انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Application of Numerical Simulation to Estimate Stress Damage Thresholds in Some Types of Sandstones کاربرد شبیه‌سازی عددی به منظور برآورد آستانه‌های آسیب ناشی از تنش در برخی از انواع ماسه‌سنگ‌ها 1 21 214887 10.22034/IRSRM.2024.400443.1444 FA مهران نوری گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران 0009-0004-6800-4187 وهاب سرفرازی گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران حمیدرضا نجاتی گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران مجتبی بهاالدینی دانشکده مهندسی معدن، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران 0000-0001-8957-8092 بهروز رفیعی گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران غلامرضا خانلری گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران Journal Article 2024 04 08 Identifying the stress levels required to initiate and propagate microcracks induced by stress in brittle rock masses plays a fundamental role in predicting the long-term behavior of the rock mass surrounding underground excavations. Spalling strength can be estimated by determining the crack initiation stress (σci) and crack damage stress (σcd) levels derived from uniaxial compressive strength (UCS) tests. This study utilizes particle flow code (PFC2D) software to estimate the stress damage thresholds. To this end, numerical modeling of five types of sandstone was performed using the flat joint model (FJM) within the PFC environment. To evaluate the validity of the models, the simulation results were compared with laboratory data. Based on the analyses, the ratio of crack initiation stress (σci) to UCS in the numerical models ranged from 0.39 to 0.55, indicating that microcracks begin to form within this stress range. Moreover, the crack damage stress (σcd) thresholds in the numerical models were determined as 85, 63, 126, 114, and 149 MPa for the five models, corresponding to 0.85 to 0.93 of the UCS of the sandstone samples. شناسایی تنش لازم برای شروع و گسترش ریزترک‌های ناشی از تنش در توده‌سنگ‌های شکننده، نقشی اساسی در پیش‌بینی رفتار بلندمدت توده‌سنگ میزبان حفاری‌های زیرزمینی ایفا می‌کند. مقاومت پوسته‌شدگی (Spalling) را می‌توان از طریق تعیین سطوح تنش آغاز ترک (σci) و آسیب ترک (σcd) حاصل از آزمایش‌های فشاری تک‌محوری تخمین زد. این پژوهش با هدف برآورد آستانه‌های آسیب تنش‌، از نرم‌افزار کد جریان ذرات (PFC2D) بهره برده است. بدین منظور، مدل‌سازی عددی پنج نوع ماسه‌سنگ مختلف با استفاده از مدل پیوند مسطح (FJM) در محیط PFC انجام شد. برای ارزیابی صحت مدل‌ها، نتایج شبیه‌سازی‌ها با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شدند. بر اساس تحلیل‌ها، نسبت تنش آغاز ترک (σci) به مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS) در مدل‌های عددی در بازه 0.39 تا 0.55 قرار داشت. این یافته نشان می‌دهد که ریزترک‌ها در محدوده تنشی 0.39 تا 0.55 برابر مقاومت فشاری تک‌محوری، شروع به شکل‌گیری می‌کنند. همچنین، آستانه تنش آسیب ترک (σcd) در مدل‌های عددی معادل 85، 63، 126، 114 و 149 مگاپاسکال به‌ترتیب برای پنج مدل بدست آمد که برابر با 0.85 تا 0.93 مقاومت فشاری تک‌محوری نمونه‌های ماسه‌سنگی است. https://www.irsrmjournal.ir/article_214887_2023999237cf61ca6bf8150205ce401c.pdf

انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Fracture analysis of rock-type U-notched components using single edge U-notched beam (SEUNB) sample بررسی رفتار شکست مود II خالص قطعات سنگی دارای شیار U شکل با استفاده از یک قطعه ی مستطیلی 23 36 217346 10.22034/irsrm.2024.42024.1112 FA جواد اکبردوست گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران رویا آتش زای گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران Journal Article 2024 04 05 Flaws, cracks, slits and other geometrical discontinuities which play as stress raiser, are among the inherent characteristics of rock masses. Due to existence of these defects, the load bearing capacity of rock masses reduces significantly. Thus, the fracture of rock masses containing geometrical discontinuities should be assessed. Some of slits on the rock components can be considered as a U-shaped notch and therefore, the assessment of rock-type U-notched sample is essential. In this paper, the in-plane shear mode (pure mode II) fracture behavior of rock part containing U-shaped notch is investigated experimentally and theoretically. Since there are some problems in generating and testing the circular shaped samples, in this study, a new test configuration based on a rectangular beam is proposed. The sample investigated in this study is the single edge U-notched beam (SEUNB) specimen which is loaded under skew-symmetric four-point bending. Determining the notch stress intensity factors (NSIF) via finite element method for SEUNB shows that the mode I NSIF is zero and hence pure mode II is achieved. Using two stress-based criteria (maximum tangential stress (MTS) and mean stress (MS) criteria) utilized extensively for investigating the fracture behavior of notched samples, the critical NSIF which represents the fracture resistance of notched samples, is predicted for each tested sample. The comparison between the experimental results and theoretical predictions demonstrates that both fracture criteria are able to predict the mode II fracture resistance of rock U-notched samples in an acceptable range for practical engineering project in the field of rock mechanics. شکاف‌ها که به عنوان یک افزایش دهنده تنش عمل می‌کنند، جزو ذات اصلی توده های سنگی هستند و وجود این ناپیوستگی‌های هندسی باعث کاهش شدید بارپذیری سنگ‌ها می‌گردد. برخی از این شکاف‌ها که به صورت طبیعی و یا مصنوعی در توده‌های سنگی ایجاد می‌شوند، را می‌توان به صورت شیار U شکل در نظر گرفت. وجود شیار U شکل نیز با تمرکز تنش همراه است که این امر شکست توده‌های سنگی را تحت الشعاع قرار می‌دهد. بنابراین بررسی شکست توده‌های سنگی دارای شیار U شکل یکی از موضوعات مهم در حوزه مکانیک سنگ می‌باشد. در این مقاله، شکست مواد سنگی دارای شیار U شکل، تحت بارگذاری مود II خالص بررسی می‌شود. برای این منظور، ابتدائاً، قطعات مستطیلی دارای شیار U شکل از جنس مرمریت هرسین تهیه گردیدند و تحت خمش چهار نقطه‌ای پادمتقارن آزمایش شدند. با توجه به صفر شدن ضریب شدت تنش شیارِ مود I می‌توان گفت که شرایط مود II خالص در این قطعه ایجاد می-شود. سپس با استفاده از دو معیار تنش پایه که نسبتاً ساده هستند، سعی می‌گردد تا نتایج آزمایشگاهی تخمین زده شود. نتایج ارزیابی‌‌ها حاکی از آن است که معیارهای مذکور، می‌توانند در محدوده‌ی قابل قبول مهندسی شرایط شکست قطعات سنگی شیاردار را تخمین بزنند. https://www.irsrmjournal.ir/article_217346_57093587214bc7be84b710dc40eb4d3b.pdf

انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Providing a Unified Anisotropic Behavioral Model for Simulating the Behavior of Soft Rocks ارائه یک مدل رفتاری یکپارچه ناهمسانگرد برای شبیه‌سازی رفتار سنگ‌های نرم 37 49 218058 10.22034/IRSRM.2024.432658.1238 FA بهنام قبادی تهران- نارمک جنوبی- خیابان رجب بلوکات- بن بست نسیم- پلاک 2- طبقه اول احسان طاهری گروه مکانیک سنگ، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس 0000-0002-7291-697X سیدعلی قریشیان امیری دانشگاه علم و فناوری نروژ سید مصلح افتخاری دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه تربیت مدرس 0000-0002-3126-9024 Journal Article 2024 04 11 In this paper, a unified behavioral model is used to simulate the behavior of anisotropic rocks. The proposed unified behavioral model employs the non-associated flow rule and the concept of critical state. Furthermore, the proposed model is developed based on the concept of the sub-loading surface to predict the smooth transition behavior from elastic to plastic states. To implement the model, the implicit Euler method is utilized. For modeling anisotropy, a 13-plane model is employed, with each of these planes exhibiting elastoplastic behavior. The overall behavior of the soil is calculated by assessing the separate behavior of multiple individual planes in different directions at a point. A set of unconventional constitutive equations is used separately for each plane. Using this model, the induced anisotropic effects are simulated. Subsequently, three rock samples under monotonic loading in drained conditions are simulated with the unified behavioral model and compared with laboratory data. For each of the tests conducted at different confining pressures, the deviatoric stress-axial strain and volumetric strain-axial strain graphs were plotted. Based on the results obtained from the numerical simulations, the strain softening behavior, maximum stress, and the behavior of rock samples before and after maximum stress. It was shown that the developed model can be effectively used to simulate the behavior of rocks. در این مقاله از الگوی رفتاری یکپارچه ناهمسانگرد برای شبیه سازی رفتار سنگ‌های نرم استفاده شده است. در الگوی رفتاری یکپارچه ارائه شده از قانون جریان ناهمراه و مفهوم حالت بحرانی استفاده شده است. علاوه بر این، الگوی پیشنهادی براساس مفهوم سطح زیر بارگذاری برای پیش بینی رفتار انتقال نرم از حالت الاستیک به پلاستیک توسعه داده شده است. به منظور پیاده سازی مدل از روش ضمنی اویلر استفاده شده است. برای مدلسازی ناهمسانگردی از یک مدل 13 صفحه‌ای استفاده استفاده شده است که هر کدام از این صفحات دارای رفتار الاستوپلاستیک هستند. رفتار کلی خاک از محاسبه رفتار جداگانه صفحات منفرد متعدد در جهات مختلف در یک نقطه محاسبه می شود. مجموعه ای از معادلات سازنده غیر متعارف در هر صفحه به طور جداگانه استفاده شد. با استفاده از این مدل اثر ناهمسانگردی القایی مدل‌سازی می‌شود. در ادامه، 3 نمونه‌ سنگ نرم تحت بارگذاری یکنواخت در شرایط زه‌کشی شده با مدل رفتاری یکپارچه شبیه‌سازی و با داده‌های آزمایشگاهی سه محوره مقایسه شدند. برای هر کدام از آزمایش‌های انجام شده در فشارهای جانبی مختلف نمودارهای تنش انحرافی- کرنش محوری و کرنش حجمی- کرنش محوری ترسیم شد. با توجه به نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی های عددی، رفتار کرنش نرم‌شوندگی، مقدار مقاومت حداکثر و رفتار نمونه های سنگی قبل و بعد از مقاومت حداکثر به طور قابل‌قبولی شبیه‌سازی شد. نشان داده شد که مدل توسعه داده شده را می‌توان به طور مطلوبی برای شبیه‌سازی رفتار سنگ‌های نرم استفاده کرد. https://www.irsrmjournal.ir/article_218058_29d638e276eadf4d1e6de96f3c441f90.pdf

انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Experimental study on temperature effect on the tensile fracture toughness of cement mortars containing micro-silica مطالعه تجربی تاثیر دما بر چقرمگی‌ شکست کششی ملات‌ سیمان حاوی میکروسیلیس 51 65 218224 10.22034/IRSRM.2024.515881.1026 FA حامد ملاداودی دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. علیرضا دولتشاهی دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. 0000-0003-0702-4294 مهدی آرش دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. 0009-0008-8307-465X محمد مهدی مشایخی دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. Journal Article 2024 04 08 Given the importance of cement-based structures such as concrete and cement mortar in civil and mining engineering, special attention is always paid to the fracture mechanics of these materials under different environmental conditions. One of the most important parameters of fracture mechanics is the resistance to crack growth. Semi-brittle materials such as stone and cement-based materials operate in weak tension, and evaluating various factors on the critical stress intensity factor of the tensile state of these materials always allows researchers and engineers to have successful designs and projects. In this study, the effect of different temperatures such as -10, 25, 50 and 100 degrees Celsius on the fracture toughness of 3 types of cement mortars reinforced with micro-silica pozzolan with a replacement percentage of 0, 5 and 10% of the weight of cement used in the cement mortar has been investigated. The results of this study showed that with increasing temperature, tensile fracture toughness decreases, and with increasing micro-silica by 5 and 10%, the resistance to tensile crack growth of cement mortar at the temperature of 100 degrees Celsius examined in this study increases by a maximum of 15.70 and 9%. با توجه به اهمیت سازه‌های پایه ‌سیمانی نظیر بتن و ملات ‌سیمان در مهندسی عمران و معدن، همواره توجه ویژه‌ای به مکانیک شکست این مصالح تحت شرایط محیطی مختلف می‌شود. یکی از مهمترین‌ پارامترهای مکانیک شکستی، مقاومت در برابر رشد ترک است. مصالح شبه‌شکننده نظیر سنگ و مصالح پایه‌سیمانی در کشش ضعیف عمل می‌کنند و ارزیابی عوامل مختلف بر روی ضریب شدت تنش بحرانی حالت کششی این مصالح همواره به محققین و مهندسین این اجازه را می‌دهد تا طراحی‌ها و پروژه‌های موفقی داشته‌باشند. در این مطالعه به بررسی اثر دماهای مختلف از قبیل 10-، 25، 50 و 100 درجه سانتی‌گراد برروی چقرمگی شکست 3 نوع ملات سیمان تقویت شده با پوزولان میکروسیلیس با درصد جایگزینی صفر، 5 و 10% وزن سیمان مصرفی در ملات سیمان پرداخته شده است. نتایج این مطالعه نشان داد که با افزایش دما، چقرمگی شکست کششی کاهش می‌یابد. همچنین، جایگزینی 5 و 10 درصد میکروسیلیس سبب افزایش مقاومت در برابر رشد ترک کششی ملات سیمانی شده که در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به ترتیب 15.7٪ و 9٪ افزایش یافته است. https://www.irsrmjournal.ir/article_218224_be098eeeda92e0f6534b19c5c12e930e.pdf

انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Predicting the Abrasive Resistance of Building Stones Using Regression Models and Random Forest Algorithm پیش‌بینی مقاومت سایشی سنگ‌های ساختمانی با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و الگوریتم جنگل تصادفی 67 82 218232 10.22034/IRSRM.2024.500882.1204 FA علی بامری دانشجوی دکتری مهندسی معدن، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران. ابراهیم قاسمی دانشیار گروه مهندسی معدن دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران. Journal Article 2024 04 13 This study aims to predict the Böhme abrasion value (BAV) as a measure of the abrasive resistance of building stones using regression models and machine learning algorithms. A total of 160 datasets, including physical and mechanical parameters of stones such as porosity (N), water absorption (Wa), and Shore hardness value (SHV), were collected and analyzed. The results indicated that all three parameters significantly impact abrasive resistance: increased porosity and water absorption lead to lower abrasive resistance, while higher Schmidt hardness results in greater abrasive resistance. Multivariate regression models and the Random Forest algorithm were used to predict BAV with high accuracy, particularly the Random Forest model, which achieved superior performance with higher precision indicators, including a normalized root mean square error (NRMSE) of 0.110 and a variance account for (VAF) of 0.839. These models not only reduce the need for costly and time-consuming physical tests but also support designers and engineers in making more informed decisions when selecting suitable building materials for high-traffic and harsh environmental conditions این مطالعه با هدف پیش‌بینی شاخص باهمه (BAV)، به عنوان معیاری از مقاومت سایشی سنگ‌های ساختمانی، با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و الگوریتم‌های یادگیری ماشین انجام شده است. برای این منظور، 160 مجموعه داده شامل پارامترهای فیزیکی سنگ‌ها از جمله درصد تخلخل (N)، جذب آب (Wa) و سختی شور (SHV) جمع‌آوری و تحلیل شدند. نتایج نشان داد که هر سه پارامتر تاثیر قابل توجهی بر مقاومت سایشی دارند، به‌ طوری ‌که با افزایش تخلخل و جذب آب، مقاومت سایشی کاهش و با افزایش سختی شور، مقاومت سایشی افزایش می‌یابد. مدل‌های رگرسیونی چندمتغیره و الگوریتم جنگل تصادفی با دقت بالایی مقدار BAV را پیش‌بینی کردند، به ‌ویژه مدل جنگل تصادفی که توانست با شاخص‌های عملکردی بالاتر، از جمله ضریب تعیین R² (0.821)، خطای ریشه میانگین مربعات نرمال ‌شدهNRMSE (0.114) ، واریانس خطاVAF (0.821) و میانگین قدر مطلق خطا MAE (4.576) دقت بهتری ارایه دهد. این مدل‌ها نه تنها نیاز به آزمایش‌های فیزیکی پرهزینه و زمان‌بر را کاهش می‌دهند، بلکه به مهندسان کمک می‌کنند تا در انتخاب مصالح ساختمانی مناسب برای شرایط پرتردد و محیط‌های سخت، تصمیم‌گیری بهتری داشته باشند. https://www.irsrmjournal.ir/article_218232_b1ffa2c7854e191797c43660d499363e.pdf

انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 8 1 2024 06 20 Numerical Modeling of the Pipe Roofing System for Tunnel Pre-Treatment (Case Study: Taleghan Tunnel) مدلسازی عددی سیستم لوله‌گذاری سقفی جهت پیش‌تحکیم تونل (مطالعه موردی تونل طالقان) 83 97 218821 10.22034/irsrm.2024.511101.1028 FA سید امین موسوی گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ولی‌عصر(عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران 0000-0003-4196-0158 بهنام کشاورز گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی قزوین، قزوین، ایران میررئوف هادئی گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی قزوین، قزوین، ایران Journal Article 2024 04 04 Tunnel excavation causes stress redistribution in the rocks surrounding the tunnel. This action causes a tendency for convergence in the tunnel wall. Depending on the characteristics of the ground, convergence may reduce the excavation cross-section or cause the crown and abutment of the tunnel to collapse. To prevent collapse, it is necessary to strengthen the rock mass and soil of the abutment. The umbrella arch is one of the pre-consolidation systems that is implemented in an arch shape at the top of the tunnel before excavation. A correct understanding of how the umbrella arch works requires complex calculations that are made possible by numerical modeling methods. This study examines how the umbrella method works and its effect on the Taghan-Hashtgerd road tunnel. Part of the cross-section of this tunnel has a high collapse potential due to its location in loose and shale materials. For this purpose, the tunnel with umbrella pre-retention has been numerically modeled using FLAC 3D software. In this study, in addition to investigating the necessity of using the umbrella arch, the effect of geometric and physical parameters such as the distance between the pipes and the diameter of the pipes on the stability of the tunnel has been investigated. The criteria for investigation are the vertical displacement at the tunnel crest, Sakurai relations, and the investigation of the stability of the pipes. The results show that increasing the diameter and reducing the distance have a positive effect on the stability of the tunnel. Also, the umbrella method has led to a reduction in the displacement of the tunnel crest by 36%. حفاری تونل باعث تولید بازتوزیع تنش در سنگ‌های پیرامون تونل می‌شود. این عمل سبب میل به همگرایی در جداره تونل می‌شود. بسته به ویژگی‌های زمین، همگرایی ممکن است باعث کاهش سطح مقطع حفاری و یا فروپاشی تاج و سینه کار تونل گردد. برای جلوگیری از ریزش لازم است توده سنگ و خاک سینه کار تقویت شود. قوس چتری یکی از سیستم‌های پیش‌تحکیمی است که قبل از حفاری در بالای تونل به شکل قوسی اجرا می‌گردد. درک صحیح از نحوه عملکرد قوس چتری نیازمند محاسبات پیچیده‌ای است که این محاسبات با روش‌های مدلسازی عددی امکان پذیر می‌شود. در این مطالعه به بررسی چگونگی عملکرد روش چتری و تاثیر آن در تونل راه طاقان-هشتگرد پرداخته شده است. قسمتی از مقطع این تونل به دلیل قرار گرفتن در مصالح سست و ریزشی (شیل) داری پتانسیل ریزش بالایی است. بدین منظور تونل با پیش‌نگهداری چتری به روش عددی توسط نرم افزار FLAC 3D مدلسازی شده است. در این مطالعه علاوه بر بررسی ضرورت استفاده از قوس چتری، اثر پارامترهای هندسی و فیزیکی از قبیل فاصله بین لوله‌ها و قطر لوله‌ها بر پایداری تونل مورد بررسی قرار گرفته است. معیار بررسی، جابجایی عمودی در تاج تونل، روابط ساکورایی و بررسی پایداری لوله‌ها است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش قطر و کاهش فاصله اثر مثبت بر پایداری تونل می‌گذارد. همچنین روش چتری منجر به کاهش جابجایی تاج تونل به میزان 36% شده است. https://www.irsrmjournal.ir/article_218821_36820d9cff981312031789b1900ade2c.pdf