مدل‌سازي عددي تاثير فشار همه‌جانبه بر الگوي شكست سنگ‌هاي شكننده در آزمايش سه‌محوري

Numerical Modeling of Confinement Effects on Failure Pattern of Brittle Rocks in Triaxial Tests

يكي از اهداف اصلي آزمايش‌هاي مكانيك سنگ، يافتن ويژگي‌هاي تغيير شكل و مقاومت نمونه‌هاي سنگ، تحت شرايط حاكم در محل نمونه‌برداري است. در اين ميان، آزمايش سه‌محوري به‌علت كاربرد فراوان در درك رفتار مكانيكي سنگ بسيار مورد توجه است. براي شبيه‌سازي الگوي شكست سنگ گرانيتي اينادا در آزمايش سه‌محوري به‌صورت ذرات متصل به هم، از روش المان مجزا و از نرم‌افزار PFC3D استفاده شده است. تنش محوري تفاضلي بيشينه و ضريب پواسون حاصل از مدل‌سازي، تطابق خوبي با نتايج آزمايشگاهي دارد. چگالي ترك در نتايج آزمايشگاهي از عدد ابتدايي خاصي شروع شده و اين عدد با افزايش تنش محوري كاهش مي‌يابد و در لحظه شكست تقريباً ثابت است. در مدل‌سازي به خاطر در نظر نگرفتن ريزترك‌هاي اوليه در مدل سنگ، عدد چگالي ترك در ابتداي آزمايش صفر است اما با افزايش تنش محيط، شروع به ترك خوردن كرده و اين روند در نزديكي تنش بيشينه محوري تفاضلي دچار افزايشي ناگهاني مي‌شود و در زمان شكست، عدد چگالي ترك در بازه‌اي ثابت قرار مي‌گيرد كه نشان دهنده شكست در نمونه است. در آزمايش تك‌محوري مي‌توان تجمع ريزتركها براي ايجاد شكست به موازات محور طولي نمونه و يا شكاف1 را به‌خوبي در مدل مشاهده كرد. با افزايش تنش همه‌جانبه به 25‌مگا پاسكال، حالت تجمع ريز‌تركها براي ايجاد شكست در مدل به حالت شكست برشي نزديك مي‌شود. با پيگيري روند ايجاد ريزتركها و شكست مدل در آزمايش‌هاي سه‌محوري با فشارهاي همه‌جانبه 50، 60 و 80 مگا‌پاسكال به‌خوبي نحوه شكست برشي در مدل ديده شد.

One of the most important goals of the experiments is to determine deformation and strength of the rock specimen under applying triaxial load. The status of failure condition is one of the subjects, which can be used in soil mechanic and foundation engineering applications. To investigate the effect of confining pressure on the triaxial test, the rock was considered as bonded-particles method and simulated by PFC3D program. To compare the mechanical behavior and failure pattern of the numerical and experimental results at uniaxial and triaxial tests at the same conditions, the Youngʹs modulus, Poissonʹs ratio and maximum axial stress were considered. On the other hand, the microcracks growth and change of failure pattern at the modeling of the uniaxial and triaxial tests with different confining pressures up to failure point were reported. According to the experimental work, the number density of microcracks decreases from starting value and remains almost constant up to the failure beyond that point. Comparison of the numerical and experimental results of maximum axial stress and the Poissonʹs ratio revealed a good accordance. The simulated Youngʹs modulus was smaller in comparison with the experimental ones and the difference was about 36%, which seems to be due to absence of the pre-existing microcracks on the model. The initial number density of microcracks at the model was zero and increased while microcracking. Also the sudden increment around the maximum stress was observed, which is because of unstable growing of microcracks near the maximum stress. In all uniaxial and triaxial tests with different confining stresses, the number density of microcracks during the failure remained almost constant, which can be considered as a proof of failure occurring in the model. The experimental results indicated a similar trend as well.