بررسی رفتار برشی سنگ دارای ناپیوستگی ساخته شده توسط چاپگر سه‌بعدی

وجود ناپیوستگی مانند درزه‌ بر رفتار سنگ تاثیر داشته و پایداری سازه‌های ساخته‌ شده در توده سنگ را تحت تاثیر قرار خواهد داد. لذا مشخص شدن رفتار توده سنگ قبل از طراحی و ساختن سازه در آن مهم می‌باشد. انجام آزمونهای برجا مناسبترین روش برای تخمین خواص مکانیکی توده سنگ می‌باشد، اما انجام این آزمایش‌ها هزینه بر و وقت‌گیر می‌باشد. لذا محققین اقدام به ساخت نمونه توده سنگ در آزمایشگاه نموده‌اند. در سال‌های اخیر در علم مکانیک سنگ از فناوری پرینت سه‌بعدی برای ساخت نمونه سنگ درزه‌دار بهره گرفته ‌شده است. هدف از انجام این تحقیق مدل‌سازی شبکه درزه در نمونه سنگ جهت بررسی رفتار برشی بوده است. ابتدا ادبیات موضوع در خصوص آزمایش‌های معمول در مکانیک سنگ برای سنگ درزه‌دار ارائه شده و سپس ساخت نمونه‌های سنگ دارای درزه توسط پرینتر سه‌بعدی مورد بررسی قرارگرفته است. شبکه‌ای که دارای دو سیستم درزه بوده توسط پرینتر سه بعدی با ماده پلی وینیل الکل ساخته شد. سپس این شبکه درون قالب مکعبی قرار داده شده و با دوغاب سیمانی پر شده تا نمونه مکعبی سنگ دارای دو سیستم ناپیوستگی ساخته شود. آزمایش برشی مستقیم بر روی نمونه‌های توصیف ‌شده به‌عنوان نمونه توده سنگ و سنگ بکر انجام شد. نتایج نشان ‌داد که فناوری چاپ سه‌بعدی قادر به تولید مدل شبکه ناپیوستگی در سنگ مصنوعی (بتن) است. مشخص شد مقاومت برشی نمونه‌های بتنی دارای ناپیوستگی کمتر از نمونه‌های سنگ بکر می‌باشد. استفاده از مواد پلی وینیل الکل برای ساخت شبکه شکستگی بسیار مناسب بوده به‌طوری‌که پس از گیرش سیمان به‌راحتی این مواد توسط آب حل‌شده و هیچ‌گونه اثری بر روی پارامترهای برشی نمونه‌های بتنی دارای ناپیوستگی ندارد. میزان چسبندگی توده سنگ ارتباط مستقیمی با جهت درزه و سطح برش دارد بدین ترتیب که هم‌راستا بودن سطح برش با امتداد درزه یا درزه‌ها موجب کاهش چسبندگی خواهد شد.

investigation of shear behavior of rock sample which have discontinuities system made by 3d printer

the presence of discontinuities such as joints، has effect on behavior of rock mass and as a result affects stability of structures built within rock mass. therefore، it is imperative to assess the behavior of the rock mass before designing and constructing structures within it. performing in situ tests is the most accurate method for estimating the geomechanical properties of rock masses، but it is expensive and time-consuming. as a result، researchers often decide to produce laboratory-based rock mass samples. in recent years، in rock mechanics science has been used 3d printing technology for preparation of rock samples. the objective of this research was to model discontinuities systems within rock sample to investigate the shear behavior of jointed rock. this study started by reviewing the limitations of conventional rock mechanics tests when applied to jointed rock. subsequently، jointed rock samples were prepared using a 3d printer. direct shear tests were conducted on artificial samples which were designed to simulate rock mass. the results clearly demonstrate the capability of 3d printing technology to produce rock mass. it was observed that the shear strength of the 3d-printed rock samples was lower than that of intact rock samples. the use of polyvinyl alcohol materials in constructing the discontinuities system proved to be suitable. these materials dissolve easily in water. the 3d-printed network is placed inside a mold and filled with a slurry with the appropriate ratio of water، sand and cement. this block is placed in water، resulting the network dissolve and do not influence on geomechanical parameters of sample. furthermore، the cohesion of the rock mass was found to be directly influenced by the orientation of the discontinuities systems. aligning the shearing surface with the discontinuities system reduced cohesion.