نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی دانشگاه تربیت مدرس

2 دانش آموخته دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

شرایط بارگذاری علاوه بر اینکه روی مقاومت و ویژگی‌های مکانیکی نمونه‌های سنگی تأثیرگذار است، فرآیند ایجاد و گسترش ترک در نمونه‌ها را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. در این تحقیق فرآیند رشد و انتشار ترک در نمونه‌های گرانیتی حاوی 1، 3، 6، 9 و 36 ترک، تحت نرخ‌های بارگذاری مختلف و با استفاده از نرم‌افزار RFPA مورد مطالعه قرار گرفته است. برای اعمال نرخ‌های بارگذاری مختلف، از تغییرات میزان جابه‌جایی صفحه بارگذاری در مراحل مختلف استفاده شده است. نرخ‌های بارگذاری مورد مطالعه در این تحقیق 002/0، 02/0 و 2/0 میلی‌متر در هر مرحله بارگذاری است. در این تحقیق تأثیر هم‌زمان چگالی ترک و نرخ بارگذاری بر نحوه شروع و انتشار ترک و الگوی شکست نهایی نمونه‌ها بررسی شده است. مستقل از چگالی ترک‌ها و نوع بارگذاری، در مراحل اولیه بارگذاری ابتدا ترک باله‌ای از انتهای ترک‌های موجود رشد کرده و با ادامه روند بارگذاری روی نمونه، ترک‌های برشی ثانویه شامل ترک‌های مورب و شبه صفحه‌ای تشکیل شده‌اند. با افزایش نرخ بارگذاری از طول ترک‌های باله‌ای کاسته شده بطوریکه که می‌توان گفت در نرخ بارگذاری 2/0 هیچ ترک باله‌ای ایجاد نمی‌شود بلکه در ابتدای بارگذاری ترک شبه صفحه‌ای از نوک ترک‌های موجود انتشار می‌یابد. در نمونه‌های حاوی ترک بیشتر ترک‌های باله‌ای اغلب از نوک ترک‌های کناری انتشار می‌یابند. در نمونه‌های با تعداد ترک کم (نمونه‌های حاوی 6،3،1 و 9) و در نرخ‌های بارگذاری پایین ترک‌های برشی مورب غالب هستند بطوریکه شکل شکست نهایی نمونه را تعیین می‌کنند. با افزایش نرخ بارگذاری انتشار ترک‌های برشی شبه صفحه‌ای نیز آغاز می‌شود به‌نحوی‌که در نرخ بارگذاری 2/0 تعیین‌کننده شکل شکست نهایی می‌باشند. در نمونه حاوی 36 ترک، مستقل از نرخ بارگذاری ترک‌های برشی شبه صفحه‌ای تعیین‌کننده‌تر هستند. با افزایش نرخ بارگذاری تا 2/0 در این نمونه، ابتدا قطعه‌های کوچکی از اطراف نمونه جدا می‌شود و در ادامه، شکست نهایی به‌صورت صفحه برشی خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Influence of loading rate on crack propagation of pre-cracked rock specimens, a numerical study

نویسندگان [English]

  • Hamid Reza Nejati 1
  • Amin Khodayar 2

1 Rock Mechanics Department, Tarbiat Modares Univesity

2 Tarbiat Modares University

چکیده [English]

The crack behavior study in various rock types containing artificially created flaws under the quasi-static loading condition has been extensively studied in the past research works. However there are lacks of basic information regarding the failure mechanism of rock specimens under the dynamic loadings. Loading rate fundamentally influences on the strength and failure mechanism of rock specimens. In the present study, effect of loading rate on the crack propagation and failure mechanism of specimens containing with five different crack density numerically considered using RFPA2D code. For this purpose, specimen for modeling of uniaxial compression test with 54 mm in diameter and 110 mm in length was simulated. The geo-mechanical properties required for modeling have been derived from some experimental tests which are conducted on Granite specimens. The failure mechanism of simulated specimens was evaluated in three loading rates (0.002, 0.02 and 0.2 mm per steps). The effect of loading rate on the pre-crack growth and failure mode of specimens was considered. Regardless of the loading rate, in the first stage of loading sequences wing cracks initiate from the tips of the pre-existing cracks and tend to propagate parallel to the loading direction. Then secondary cracks usually initiated from tips of the wing cracks. Eventually, the propagation and coalescence of cracks resulted in unstably collapse of specimens. With increasing the loading rate the length of wing cracks decreases so that no wing crack created at loading rate of 0. 2 mm per step. It is shown that the failure modes of specimens under quasi-static compression loading is dominantly diagonal, while the failure mode under dynamic compression loading is “X” shape. This is because with increasing of loading rate to 0.2 mm per step, some second co-planar cracks formed at the tip of the main cracks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Loading rate
  • Crack propagation
  • RFPA2D
  • pre-cracked specimen

- منابع

[1]    B. Lawn, Fracture of Brittle Solids. Cambridge University Press, 1993.

[2]    Bobet, A., and H. H. Einstein. "Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 35.7 (1998): 863-888.

[3]    Lajtai, E. Z. "Brittle fracture in compression."  International Journal of Fracture 10.4 (1974): 525-536.

[4]    Park, C. H., and A. Bobet. "Crack coalescence in specimens with open and closed flaws: a comparison." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 46.5 (2009): 819-829.

[5]    Grote, D. L., S. W. Park, and M. Zhou. "Dynamic behavior of concrete at high strain rates and pressures: I. experimental characterization." International Journal of Impact Engineering 25.9 (2001): 869-886.

[6]    Kalthoff, Jörg F., and Andreas Bürgel. "Influence of loading rate on shear fracture toughness for failure mode transition." International journal of impact engineering 30.8 (2004): 957-971.

[7]    Anderson, Ted L., and T. L. Anderson. Fracture mechanics: fundamentals and applications. CRC press, 2005.

[8]    Wong, L. N. Y., and H. H. Einstein. "Systematic evaluation of cracking behavior in specimens containing single flaws under uniaxial compression." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 46.2 (2009): 239-249.

[9]    Park, C. H., and A. Bobet. "Crack initiation, propagation and coalescence from frictional flaws in uniaxial compression." Engineering Fracture Mechanics 77.14 (2010): 2727-2748.

[10]   Subhash, Ghatu, et al. "Recent advances in dynamic indentation fracture, impact damage and fragmentation of ceramics." Journal of the American Ceramic Society 91.9 (2008): 2777-2791.

[11]   Nejati, Hamid Reza, and Abdolhadi Ghazvinian. "Brittleness effect on rock fatigue damage evolution." Rock Mechanics and Rock Engineering 47.5 (2014): 1839-1848.

[12]   Q. Li, Q. Yang, J. Jia, and H. Liu, “Experimental Research on Crack Propagation and Failure in Rock-type Materials under Compression,” Electron. J. Geotech. Eng. J, vol. 13, 2008.

[13]   P. Zavattieri, A. Hedayat, and Y. Khasawneh, “Numerical Simulation of Crack Propagation in Rocks under Uniaxial Compression.”

[14]   S. P. Shah and C. Ouyang, “Failure of concrete :fracture mechanics approach.”

[15]   R. C. Murthy, G. S. Palani, and N. R. Iyer, “State-of-the-art review on fracture analysis of concrete structural components,” Sadhana, vol. 34, no. 2, pp. 345–367, Apr. 2009.

[16]   Zou, Chunjiang, and Louis Ngai Yuen Wong. "Experimental studies on cracking processes and failure in marble under.