عنوان پایان‌نامه
مدلسازی ترموهیدرومکانیک ترک خوردگی محیط متخلخل با استفاده از مدل ترک چسبنده و روش عددی اجزای محدود بسط یافته
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2358;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81074;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2358;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81074
- تاریخ دفاع
- ۳۰ اردیبهشت ۱۳۹۶
- دانشجو
- علیرضا مختاری ورنوسفادرانی
- استاد راهنما
- بهروز گتمیری
- چکیده
- به‌طورکلی حفاری‌های مربوط به دفن زباله‌های اتمی در سنگ‌های گرانیتی در اعماق زیاد (حتی بیش از 400 متر) صورت میگیرد که این توده‌ها کاملاً مستعد ایجاد و انتشار ریزترک‌ها می‌باشند. ترک‌های ایجادشده در حین حفاری و یا بعدازآن می‌توانند اثرات گسترده‌ای روی خواص ترموهیدرومکانیکی توده ژئوتکنیکی بگذارند و عملاً رفتار تنش-کرنش و خواص هیدرولیکی آن‌ها را دستخوش تغییرات گسترده‌ای نماید. از طرف دیگر ازآنجایی‌که رطوبت و گرما به‌صورت هم‌زمان در ساختار متخلخل توده ژئوتکنیکی جریان دارند و حالت تنش در هرلحظه به هردوی آن‌ها بستگی دارد، شناسایی دلیل اصلی ترک‌خوردگی این مواد دشوار است و به بررسی دقیق فرآیندهای ترموهیدرومکانیکی در محیط متخلخل در کنار مطالعه عوامل مؤثر بر ایجاد و گسترش ترک در محیط متخلخل نیاز دارد. در این پایان نامه مدلی برای شبیه سازی محیط متخلخل غیراشباع ترک خورده که تحت تأثیر گرادیان حرارتی قرار دارد ارائه میشود. اغلب مصالح شبه ترد مانند خاک و سنگ و مصالح بنایی توانایی تحمل تنش های بی نهایت را ندارند. ازاینرو استفاده از مکانیک شکست الاستیک خطی برای شبیه سازی گسترش ترک در این مواد که منجر به تنش های بی نهایت در نوک ترک میشود، امری خلاف واقع است. برای پر کردن این خلأ، مدل ترک چسبنده ارائه شده است که مقاومت بسیج شده در نوک ترک را به بازشدگی ترک وابسته مینماید. برای مدلسازی مقاومت ماده در نوک ترک، رابطهای برحسب بازشدگی ترک ارائه میشود و مقدار نیروی کششی اعمالی در نوک ترک برحسب بازشدگی ترک محاسبه میشود. وجود جریانهای چند فازه در محیط متخلخل باعث میشود که گسترش ترک علاوه بر تأثیرات ترموهیدرومکانیکی، در میدانهای جریان سیال و دما نیز تغییراتی ایجاد کند. در محل ترک، تبادل دبی سیال و حرارت وجود خواهد داشت که باعث میشود گرادیانهای نرمال فشار مایع و دما در محل ترک ناپیوسته باشند. دبی تبادل شده رطوبت و حرارت بین محیط متخلخل و ترک که با استفاده از بازنویسی قانون بقای جرم و انرژی در اطراف ترک محاسبه میشود، به صورت جمله‌ای اضافه در رابطه‌ی کلی بقای جرم و بقای انرژی در نظر گرفته میشود. حل معادلات به دست آمده با استفاده از روش عددی اجزای محدود بسط یافته صورت میگیرد. در این روش، غنی سازیهایی به حل معمول اجزای محدود اضافه میشود تا نوع ناپیوستگیهای در نظر گرفته شده، مدل شود. برای مدلسازی ناپیوستگی قوی در میدان تغییر مکان از تابع پله و برای مدلسازی ناپیوستگی ضعیف در میدان فشار مایع و دما از تابع قدر مطلق فاصله کمک گرفته میشود. نخستین مسئله ای که موردبررسی قرار میگیرد، صحت مدل را در حالت بدون وجود ترک نشان میدهد. در دو مسئله‌ی بعدی گسترش ترک چسبنده در یک تیر ساده و یک تیر طره بررسی میشود. در دو مسئله‌ی بعد گسترش ایزوترمال ترک در ورق مستطیلی غیراشباع در مود اول گسیختگی بررسی میشود. تأثیرات تخلخل محیط، نفوذپذیری مرجع و طول اولیه‌ی ترک بر نتایج به دست آمده بررسی میشود. مسئله‌ی بعد گسترش ترک در پنل L شکل غیراشباع در مود مرکب است. نشان داده میشود که درجه اشباع اولیه بر نتایج به دست آمده تأثیر میگذارد. مثال بعد در مورد گسترش ترک لبهای در ورق با بارگذاری گرمایی است. نشان داده میشود که با باز شدن ترک و جذب آب به سمت ترک در قسمت ترک خورده، ظرفیت گرمایی محیط در ناحیه‌ی ترک خورده کاهش مییابد و گرما به خوبی نواحی دور از ترک منتقل نمیشود. در آخرین مثال ترک خوردگی یک دیوار بنایی براثر عوامل محیطی بررسی میشود. تأثیر شدت عوامل محیطی بر نتایج به دست آمده بررسی میشود.
- Abstract
- In general, granite rocks are excavated for nuclear waste disposal at high depths (even at more than 400 meters) that make these deposits quite susceptible of nucleation and propagation of microfractures. Fractures created during or after excavations have widespread effects on thermohydromechanical properties of geotechnical deposits and practically, their stress-strain behavior and hydraulic properties undergo massive changes. On the other hand, since moisture and heat flow simultaneously in porous structure of geotechnical deposits and the stress state depends on both of them at any time, it becomes difficult to identify the underlying cause of fracturing of these materials that necessitates careful investigation of thermohydromechnical processes in porous media along with examination of the factors affecting nucleation and propagation of cracks in porous media. Herein a model is presented for simulation of fractured porous media under heat gradient effect. Most semibrittle materials like soil, rock and masonries couldn’t withstand infinite stresses at crack tip, therefore, the use of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) for simulation of crack propagation in these materials that leads to infinite stresses at crack tip is unrealistic. To overcome this shortcoming, cohesive crack model is presented that associates mobilized cohesion at crack tip with crack opening. For modeling of material resistance at crack tip, the amount of applied tensile force at crack tip is given in terms of crack opening. The propagation of crack in multiphase porous media not only has influences on thermohydromechanical forces at crack tip, but it also makes some changes in moisture and heat flows. There are fluid and heat exchanges between crack and porous media that lead to discontinuity of gradients of ?uid pressure and temperature across the crack .The exchanged moisture and heat between crack and porous media that are calculated by rewriting of conservation laws around the crack, are considered as additional terms in overall forms of moisture and energy conservation equations. In order to discretize the obtained equations spatially, Extended Finite Element Method (XFEM) is used. In this method, some enrichments are added to ordinary finite element shape functions to model the considered type of discontinuity. To simulate strong discontinuity in displacement filed, the step function is added while to model weak discontinuity in water pressure and temperature fields, the absolute value of distance function is used. The first investigated example shows the accuracy of the model in the absence of fractures. In the following two examples, the propagation of cohesive crack in a simply supported beam and a cantilever beam are examined. In two subsequent examples, isothermal propagation of crack in an unsaturated rectangular plate is studied in first mode of failure. The effects of material porosity, reference permeability and initial crack length on obtained results are investigated. The next studied example is propagation of cohesive crack in an L-shaped panel in mixed mode of fracture. It is shown how initial saturation degree affects the results. The next example is about propagation of an edged crack due to thermal loading. It is demonstrated that with crack opening and absorption of moisture to the crack, the heat capacity of porous medium decreases in proximity of the crack and temperature increases slower around the crack than far away from it. In the last example, cracking of a masonry wall due to environmental factors is studied. The effects of environmental factors intensity on obtained results are investigated. Keywords: Thermohydromechanical behavior, Unsaturated soil, Multiphase porous media, Cohesive crack, Extended finite element, Flow in fractured porous media, Coupled model
