شبیه سازی عددی برای پیش‌بینی ناهمسانگردی سنگ کرومیت فاریاب با استفاده از نرم‌افزار Pfc

امروزه آنیزوتروپی موجود در سنگ ها به دلیل تاثیر بسزایی که بر پایداری و طول عمر سازه های مهندسی دارد، اهمیت فراوانی در کلیه مراحل طراحی سازه های مهندسی پیدا کرده است. با توجه به پیچیدگی رفتار سنگ ها در محیط های مختلف، به‌منظور ایجاد یک درک کامل تر از رفتار سنگ ها در مواجهه با سازه های مهندسی، انجام مطالعات جامع تری در مورد رفتار آنیزوتروپی سنگ ها مخصوصاً آنیزوتروپی موجود در خواص مکانیکی و مقاومتی بسیار ضروری است. با توجه به این که تاکنون از تاثیر میکروترک ها و ناهمسانگردی در مقاومت کششی نمونه سنگ کرومیت اطلاعات زیادی در دسترس نبوده و همچنین در راستای مدل سازی عددی در نرم افزار pfc2d و کالیبره کردن آن با نتایج عددی و اعمال شرایط مختلف و تحلیل حساسیت میکروپارامترها تحقیقات زیادی انجام نشده است، در این پژوهش با انجام سری گسترده ای از آزمون های آزمایشگاهی و مطالعات عددی شامل شبیه سازی آزمون های مقاومت فشاری تک‌محوره، مقاومت کششی برزیلی و مقاومت فشاری سه محوره، ناهمسانگردی خواص مکانیکی سنگ کرومیت معدن فاریاب با حداقل سختی 2 و چگالی 53/55/4 گرم بر سانتی متر مکعب که دارای یک سری سطوح تورق بسیار ریز بوده، با نرخ بارگذاری 100 نیوتون بر ثانیه در آزمون مقاومت فشاری تک‌محوره و 200 نیوتون بر ثانیه در آزمون مقاومت کششی برزیلی بررسی شده است تا در راستای طراحی بهینه سازه های سنگی در معادن کرومیت اطلاعات بیش تری در دسترس باشد. بعد از صحت سنجی، مدل سازی های عددی با استفاده از نرم افزار pfc2d انجام شده است که یکی از پرکاربردترین نرم افزارهای مبتنی بر روش های المان مجزا محسوب می شود. بر اساس نتایج حاصل از این پژوهش می توان گفت در نمونه سنگ های کرومیت معدن فاریاب، بیش ترین ناهمسانگردی بین راستای x و راستاهای دیگر (y و z) رخ داده است؛ به‌طوری‌که راستای x کم ترین خواص مقاومتی را از خود نشان داده است. بااین‌حال اختلاف مقادیر خواص مقاومتی راستای x نسبت به سایر راستاها آن‌قدر زیاد نبوده و بنابراین نمونه های سنگی کرومیت معدن فاریاب از همسانگردی پایینی برخوردار هستند. همچنین با بررسی های انجام شده مشخص شد که فشار جانبی وارده بر این سنگ ها تاثیر بسیار زیادی در خواص مکانیکی آن ها شامل مقامت نهایی، گسترش ترک ها و کرنش های معادل آن ها دارد.

Numerical Simulation for Predicting The Anisotropy of Faryab Cromite Rock Using PFC Software

Summary In this research, a series of experimental tests and numerical models, including simulation of Uniaxial Compressive Strength test (UCS), Brazilian Tensile Strength test (BTS), and Triaxial Compressive Strength test (TCS), are performed to investigate the anisotropy of rocks from Faryab Chromite Mine. Based on the results of this study, it was found that the highest anisotropy occurred between the Xdirection and other directions (Y and Z). The difference in the strength properties of the Xdirection compared to other directions was not so great, and the rock samples of Faryab Chromite Mine have low anisotropy also the lateral pressure on chromite rocks has a great impact on their mechanical properties.   Introduction Anisotropy can be considered as one of the main behavioral characteristics of different rock masses and this behavior is mainly due to the nonuniformity and irregular geometry of rock fracture systems. Due to the different mechanical behavior of anisotropic rocks under tension or pressure in different directions, it is necessary to study the anisotropy behavior of rock masses more carefully in the designs to prevent possible accidents. The novelty of the research is that so far not much information is available on the effect of microcracks and anisotropy on the tensile strength of chromite rock samples.   Methodology and Approaches After dividing the main block into smaller parts, cores were taken from rock blocks for analysis, then in order to determine the mechanical properties of rock, several laboratory tests were performed on the cores. To evaluate the behavior of the samples in the uniaxial compressive strength test, samples with a diameter of 54 mm and a height of 115 mm are considered. the Brazilian test was also used to evaluate the tensile strength of rock samples which are cores with a diameter of 54 mm and height of 27 mm. Numerical simulation was performed by using PFC and particle size is controlled by using two parameters: minimum particle radius (Rmin=0.45) and maximum particle radius (Rmax=0.675) and has a normal size distribution.   Results and Conclusions The highest ratio of anisotropic rate is related to the X and Y directions and therefore it can be inferred that the rocks have low anisotropy in the compressive state. Also, it was observed that chromite rock samples in the tensile state showed brittle behavior in all three directions and the tensile cracks were the most common cracks. In this analysis, a lateral pressure of 5 MPa was applied to the samples and it was observed that all three directions showed ductile behavior. In these tests, the expansion of shear cracks had the greatest effect on the failure of rock samples and it was observed that in the enclosed state (triaxial test) the highest anisotropy occurred in the rock samples between the X and Z directions, which is different from the unenclosed state (uniaxial test).