مطالعه آزمایشگاهی انتشار ترک در نمونه‌های با درزه‌های بسته و باز تحت بارگذاری تک‌محوری

نویسندگان
عبدالهادی قزوینیان
پیمان نوروزی
دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
- این مطالعه به بررسی آزمایشگاهی رفتار نمونه های شبه­سنگی دارای درز ه تحت بارگذاری تک محوری پرداخته است. تعدادی مدل­­ فیزیکی درزه­دار با سطح صاف و ناصاف با ترکیب سیمان، گچ و آب با ابعاد 5×20×10 سانتی­متر ساخته شده است. درزه­ها به صورت باز و بسته در مرکز نمونه و با سطح صاف و زبر (دندانه اره­ای) قرار گرفته­ است. طول درزه­ها برابر با 4، 5 و 6 سانتیمتر است که با زوایای 30، 45 و60 درجه نسبت به محور بارگذاری قرار گرفته است. به منظور ایجاد درزه­های زبر در نمونه­ها از پروفیل ­های دندانه اره­ای استفاده شد. نتایج بررسی­های آزمایشگاهی حاکی از آن است که بسته به طول و شیب قرارگیری درزه بسته یا باز دو نوع ترک (باله­ای و ثانویه) از نوک ترک­ تعبیه شده در نمونه منتشر می­شود. انتشار ترک­های ثانویه پس از ایجاد ترک های باله­ای رخ می­دهد. با افزایش تنش داخلی ناشی از بارگذاری تک محوری در نمونه، ابتدا تمرکز تنش کششی و سپس تمرکز تنش برشی در نوک درزه باز ایجاد می­شود. انتشار ترک از نوک نمونه نشان می دهد که تمرکز تنش در نوک درزه می باشد و قطعاً در سایر قسمت­های این درزۀ ناهموار و دندانه اره­ای تمرکز تنش کم­تر از نوک درزه بوده است. در درزه­های بسته با کاهش زاویه درزه نسبت به افق (عمود بر محور بارگذاری) محل شروع انتشار ترک باله ای از نوک درزه به سمت مرکز درزه منتقل و تمرکز تنش کششی در مرکز نمونه بیش­تر از اطراف نمونه می شود. شیب قرارگیری، طول، باز و بسته بودن درزه بر تنش شروع ترکها موثر می باشد. تنش شروع ترک باله ای با زاویه درزه از قبل موجود نسبت به محور بارگذاری رابطه مستقیم و با طول درزه رابطه معکوس دارد. در شرایط یکسان تنش شروع انواع ترک­ها در درزه­های بسته بیش­تر از باز است. در این مطالعه همچنین به عوامل مؤثر در انتشار ترک­های ثانویه پرداخته شد. نتایج نشان می­دهد که در انتشار ترک­های ثانویه شیب درزه و هم چنین میزان فاصله نوک ترک از لبه نمونه تعیین­کننده است. در صورتی که کوچک­ترین فاصله میان نوک ترک و لبه نمونه (s) و عرض نمونه (b) نامیده شود، در نمونه­هایی که شیب درزه برابر با 30 درجه و نسبت کوچک­تر از 3/0 است، ترک­های ثانویه از نوک درزه از قبل موجود شروع به انتشار نموده و تا لبه نمونه منتشر می­شوند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental Research on Crack Propagation in Specimens with Open and Closed Crack Under Uniaxial Loading

نویسندگان English

A.H. Ghazvinian
P. Norouzi
Tarbiat Modares University
چکیده English

An attempt in this paper has been made to experimentally investigate the behavior of rock like pre-cracked samples under uniaxial loading. To reach that aim, several physical models made up mixture of cement, gypsum and water with 5×10×20 cm of dimensions which contained open and closed joints with rough and smooth surface. Open and closed joints with rough and smooth surfaces were located in the center of samples. Open and closed joints with 4, 5 and 6 cm of lengths and 30, 45 and 60 degree of angles relative to loading direction were located in the center of samples. Saw cut profiles were used to make a roughness in the specimens. Experimentally results illustrate that depend on length and angle of closed or open joints, two types of cracks (wing and secondary cracks) propagated from the tips of pre-existing joints. Secondary cracks propagated after than wing cracks. With increasing internal stress due to loading, tensile stress concentration were happened earlier than shear stress concentration at the tips of pre-existing open cracks. Propagation of cracks from the tips of joint proved stress concentration was larger than another part of joints. In fact stress concentration in the central part of joint is more than joint tips. Location of crack propagation changed into the central part of joint with decreasing of closed joints angle relative to horizontal direction so stress concentration in the center more than another part of closed joints. Crack initiation stress depends on length, dip and closed or open state of joints. Wing crack initiation stress proportional to joint angle relative to loading axis and inversely proportional to joint length. In the Similar circumstances Initiation stress for closed joints more than open joints. In this research, effective parameters on secondary crack propagation were investigated. The experimental results reveal that secondary crack propagation depends on joint dip and distance between crack tips and sample sides. If minimum distance between crack tips and sample sides called (s) and width sample called (b) then for the specimens with 30 degree of dip angle and ratio secondary cracks propagated from crack tips to sample sides.

کلیدواژه‌ها English

Crack propagation
Wing crack
Secondary crack
Closed join
Open joint
- مراجع
[1]  Griffith, A. A., The theory of rupture. Proc. 1st Int. Congr. Appl. Mech. Delft, 1924, pp. 55-63.
[2]  Griffith, A. A., The phenomena of rupture and flow in solids.  Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A, 1921, 221,163-198.
[3]  Jaeger J.C. Cook N.G.W. 1969 “Fundamentals of rock mechanics” By Methuen & Co. Ltd. 11 New fetter lane London EC4. First published.
[4]  Horii H. Nemat-Nasser S. 1985 “Compression-induced microcrack growth in brittle solids: axial splitting and shear failure” J Geophy Res. Vol.90 (B4) pp.3105 – 3125.
[5]  Hoek E. Bieniawski Z.T. 1984 “Brittle fracture propagation in rock under compression” International Journal of Fracture. Vol. 26, pp. 276-294
[6]  Bobet A. 2000 “The initiation of secondary cracks in compression” Eng. Fract.Mech. Vol. 66, pp187-219.
[7]  Bobet A. 2000 “Modeling of crack initiation propagation and coalescence in uniaxial compression” Rock Mech Rock Eng. Vol. 33(2), pp. 119–39.
[8]  Li Y.P. Chen L.Z. Wang Y.H. 2005 “Experimental research on pre-Cracked marble” International Journalof Solids and Structures. Vol. 42, pp. 2505-16.
[9]  Wong R.H.C. Tang C.A. Chau K.T. Lin P.”Splitting failure in brittle rocks containing pre-existing flaws under uniaxial compression”. Engineering Fracture Mechanics. . 2002.  Vol. 69, pp. 1853–1871.
[10]  Park, C.H. Bobet, A. Crack coalescence in specimens with open and closed flaws: A comparison, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 46 (2009), 819–829.
[11]  Wong.L. N. Y. Einstein.H. H. Crack Coalescence in Molded Gypsum and Carrara Marble: Part 1. Macroscopic Observations and Interpretation. Rock Mech. Rock Eng 2009. 42:475–511 DOI 10.1007/s00603-008-0002-4
[12]  Reyes O. Einstein H.H. 1991 “Failure mechanism of fractured rock—a fracture coalescence model” Proc 7th Congress of the ISRM Tokyo Japan Vol.1 pp.333–340.
[13]  Shen B. 1995 “The mechanism of fracture coalescence in compression experimental study and numerical simulation” Engineering Fracture Mechanics. Vol. 51(1), pp. 73–85.
[14]  Wong R.H.C. Chau KT. 1998, “Crack coalescence in a rock-like material containing two cracks” International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences.Vol. 35(2),  pp. 147–164.
[15]  Bobet A. Einstein HH.1998, “Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression”. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 35(7) pp. 863–88.
[16]  Mughieda, Alzoubi A.K., 2004, “Fracture mechanisms of offset rock joints-A laboratory investigation”, Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 22, pp. 545–562.
[17]  Indraratna B. “Development and applications of a synthetic material to simulate soft sedimentary rocks”. Geotechnique, 1990, Vol. 40 (2), pp. 189-200.
[18]  A. H. Ghazvinian A. Taghichian. The Shear Behavior of Bedding Planes of Weakness Between Two  Different Rock Types with High Strength Difference. Rock Mech & Rock Eng, 2009, DOI 10.1007/s00603-009-0030-8.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
[19]  Wittke W. 1965 “Rock mechanics: theory and applications with case histories” Springer- Verlag Berlin Heidelberg.
A. Ghazvinian, M. J. Azinfar and P. Norozi, 2012 “Mechanical response of discontinuities of different joint wall contact strengths”, Journal of Arabian Journal of Geosciences, under Press
مهندسی عمران مدرس
دوره 13، شماره 1
فروردین و اردیبهشت 1392
صفحه 75-87