17495

17495

بررسي رشد ترك در نمونه هاي سنگي آزمايشگاهي

دكتري

طراحي كاربردي - مكانيك جامدات

فروردين 1396

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

دكتر محمدرضا محمدعليها

مكانيك

در اين پژوهش، با توجه به اهميت فرآيند رشد ترك در مواد سنگي از لحاظ طراحي و كاربردي، به بررسي رشد ترك در آزمايش¬هاي تعيين چقرمگي شكست مواد سنگي، با استفاده از روش¬هاي مختلف پرداخته شد. بررسي عددي رشد ترك در نمونه¬هاي سنگي نيمه¬ديسك با دو نوع شيار مستقيم و V-شكل با استفاده از روش اجزاي محدود، صورت گرفته و پارامترهاي شكست از جمله ضريب شدت تنش بي¬بعد و طول ترك بحراني كه نشان¬دهنده ناحيه رشد پايدار ترك در نمونه¬هايي¬ با شيار V-شكل است،¬ براي محدوده گسترده¬اي از پارامترهاي هندسي محاسبه شد. بررسي تحليلي نيز با استفاده از روش تركيب برشي صورت گرفته كه مقايسه نتايج، نشان¬دهنده دقت مناسب روش¬ها مي¬¬باشد. امكان¬سنجي سه روش تجربي در روند رشد ترك بررسي شد. روند رشد ترك در نمونه¬هايي با شيار مستقيم و V-شكل، با بررسي تعداد كل شمارش¬ها در روش انتشار آكوستيكي مقايسه شد. ¬هم¬چنين، از نتايج حاصل از اسكن CT با اشعه ايكس نيز در محاسبه طول ترك بحراني با دقت قابل قبولي استفاده شد. سطح شكست در دو ناحيه پايدار و ناپايدار رشد ترك نيز با استفاده از تصاوير حاصل از ميكروسكوپ نوري بررسي شد كه نشان-دهنده صافي سطح بيشتر در ناحيه رشد پايدار ترك بود. در ادامه، تاثير هندسه نمونه و هندسه شيار اوليه ايجاد شده در نمونه بر مقدار چقرمگي شكست، با استفاده از معيار حداكثر كرنش مماسي بهبوديافته با در نظر گرفتن پارامتر هندسي تنش T بررسي شد كه بيانگر تاثير مستقيم بر مقدار چقرمگي شكست حاصل از نمونه¬هاي مختلف بود. علاوه بر اين، مطالعه آماري مقدار چقرمگي شكست مواد سنگي با توزيع احتمال ويبول، در نمونه¬هاي مختلف (با شيار مستقيم و شيار چورون)، نشان داد كه شيار چورون، مقدار متوسط چقرمگي شكست بيشتر و پراكندگي كمتري را در مقايسه با شيار مستقيم حاصل مي¬نمايد. تاثير پارامترهاي فشار بخار آب و فشار همه¬جانبه كه از شرايط محيطي برجا در زير زمين هستند نيز به صورت آزمايشگاهي، بر نحوه رشد ترك و مقدار چقرمگي شكست در نمونه¬هاي سنگي نيمه¬ديسك بررسي شد. مشاهده شد كه با افزايش فشار بخار آب، استحكام سنگ¬ها كاهش پيدا مي¬كند كه اين عامل در بارگذاري مود I نسبت به بارگذاري مود II تاثير كمتري از خود نشان مي¬دهد. هم¬چنين، تحت فشار همه جانبه و بر اساس نتايج بدست آمده از شبيه¬سازي¬هاي عددي، چقرمگي شكست اصلاحي مود I سنگ¬ها با استفاده از تغييري در رابطه استاندارد، پيشنهاد شد.

1396/03/28

1/1/1900 12:00:00 AM

In this study, according to the practical importance of crack growth process in rock materials, the crack propagation in the fracture toughness testing methods of rock materials was discussed using several methods. At first, numerical investigation of crack growth in semi-circular bend specimens with straight through and chevron notches was performed using the finite element analysis. The fracture parameters including dimensionless stress intensity factor and critical crack length that indicates the region of stable crack growth in specimens with V-shaped notch, for a wide range of geometric parameters were calculated. In addition, an analytical method (slice synthesis method-SSM) was performed. Good agreement was observed between the results of two mentioned methods. Applicability of three experimental methods for studying the crack growth process was investigated. The process of crack growth in specimens with straight through and V- shaped notches were compared based on the number of counts obtained from acoustic emission technique. Also, the images of X-ray CT scanner were also applied to determine the critical crack length with acceptable accuracy. In addition, an optical microscope was used to compare the smoothness of fracture surface in two regions of stable and unstable crack growth. The obtained images showed the smoother surface in stable crack growth region. The effect of specimen geometry and notch geometry on the value of fracture toughness was studied using the extended maximum tangential strain criterion in that T-stress term is considered. The results showed the direct effect of T-stress on the fracture toughness of rock samples. Moreover, the statistical analysis of rock fracture toughness for several samples (with straight-through and chevron notches) was studied using Weibull probability distribution. More average value of fracture toughness and lower scattering were obtained for chevron notched specimens in comparison with straight notched specimens. Furthermore, the effect of water vapor pressure on the rock fracture toughness was investigated experimentally. It was seen that by increasing the water vapor pressure, rock strength decreased. In mode II loading condition, this influence is more considerable than that in mode I. In addition, the SCB tests under confining pressure were conducted in order to investigate the effect of the confining pressure on the mode-I fracture toughness of rock. Based on the simulation results, a corrected form of ISRM suggested formulation was introduced for the rock fracture toughness of rocks under confining pressure. Keywords: rock fracture toughness, critical crack length, slice synthesis method, water vapor pressure, confining pressure