملی از رفتار برشی درزههای ناممتد بر اساس تغییر در امتدادیافتگی پلسنگ انجام دادند. نتایج نشان داد که حالت و مکانیزم شکست پلسنگ، تحت تاثیر امتدادیافتگی پلسنگ قراردارد]6[.ژانگ و همکاران با مدلسازی عددی، الگوی شکست برشی درزههای ناممتد را شبیهسازی کردند و نشاندادند که با افزایش فاصلهداری درزهها،الگویشکستتغییرمی‌کند]7[.قزوینیانوهمکاران،با یک جریاندرزهدوبعدی،رفتاربرشیدرزههایناممتدرا مدلسازی کردند. نتایجنشاندادکهباافزایش طولپلسنگتعدادنوارهایبرشیکهمنجربهگسیختگیپلسنگمیشود،افزایشمییابد]8[.بوبتوانیشتین، یکپارچگیترکدرموادشبهسنگیحاویجفتدرزهناممتدبازوبستهتحت‌فشارتک‌محوره را موردکاوشقراردادند. اینتحقیقنشاندادکهمقاومتپلسنگمحصوربینجفتدرزه‌هایبستهبیشترازمقاومتپلسنگمحصوربینجفتدرزه‌هایباز است]9[.لاجتای، آزمایشبرشمستقیمراروینمونه‌هایسنگطبیعیکه دارایدودرزهناممتدصفحه‌ایبودند،انجامداد.آزمایشنشاندادکهدرابتداترک‌هایکششیدرنوکدرزه‌هاایجادمی‌شوندودرطیآزمایشترک‌هایبرشیباعثیکپارچگیدرزه‌هایناممتد میشوند. همچنیننتایجحاکیازاینبودکهباافزایشتنشنرمال،مودشکستازکششیبهبرشیتغییرمی‌کند]10[.شن، بوبت و ونگ پیشروی و یکپارچگی ترک را در نمونههای سنگیوشبهسنگیحاویدرزههایناممتدبازتحت‌فشارتک‌محورهموردمطالعهقراردادند. الگویشکستمشترکدرایننمونه‌هاعبارت استازترکهایباله‌ایکهدرنوکدرزههاایجادمی‌شوندو دریکمسیرمنحنیشکلباافزایشبارپیشرویمیکنند.ترک‌هایباله‌ای،ترک‌هایکششیاند کهدر یک وضعیت پایداررشدمی‌کنندوبرایپیشرویبهافزایشبارگذاری نیاز دارند ودوم،ترک‌هایثانویهویاترک‌های برشیکهدر نوکدرزه‌هاایجادمی‌شوند.دومسیردرامتداددرزههایاولیه و با شیبیمشابهباترکهایبالهایامادرجهتمخالف برایادامهپیشرویترک‌هایثانویهوجوددارد] 11، 12، 13، 14[.موغیدا، یکپارچگیترکرادرنمونههایشبهسنگی حاوی درزه‌هایناممتدبازهم‌پوشانوغیرهم‌پوشانتحت‌فشارتک‌محورهودومحوره بررسی کرد. آزمایش‌هانشاندادکه زمانیکهدرزه‌هایناممتددروضعیتهم‌پوشانقراردارند، شکستکششیدرپلسنگایجاد میشود وباغیرهم‌پوشان شدندرزه‌ها، تمایلبهشکستترکیبیوبرشیدرپلسنگافزایشمی‌یابد.نتایجآزمایشدومحورهنیزحاکیازآنبود کهباافزایشفشارجانبی، ترکهایبرشیویاترکیبیدرشکستپلسنگتاثیرگذارند]15و 16[.دراینمقالهبااستفادهاز مطالعات آزمایشگاهی و عددی، اثر زاویهداری درزههای ناممتد و طول درزهها بر الگوی شکست و بار شکست نمونههاتحت بارگذاری تکمحوره مطالعه شده است.
تعداد 24نمونهآزمایشبه‌صورتبلوک‌هایمکعبی به ابعاد 5×10×10 سانتیمتر با استفاده از گچ تهیه‌شده است. برای ساخت قالبها و ایجاد درزه، پروفیلهایی از جنس گالوانیزه به‌نحوی‌که به‌سادگی امکان استفاده از آنها فراهم باشد و به نمونه آسیبی نرسد به‌صورت شکل 1 تهیه میشود. ابعاد قالب 10´10´10 سانتیمتر است. در کف این قالب فوم با ابعاد 5´10´10 سانتیمتر قرار میگیرد. این فوم برای جایگذاری تیغهها درون آن، تعبیه شده است. در هر مرحله چهار تیغه با طولهای یکسان1، 2، 3 و 4 سانتیمترو زاویهداریهای 0، 15، 30، 45، 60 و 75درجه درون قالب جای میگیرد. روند ساخت نمونهها بدین شرح است که ابتدا 770 گرم گچ داخل یک لیتر آب حل میشود، پس از گذشت 4 دقیقه که گچ خود را گرفت، سطح داخلی قالب و پروفیلها اندود از مایع ظرفشویی میشود تا نمونه به قالب و پروفیل نچسبد و به‌راحتی جدا شود. سپس دوغاب گچ درون قالب ریخته میشود. پس از 10 دقیقه پروفیلها از داخل نمونه خارج و 50 دقیقه بعد نمونهها از قالب خارج میشوند.به طور کلی 24 نمونه با ابعاد 5´10´10 سانتیمتر، طول درزه(a) 1، 2، 3، و 4 سانتیمتر و زاویهداری 0، 15، 30، 45، 60 و 75 آمادهسازی شد. شکل 2 نمای شماتیکی از نمونههای با درزهداریهای مختلف را نشان میدهد.
(الف)
(ب)
شکل1-الف- قالب مورد استفاده برای ساخت قالب، ب-پروفیلهای مورداستفاده به‌عنوان درزه
|
(الف) |
(ب) |
(پ) |
|
(ت) |
(ث) |
(ج) |
شکل 2- نمونه با طول درزه(a) 1، 2، 3 و 4 سانتیمتر و زاویهداری الف) 0، ب)15،پ)30،ت)45،ث)60 وج)75
|
|
درجه
برای مطالعه رفتار تکمحوره نمونه حاوی درزههای ناممتد، آزمایش بارگذاری تکمحوره با آهنگ بارگذاری 05/0 میلیمتر/ دقیقه انجام شد (شکل3).
شکل 3- ماشین تک محوره
4-1-رشد ترک در نمونههای با طول درزه 1 سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45، 60 و 75 درجه
الگوی شکست 6 نمونه که هر یک دارای 4 درزه یک سانتیمتری و زاویهداری0، 15، 30، 45، 60 و 75 درجه است در شکل 4 نشان داده شده است. به طورکلی دو نوع شکست در نمونهها مشاهده میشود. شکست نوع اول از درون نواحی بکر است و درزهها تاثیری در پروسه شکست ندارد (شکل 4- الف و ب) و در شکست نوع دوم علاوه بر آسیب نواحی بکر سنگ، درزههای مجاور به یکدیگر متصل میشوند (شکل 4-پ، ت ، ث و ج).
|
(الف) |
(ب) |
(پ) |
|
(ت) |
(ث) |
ج) |
شکل 4- نمونههای شکسته شده با طول درزه یک سانتیمتر و زاویه‌های الف)0، ب) 15،پ) 30،ت) 45،ث) 60 وج) 75 درجه
4-2- رشد ترک در نمونههای با طول درزه 2 سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45 و 60 درجه
الگوی شکست در 5 نمونه که هرکدام دارای 4 درزه با طول 2 سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45 و60 درجهاند در شکل 5 نشان داده شده است. به طورکلی دو نوع شکست در نمونههامشاهده میشود. شکست نوع اول از درون نواحی بکر است و درزهها تاثیری در پروسه شکست ندارد (شکل 5- الف و ب) و در شکست نوع دوم علاوه بر آسیب نواحی بکر سنگ، درزههای مجاور به یکدیگر متصل میشوند (شکل 5-پ، توث).
4-3- رشد ترک در نمونههای با طول درزه 3 سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45، 60 و 75 درجه
الگوی شکست در 6 نمونه که هرکدام دارای 4 درزه با طول 3سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45، 60 و 75درجه است در شکل 6 نشان داده شده است. در این آرایه یک الگوی شکست غالب مشاهده میشود. به طورکلی علاوه بر آسیب نواحی بکر سنگ، درزههای مجاور به یکدیگر متصل میشوند.
4-4- رشد ترک در نمونههای با طول درزه 4 سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45و 75 درجه
الگوی شکست در 5 نمونه که هرکدام دارای 4 درزه با طول 4سانتیمتر و زاویهداری0، 15، 30، 45 و75درجه است در شکل 7 نشان داده شده است. در این آرایه نیز یک الگوی شکست قابل مشاهده است. به طورکلی علاوه بر آسیب نواحی داخلی بکر سنگ، درزههای مجاور به یکدیگر متصل میشوند.
|
(الف) |
(ب) |
(پ) |
|
(ت) |
(ث) |
|
شکل 5- نمونههای شکسته شده با طول درزه 2 سانتیمتر و زاویه‌های، الف)0، ب) 15،پ) 30،ت) 45 وث) 60 درجه
|
(الف) |
(ب) |
(پ) |
|
(ت) |
(ث) |
(ج) |
شکل 6- نمونههای شکسته شده با طول درزه 3 سانتیمتر و زاویه‌های، الف)0، ب) 15،پ) 30،ت) 45، ث) 60 وج) 75 درجه
|
(الف) |
(ب) |
(پ) |
|
(ت) |
(ث) |
|
شکل 7- نمونههای شکسته شده با طول درزه 3 سانتیمتر و زاویه‌های الف)0، ب) 15،پ) 30،ت) 45و ث) 75 درجه
4-5-بررسی تاثیر زاویهداری درزه ناممتد بر نیروی شکست نمونهها
تغییرات نیروی شکست براساس زاویهداری درزه برای طولهای مختلف درزه در شکل 8 نشان داده شده است. در زاویهداریهای 45 درجه کمترین مقدار مقاومت ثبت شده است. در زاویهداریهای صفر و 75 درجه بیشترین نیروی شکست ثبت شده است. همچنین با افزایش طول درزه از 1 به 4 سانتیمتر نیروی شکست کاهش مییابد.
شکل 8- تغییرات نیروی شکست براساس زاویهداری درزه برای طولهای مختلف درزه
5-1-معرفی نرمافزار PFC2D
کد جریان ذره دوبعدی، یک کد اجزا مجزا است که سنگ را با مجموعهای از دیسکهای به هم چسبیده مدل میکند [17]. این دیسکها ممکن است نسبت به یکدیگر جابهجایی داشته و در فصل مشترک، با یکدیگر اندرکنش داشته باشند. میزان جابهجایی و اندرکنش نیروها با روش تفاضل محدود محاسبه میشود[18]. این روش در شناسایی شکست موثر است و پیچیدگیهای محاسباتی ندارد [19].
تماس بین ذرات با اتصالهای خطی یا غیرخطی معرفی میشود. اتصال خطی که در این مقاله از آن استفاده شده است، رابطه الاستیک را بین تغییرشکل و نیروهای اعمال شده به دیسکها مهیا میکند. دیسکها در PFC در یک نقطه به یکدیگر متصل میشوند که در فصل مشترک آنها فنرهایی با سختی نرمال و برشی قرار دارد. زمانیکه مدل تحت بار خارجی قرار میگیرد، در محل تماس دو دیسک جابهجایی ایجاد میشود. این جابهجایی باعث اعمال نیرو به فنرها میشود کهاین نیرو برابر با حاصلضرب جابهجایی در سختی فنرها است. همچنین زمانیکه چرخش در دیسکها ایجاد میشود، این چرخش نیز باعث جابهجایی در محل تماس شده و منجر به اعمال نیرو در فنرها میشود. زمانیکه تنش حاصل از این نیروها بر مقاومت فنرها غلبه کند، آن فنر گسیخته شده و یک شکستگی ایجاد میشود. در PFCمقاومت فنرها با دو اتصال تماسی و موازی معرفی میشود. مدل اتصال موازی که در این مقاله از آن استفاده شده است با مشخصههای زیر معرفی میشود:
مدول یانگ دیسکها، نسبت سختی نرمال به سختی برشی دیسک، ضریب اصطکاک دیسک، مقاومت نرمال اتصال موازی، مقاومت برشی اتصال موازی، نسبت انحراف استاندارد به انحراف میانگین مقاومت نرمال، نسبت انحراف استاندارد به انحراف میانگین مقاومت برشی، مینیمم شعاع دیسکها، ضریب افزایشدهنده شعاع دیسک، مدول یانگ اتصال موازی دیسکها و نسبت سختی نرمال به سختی برشی اتصال موازی
با انتخاب مناسب این میکروپارامترها میتوان مدل عددی را به گونهای واسنجی کرد که رفتار نمونه طبیعی را داشته باشد. در ادامه مراحل آمادهسازی مدل عددی، تعیین میکروپارامترهای فوق و واسنجی مدل، آمادهسازی مدلهای اصلی، انواع هندسه تیغهها و نحوه بارگذاری مدل ارایه شده است.
5-2-مراحلآمادهسازی مدلعددی اولیه
به طورکلی آمادهسازی مدلدرنرمافزارPFC2Dشامل 5 مرحلهایجاد مرزهای مدل و تولید دیسکها با ابعاد مورد نظر، فشردگیاولیهذرات، اعمالتنشایزوتروپیک وکاهشتعدادذراتمعلق و اعمال پیوندهایموازی است.
5-3- واسنجی مدل
بعد از ساخت مدل اولیه باید مدل را واسنجی کرد. به عبارت دیگر باید میکروپارامترهای معرفی شده فوق را به گونهای تعیین کرد که رفتار مکانیکی مدل عددی (مقاومت کششی) و نمونه آزمایشگاهی یکسان شود. با سعی و خطا، میکروپارامترها به گونهای انتخاب شدند کهمدل عددیبامقاومتکششییک مگاپاسکال حاصل شود (جدول 1).
جدول 1- میکروپارامترهایمورد نیاز برای ساخت مدلعددیبامقاومتکششی یک مگاپاسکال
|
میکروخصوصیات |
مقادیر |
میکروخصوصیات |
مقادیر |
|
نوع ذره |
دیسکی |
افزایشدهنده شعاع اتصال موازی |
1 |
|
دانسیته (کیلوگرم/ سانتیمتر مکعب) |
1000 |
مدول یانگ اتصال موازی (گیگاپاسکال) |
5 |
|
مینیمم شعاع دیسک (میلیمتر) |
27/0 |
نسبت سختیهای اتصال موازی |
3 |
|
نسبت مینیمم شعاع به ماکزیمم شعاع دیسک |
76/1 |
ضریب اصطکاک |
5/0 |
|
نسبت تخلخل |
08/0 |
مقاومت نرمال اتصال موازی، میانگین(مگاپاسکال) |
6 |
|
ضریب میرایی(α) |
7/0 |
مقاومت نرمال اتصال موازی، انحراف استاندارد (مگاپاسکال) |
2 |
|
مدول یانگ تماسی (گیگاپاسکال) |
5 |
مقاومت برشی اتصال موازی، میانگین (مگاپاسکال) |
6 |
|
نسبت سختی های اتصال تماسی |
3 |
مقاومت برشی اتصال موازی، انحراف استاندارد (مگاپاسکال) |
2 |
الگوهای شکستمدلهای عددی ونمونههای آزمایشگاهی در شکل 9 نشان داده شده است.خطوطزردرنگ (رنگروشن) و قرمزرنگ (رنگتیره)نشاندهندهترکهای کششی وترکهای برشی است. به طورکلی مود شکست کششی، مود شکست غالب است که در مدل عددی رخ میدهد که مشابه نمونه آزمایشگاهی است، همچنین الگویشکستمدلهایعددی مشابهالگوی شکستنمونههای آزمایشگاهی است که نشاندهنده واسنجی مقارمت کششی برزیلی است.
شکل9- الگویشکستمدلهای عددی ونمونههای آزمایشگاهی
5-4-آمادهسازی مدلاصلی
بعد از واسنجی مدل، مدلهای عددیباابعاد 110×110میلیمترساختهشد (شکل 10). این مدلها 23456 دیسک دارند. دو آرایه درزه با زاویه 45 و صفر درجه ساخته شد. در هر زاویهداری، طول درزه های a یکسان و برابر 1، 2، 3 و4 سانتیمتر است. به طورکلی 8 مدل عددی ساخته شد.
(الف)
(ب)
شکل 10- مدل عددی با زاویهداری الف) 90 درجه و ب) 45 درجه
5-5-بارگذاری مدلها
اعمال تنش در برنامه PFCبا دیوارهای مدل انجام میشود. سختی نرمال و برشی دیوارها، 2 برابر سختی دیسکها انتخاب میشود تا دیوارها نسبت به مدل سختتر باشند و صلابت آزمایش حفظ شود. زاویه اصطکاک دیوارها در مدل صفر انتخاب میشود تا اصطکاک بین دیوار و مدل ایجاد نشود. در تمام آزمایشها، آهنگ بارگذاری استاتیکی دیوار برابر 02/0 متر/ ثانیه درنظر گرفته میشود.
6-1-تاثیرطول درزه بر مکانیزم شکست مدلهای حاوی درزههایصفر درجه
توزیع ترکها در مدلهای حاوی درزههای ناممتد با زاویهداری صفر درجه در شکل 11 نشان داده شده است. ترکهای قرمز و سیاه رنگ به ترتیب نشاندهنده ترکهای برشی و کششیاند.
زمانیکه طول درزه یک سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، نواحی بکر مدل نیز با نوارهای برشی گسیخته میشود. با مقایسه شکل 11- الف و 4- الف میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه دو سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد بالا و پایین با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند. نواحی بکر مدل نیز با نوارهای برشی گسیخته میشود. با مقایسه شکل 11- ب و 5- الف میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه سه سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد بالا و پایین باترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند، همچنین مجموعهای از نوارهای برشی نوک درزه سمت راست را به پایین مدل و نوک درزه سمت چپ را به بالای مدل وصل میکند. با مقایسه شکل 11-پ و 6- الف میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه چهار سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد بالا و پایین با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند،همچنین درزههای ناممتد با نوارهای برشی به یکدیگر متصل میشوند. با مقایسه شکل 11-ت و 7- الف میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
|
(الف) |
(ب) |
|
(پ) |
(ت) |
شکل 11- توزیع ترکها در مدلهای حاوی درزههای ناممتد با زاویه صفر درجه و طولهای، الف) 1، ب) 2، پ) 3 و ت) 4 سانتیمتر
6-2-تاثیرطول درزه بر مکانیزم شکست مدلهای حاوی درزههای 45 درجه
توزیع ترکها در مدلهای حاوی درزههای ناممتد با زاویهداری 45 درجه در شکل 12 نشان داده شده است. ترکهای قرمز و سیاه رنگ به ترتیب نماینده ترکهای برشی و کششیاند.
زمانیکه طول درزه یک سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند. نواحی بکر مدل نیز با نوارهای برشی گسیخته میشود. با مقایسه شکل 12- الف و 4- ت میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدلعددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه دو سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند. نواحی بکر مدل نیز با نوارهای برشی گسیخته میشود. درزههای سمت چپ مدل با ترکهای عمدتا کششی به یکدیگر متصل میشوند. با مقایسه شکل 12- ب و 5-ت میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه سه سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند. نواحی بکر مدل نیز با نوارهای برشی گسیخته میشود. با مقایسه شکل 12-پ و 6-ت میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
زمانیکه طول درزه چهار سانتیمتر است، ترکهای کششی مود غالب شکستاند که در مدل اتفاق میافتد. در این آرایه، درزههای ناممتد با ترکهای مورب به بالا و پایین نمونه متصل میشوند. در این آرایه، درزههای ناممتد سمت راست بالا و سمت چپ پایین با ترکهای کششی به یکدیگر متصل میشوند.با مقایسه شکل 12-ت و 7-ت میتوان دریافت که الگوی شکست مشابهی در مدل عددی و نمونه آزمایشگاهی به وقوع پیوسته است.
|
(الف) |
(ب) |
|
(پ) |
(ت) |
شکل 12- توزیع ترکها در مدلهای حاوی درزههای ناممتد با زاویه 45 درجه و طولهای، الف) 1، ب) 2، پ) 3 و ت) 4 سانتیمتر
6-3-بررسی تاثیر طول درزههای ناممتد بر نیروی شکست مدلها
تغییرات نیروی شکست مدل عددی براساس طول درزه برای زاویهداریهای مختلف درزه در شکل 13 نشان داده شده است. این شکل نشان میدهد که با افزایش طول درزه، نیروی شکست کاهش مییابد. همچنین با افزایش زاویهداری درزه از صفر به 45 درجه، نیروی شکست کاهش مییابد. این رفتار در تطابق خوبی با رفتار نمونه آزمایشگاهی شکل 3 است. با مقایسه شکل 3 و شکل 2 میتوان دریافت که نیروی شکست مدلهای عددی بیشتر از نمونههای آزمایشگاهی است. این پدیده به دلیل نقص PFCورژن 3 است که نسبت مقاومت تکمحوره به مقاومت کششی را کمتر از حد معمول تقریب میزند.
شکل 13- تغییرات نیروی شکستبر اساس طول درزه برای زاویهداریهای مختلف درزه
در این مقاله رفتار نمونههای ساخته شده از گچ که حاوی درزههایی با طول 1، 2، 3 و 4 سانتیمتر و زاویهداری 0، 15، 30، 45، 60 و 75 درجه است تحت بارگذاری تک‌محوری بررسی‌شده است. برای این منظور تعداد 24 نمونه به‌صورت آزمایشگاهی مطالعه شد. همزمان با تستهای آزمایشگاهی، مدلسازی عددی با نرمافزار PFC2D انجام شد کهنتایج آن به شرح زیر است:
- زمانیکه طول درزه یک سانتیمتر است، دو نوع شکست در نمونهها مشاهده میشود. شکست نوع اول از درون نواحی بکر است و درزهها تاثیری در پروسه شکست ندارند. در شکست نوع دوم علاوه بر آسیب نواحی بکر سنگ، درزههای مجاور به یکدیگر متصل میشوند. با افزایش طول درزه، فقط شکست نوع دوم به وقوع میپیوندد.
- در زاویه 45 درجه کمترین میزان نیروی شکست ثبت شده است.در زاویه صفر و 75 درجه بیشترین نیروی شکست ثبت شده است.
- در مدلهای عددی زمانیکه طول درزهها کم است، شکست عمدتا در لبههای بالا و پایین رخ میدهد. درحالیکه با افزایش طول درزه نواحی بین درزهها نیز میشکنند.
- نتایج مدلسازی عددی نشان میدهد که با افزایش طول درزه نیروی شکست کاهش مییابد و با افزایش زاویه درزه از صفربه 45 درجه نیروی شکست کم میشود.
- مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان میدهد که نتایج عددی در تطابق خوبی با یافتههای آزمایشگاهی است.
- با توجه به یکسان بودن نتایج نرمافزارPFCبا نتایج آزمایشها میتوان نمونههایی که در آزمایشگاه قابل ساخت نیست را به صورت عددی مدلسازیو نتیجهگیری کرد.
)
