نشریه مهندسی معدن

نشریه مهندسی معدن

بررسی سطوح تنش شروع ترک و خسارت ترک در رفتار برشی سنگ بکر

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناس ارشد مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی ،دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
3 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران، تهران، ایران بخش مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران
4 استاد، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران، تهران، ایران،
چکیده
با رشد روز افزون حفریات عمیق معدنی و عمرانی، شناخت و تحلیل شکست سنگ بکر اهمیت زیادی یافته است. دو مشخصه مهم تنش در شکست سنگ بکر، تنش شروع ترک و تنش خسارت ترک است که اهمیت بسزایی در شناخت رفتار سنگ هنگام شکست دارد. با وجود انجام مطالعات متعدد آزمایشگاهی در زمینه شکست فشاری سنگ بکر، مطالعات بسیار محدودی در زمینه تحلیل این دو سطح تنش در شکست برشی سنگ بکر انجام شده است. در این مطالعه با استفاده از مدل‌سازی عددی المان مجزا، رفتار سنگ بکر در آزمون برش مستقیم در حالت‌های مختلف شکست ترد، انتقالی و شکل‌پذیر بررسی و نسبت تنش شروع ترک و خسارت ترک به مقاومت برشی اوج تعیین شد. برای این منظور، ابتدا خواص ریزمقیاس مدل عددی تحت شرایط مختلف بارگذاری کششی مستقیم، تک محوره و سه محوره برای نوعی سنگ مصنوعی واسنجی شد. سپس آزمون برش مستقیم بر روی سنگ بکر و تحت شرایط تنش نرمال قائم متفاوت شبیه‌سازی شد. نتایج مدل‌سازی آزمون برش انجام گرفته با نتایج آزمایشگاهی موجود در مطالعات پیشین مورد مقایسه قرار گرفت و مشخص شد که مدل عددی توانایی مناسبی در پیش‌بینی رفتار برشی سنگ بکر را دارد. همچنین مشخص شد که تنش شروع ترک و تنش خسارت ترک به ‌ترتیب در بازه‌های ۷۰ تا ۹۱ و 85 تا 95 درصد مقاومت برشی اوج تحت تنش‌های قائم مختلف رخ می‌دهد. نتایج این تحقیق نشان داد که با افزایش تنش نرمال، نسبت تنش شروع ترک و خسارت ترک به مقاومت برشی اوج یک روند کاهشی دارد. از نتایج این تحقیق می‌توان برای تحلیل سازه‌های تحت برش همانند دیواره‌های شیب‌دار و پیچ‌سنگ‌ها استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of crack initiation and crack damage stresses in intact rock shear failure

نویسندگان English

Mohsen Alidaryan 1
Mohammad Hossein Khosravi 2
Mojtaba Bahaaddini 3
Mahdi Moosavi 4
1 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
3 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran
4 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Due to the significant advancement in the mining and tunneling industry, the depth of underground excavation has been considerably increased. As a consequence of increase in depth, the intact rock strength plays a significant role in rock mass failure. Therefore, the study of intact rock failure has become more crucial. Crack damage stress and crack initiation stress are the two important characteristics of intact rock failure, which have been studied rarely in the shear failure process. This study aims to investigate the crack damage and crack initiation stresses in the shear failure by numerical modeling of direct shear test (DST) using the discrete element method. First, the micro-mechanical properties of the numerical model were calibrated against physical experiments in uniaxial tension, uniaxial compression and triaxial compression tests. Then, the numerical models were validated by comparing against physical direct shear tests under different normal stresses. By undertaking the DST under eight different constant normal stresses, these two stress levels have been studied in brittle, brittle-ductile transition and ductile failure modes. It was revealed that the crack initiation and crack damage stresses occur in 70-91 and 85-95 percent of the peak shear strength, respectively. Also, it was observed that the ratio crack initiation and crack damage stresses to the peak shear strength decrease with an increase in the normal stress. The outcomes would be useful for studying the structures under shear stress like landslides and rock bolts.

کلیدواژه‌ها English

Crack Initiation Stress
Crack Damage Stress
Peak Shear Strength
Direct Shear Test
Discrete Element Method
Rahjoo, M. "Directional and 3-D confinement-dependent fracturing, strength and dilation mobilization in brittle rocks." PhD. Thesis, University of British Columbia, 2019.##Bieniawski, Z. T. "Mechanism of brittle fracture of rock: part I—theory of the fracture process." In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, vol. 4, no. 4, pp. 395-406. Pergamon, 1967.##Lajtai, E. Z., and Vlasta N. L. "The evolution of brittle fracture in rocks." Journal of the Geological Society 130, no. 1 (1974): 1-16.##Martin, C. D., and N. A. Chandler. "The progressive fracture of Lac du Bonnet granite." In International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts, vol. 31, no. 6, pp. 643-659. Pergamon, 1994.##Mutaz, E., M. Serati, M. Bahaaddini, and D. J. Williams. "On the evaluation of crack initiation stress threshold." In 55th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. OnePetro, 2021.##Peng, J., G. Rong, and M. Jiang. "Variability of crack initiation and crack damage for various rock types." Arabian Journal of Geosciences 11, no. 11 (2018): 1-10.##Amann, F., Ö. Ündül, and P.K. Kaiser. "Crack initiation and crack propagation in heterogeneous sulfate-rich clay rocks." Rock mechanics and rock engineering 47, no. 5 (2014): 1849-1865. ##Li, C., H. Xie, and J. Wang. "Anisotropic characteristics of crack initiation and crack damage thresholds for shale." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 126 (2020): 104178. ##Ning, J., J. Wang, J. Jiang, S. Hu, L. Jiang, and X. Liu. "Estimation of crack initiation and propagation thresholds of confined brittle coal specimens based on energy dissipation theory." Rock Mechanics and Rock Engineering 51, no. 1 (2018): 119-134. ##Eberhardt, E., D. Stead, B. Stimpson, and R. S. Read. "Identifying crack initiation and propagation thresholds in brittle rock." Canadian geotechnical journal 35, no. 2 (1998): 222-233. ##Zhang, G. K., H. B. Li, M. Y. Wang, and X. F. Li. "Crack initiation of granite under uniaxial compression tests: A comparison study." Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 12, no. 3 (2020): 656-666. ##Shang, D., Y. Chen, Z. Zhao, S. Shangguan, and X. Qi. "Mechanical behavior and acoustic emission characteristics of intact granite undergoing direct shear." Engineering Fracture Mechanics 245 (2021): 107581. ##Potyondy, D. O. "A flat-jointed bonded-particle model for rock." In 52nd US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. OnePetro, 2018. ##Potyondy, D. O., and P. A. Cundall. "A bonded-particle model for rock." International journal of rock mechanics and mining sciences 41, no. 8 (2004): 1329-1364. ##Bahaaddini, M., A. M. Sheikhpourkhani, and H. Mansouri. "Flat-joint model to reproduce the mechanical behaviour of intact rocks." European Journal of Environmental and Civil Engineering 25, no. 8 (2021): 1427-1448. ##Bahaaddini, M., Rahimi, M. "Distinct element modelling of the mechanical behaviour of intact rocks using voronoi tessellation model." International Journal of Mining & Geo-Engineering 52, no. 1 (2018): 61-68 ##Cho, N. "Discrete Element Modeling of Rock Pre-Peak fracturing and Dilation." PhD. Thesis., University of Alberta, 2008. ##Cho, N., C. D. Martin, and D. C. Sego. "Development of a shear zone in brittle rock subjected to direct shear." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 45, no. 8 (2008): 1335-1346. ##Cho, N. al, C. D. Martin, and D. C. Sego. "A clumped particle model for rock." International journal of rock mechanics and mining sciences 44, no. 7 (2007): 997-1010. ##Potyondy, D. O. "The bonded-particle model as a tool for rock mechanics research and application: current trends and future directions." Geosystem Engineering 18, no. 1(2015):1-28. ##Bahaaddini, M., P. C. Hagan, R. Mitra, and B. K. Hebblewhite. "Parametric study of smooth joint parameters on the shear behaviour of rock joints." Rock Mechanics and Rock Engineering 48, no. 3 (2015): 923-940. ##Bahaaddini, M., G. Sharrock, B. K. Hebblewhite. "Numerical direct shear tests to model the shear behaviour of rock joints." Computers and Geotechnics 51 (2013): 101-115. ## Bahaaddini, M. "Numerical study of the mechanical behaviour of rock joints and non-persistent jointed rock masses." PhD. Thesis, UNSW Sydney, Australia (2014). ##Haeri, Hadi, Alireza Khaloo, and Mohammad Fatehi Marji. "A coupled experimental and numerical simulation of rock slope joints behavior." Arabian Journal of Geosciences 8 (2015): 7297-7308. ##Lak, M., M.F., Marji, A.R. Yarhamadi Bafghi, A. Abdollahipour. "Discrete element modeling of explosion-induced fracture extension in jointed rock masses." Journal of Mining and Environment 10, no. 1 (2109): 125-138##Guglielmi, Y., and Frédéric Cappa. "Regional-scale relief evolution and large landslides: Insights from geomechanical analyses in the Tinée Valley (southern French Alps)." Geomorphology 117, no. 1-2 (2010): 121-129. ##
دوره 18، شماره 60
پاییز 1402
صفحه 46-55

  • تاریخ دریافت 15 مهر 1401
  • تاریخ بازنگری 04 خرداد 1402
  • تاریخ پذیرش 31 مرداد 1402