نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

بررسی آزمایشگاهی و عددی روش‌های مرسوم در تعیین چقرمگی شکست مود I بتن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
2 گروه مهندسی معدن، مجتمع آموزش عالی زرند، زرند، ایران
چکیده
چقرمگی شکست یکی از مهم‌ترین خواص مکانیکی مواد شبه‌سنگی به شمار می‌رود که نقش تعیین‌کننده‌ای در تحلیل پایداری سازه‌های بتنی و سنگی دارد. در سال‌های اخیر، انجمن بین‌المللی مکانیک سنگ (ISRM) چند هندسه مختلف شامل SCB، CB، CCNBD و SR را برای تعیین چقرمگی شکست مود I پیشنهاد کرده است. با این حال، گزارش‌های متعددی نشان داده‌اند که مقادیر به‌دست‌آمده از این روش‌ها یکسان نبوده و اختلاف محسوسی میان آن‌ها وجود دارد. در این پژوهش به‌منظور بررسی دقیق این موضوع، مجموعه‌ای از آزمایش‌های آزمایشگاهی بر روی نمونه‌های بتنی استاندارد طراحی و اجرا شد و مقادیر چقرمگی شکست تعیین گردید. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که مقادیر چقرمگی شکست به نوع هندسه وابسته بوده و بیشترین مقدار چقرمگی برای بتن با مقاومت Mpa30در نمونه CCNBD به میزان MPa m0.5 43/0 و کمترین مقدار در نمونه SCB به میزان MPa m0.5 34/0 حاصل شده است که اختلافی در حدود 26.4 درصد بین این مقادیر وجود داشت. همچنین مدل‌سازی عددی سه‌بعدی با استفاده از روش اجزای مجزا در نرم‌افزار YADE انجام شد. پیش از شبیه‌سازی هندسه‌ها، پارامترهای میکروسکوپی مدل از طریق آزمون‌های مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS) و کشش غیرمستقیم (BTS) کالیبره شدند. نتایج عددی حاصل از شبیه‌سازی هندسه‌های مختلف نشان داد که مدل اجزای مجزا قادر است مقادیر چقرمگی شکست و همچنین الگوهای شکست را با دقت بالا بازتولید نماید. اختلاف میان داده‌های آزمایشگاهی و عددی در تمامی هندسه‌ها کمتر از 2 تا 3 درصد بود. یافته‌های این تحقیق بیانگر آن است که انتخاب هندسه آزمایش اثر مستقیم و چشمگیری بر مقدار چقرمگی شکست دارد و استفاده از مدل‌سازی عددی می‌تواند ابزاری کارآمد برای تفسیر و تحلیل این اختلافات باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Liu HW (1983) On the fundamental basis of fracture mechanics. Eng Fract Mech 17:425–438.
[2] Mahanta B, Tripathy A, Vishal V, Singh T N and Ranjith P G (2017) EAects of strain rate on fracture toughness and energy release rate of gas shales; Eng. Geol. 218 39–49.
[3] Molladavoodi, H. , Dolatshahi, A. , Arash, M. and Mashayekhi, M. M. (2024). Experimental study on temperature effect on the tensile fracture toughness of cement mortars containing micro-silica. JOURNAL OF ROCK MECHANICS, 8(1), 51-65. doi: 10.22034/IRSRM.2024.515881.1026.
[4] Ma, G., Li, J., Zhou, X., Chen, J., Zhang, Y., & Qiu, P. (2022). Experimental and numerical investigations on fracture behaviours of cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) sandstone specimen under cyclic loading. Engineering Fracture Mechanics, 271, 108673.
[5] Yu, H., Andersen, D. H., He, J., & Zhang, Z. (2021). Is it possible to measure the tensile strength and fracture toughness simultaneously using flattened Brazilian disk?. Engineering Fracture Mechanics, 247, 107633.
[6] Dai, F., Wei, M. D., Xu, N. W., Zhao, T., & Xu, Y. (2015). Numerical investigation of the progressive fracture mechanisms of four ISRM-suggested specimens for determining the mode I fracture toughness of rocks. Computers and Geotechnics, 69, 424-441.
[7] Yan, Z. H. O. U., Cai-gui, Z. H. A. N. G., Jing-rui, Y. A. N. G., & Qi-zhi, W. A. N. G. (2015). Comprehensive Calibration of the Stress Intensity Factor for the Holed Flattened Brazilian Disc With an Inner Single Crack or Double Cracks. Applied Mathematics & Mechanics (1000-0887), 36(1).
[8] Akbardoost, J., Ghadirian, H. R., & Sangsefidi, M. (2017). Calculation of the crack tip parameters in the holed‐cracked flattened Brazilian disk (HCFBD) specimens under wide range of mixed mode I/II loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 40(9), 1416-1427.
[9] Kuruppu M D, Obara Y, Ayatollahi M R, Chong K P and Funatsu T (2014) ISRM-suggested method for determining the mode I static fracture toughness using semi-circular bend specimen; Rock Mech. Rock Eng. 47 267–274.
[10] Wong L N Y and Guo T Y (2019) Microcracking behavior of two semi-circular bend specimens in mode I fracture toughness test; Eng. Fract. Mech. 106565.
[11] Li J L, Wei X D and Zhao G F (2023) An integrated experimental and numerical study of size eAect on the mode I fracture toughness of rock; Eng. Fract. Mech. 287 109327.
[12] Torabi, A. R., Jabbari, M., & Akbardoost, J. (2020). Scaling effects on notch fracture toughness of graphite specimens under mode I loading. Engineering Fracture Mechanics, 235, 107153.
[13] Erarslan, N., & Aliha, M. R. M. (2025). Fracture and Damage Analysis of Cement Stabilized Fine and Coarse Grain Soils Under Static and Cyclic Loading Using Chevron‐Notched SCB Specimen. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 48(6), 2708-2724.
[14] Ouchterlony F. (1988) ISRM commission on testing methods. Suggested methods for determining fracture toughness of rock. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 25:71–96.
[15] Iqbal, M.J., and Mohanty, B. (2007). Experimental calibration of ISRM suggested fracture toughness measurement techniques in selected brittle rocks. Rock Mechanics and Rock Engineering. 40: 453-475.
[16] Tutluoglu, L. and Keles, C., (2011), Mode I fracture toughness determination with straight notched disk,International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, vol. 48, pp. 1248-1261.
[17] Fowell, R. J., Hudson, J. A., Xu, C., & Zhao, X. (1995). Suggested method for determining mode I fracture toughness using cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) specimens. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts (Vol. 7, No. 32, p. 322A).
[18] Fowell, R.J., Xu, C., and Dowd, P.A. (2006). An update on the fracture toughness testing methods related to the cracked chevron-notched Brazilian disk (CCNBD) specimen. Pure and applied geophysics. 163: 1047-1057.
[19] Sun, Z.and Ouchterlony, F., (1986) Fracture toughness of stripa granite cores, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, vol. 23, pp. 399-409.
[20] Chong, K. P., & Kuruppu, M. D. (1984). New specimen for fracture toughness determination for rock and other materials. International Journal of Fracture, 26(2), R59-R62.
[21] Kuruppua MD, Chong KP (2012) Fracture toughness testing of brittle materials using semi-circular bend (SCB) specimen. Eng Fract Mech 91:133–150.
[22] Xu, N. W., Dai, F., Wei, M. D., Xu, Y., & Zhao, T. (2016). Numerical observation of three-dimensional wing cracking of cracked chevron notched Brazilian disc rock specimen subjected to mixed mode loading. Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(1), 79-96.
[23] Li QM, Lu YB, Meng H (2009) Further investigation on the dynamic compressive strength enhancement of concrete-like materials based on split Hopkinson pressure bar tests. Part II: numerical simulations. Int J Impact Eng 36:1335–1345.
[24] Li XB, Zou Y, Zhou ZL (2014) Numerical simulation of the rock SHPB test with a special shape striker based on the discrete element method. Rock Mech Rock Eng 47(5):1693–1709
[25] Zhao GF, Fang JN, Zhao J (2011) A 3D distinct lattice spring model for elasticity and dynamic failure. Int J Numer Anal Meth Geomech 35:859–885
[26] Wu ZJ, Ngai L, Wong Y (2014) Investigating the effects of micro- defects on the dynamic properties of rock using Numerical Manifold method. Constr Build Mater 72:72–82
[27] Cundall PA, Strack ODL (1979) A discrete numerical model for granular assemblies. Geotechnique 29(1):47–65
[28] Potyondy DO, Cundall PA (2004) A bonded-particle model for rock. Int J Rock Mech Min Sci 41:1329–1364.
[29] Alkılıçgil, Ç. (2010). Development of specimen geometries for mode I fracture toughness testing with disc type rock specimens (Doctoral dissertation, Middle East Technical University (Turkey)).
[30] Ouchterlony, F. and ISRM Working Group Coordinator, Swedish Detonic Research Foundation, SveDeFo (1990) 'Fracture Toughness Testing Of Rock With Core Based Specimens', Engineering Fracture Mechanics, vol. 35, no. 1/2/3, pp. 351-366.
[31] Ouchterlony F. (1988) ISRM commission on testing methods. Suggested methods for determining fracture toughness of rock. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr ;25:71–96.
[32] Chang, S.-H., Lee, C.-I., and Jeon, S., (2002) Measurement of rock fracture toughness under modes I and II and mixed-mode conditions by using disc-type specimens, Engineering geology, vol. 66, no. 1-2, pp. 79-97.
[33] Wei, M. D., Dai, F., Xu, N. W., Liu, Y., & Zhao, T. (2018). A novel chevron notched short rod bend method for measuring the mode I fracture toughness of rocks. Engineering Fracture Mechanics, 190, 1-15.
[34] Sabri, M., Ghazvinian, A., Nejati, H. (2015). Experimental and numerical investigation of crack propagation in particle size heterogeneous rock like material. Modares Civil Engineering journal, 15(5), 169-180.
[35] Institute of Standards & Industrial Research of Iran, mixing room, moist chamber, moist room, and water ponds used in hydraulic testing of cement and concretes, Standard No. 17040.(2013). (In Persian)
[36] Thoeni, K., Giacomini, A., Lambert, C., Sloan, S. W., & Carter, J. P. (2014). A 3D discrete element modelling approach for rockfall analysis with drapery systems. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 68, 107-119.