مطالعه تاثیر نرخ بارگذاری بر نحوه گسترش ترک در نمونه‌های سنگی ترک‌دار به روش عددی

شرایط بارگذاری علاوه بر اینکه روی مقاومت و ویژگی‌های مکانیکی نمونه‌های سنگی تاثیرگذار است، فرآیند ایجاد و گسترش ترک در نمونه‌ها را نیز تحت تاثیر 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 0.002، 0.02 و 0.2 میلی‌متر در هر مرحله بارگذاری است. در این تحقیق تاثیر 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 0.2 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 0.2 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 0.2 در این نمونه، ابتدا قطعه‌های کوچکی از اطراف نمونه جدا می‌شود و در ادامه، شکست نهایی به‌صورت صفحه برشی خواهد بود.

Influence of loading rate on crack propagation of precracked rock specimens, a numerical study

The crack behavior study in various rock types containing artificially created flaws under the quasistatic 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 geomechanical 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 precrack 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 preexisting 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 quasistatic 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 coplanar cracks formed at the tip of the main cracks.