عنوان پایان‌نامه
ارائه مدل رفتاری درزه های ناپیوسته در سنگ
- رشته تحصیلی
- مهندسی معدن-مکانیک سنگ
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3247;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74984
- تاریخ دفاع
- ۰۱ تیر ۱۳۹۵
- دانشجو
- مصطفی اسدی زاده
- استاد راهنما
- سیدمحمدفاروق حسینی, مهدی موسوی
- چکیده
- شناخت رفتار توده سنگ با درزه های ناپیوسته در مقابل بار های وارده، می تواند مهندسین را در طراحی، جانمایی ایمن و اقتصادی شیب ها، فضاهای زیرزمینی، فونداسون های سنگی و ... کمک کند. وجود درزه های ناپیوسته در توده سنگ می تواند ایجاد پل های سنگی باربر کند. بنا بر این، شناخت هر چه بیشتر رفتار مقاومتی (فشاری و برشی) و تغییرشکل پذیری توده سنگ دارای پل های سنگی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این رساله رفتار مقاومتی، تغییرشکل پذیری، تنش به هم پیوستن ترک و الگوهای شکست پل سنگ نمونه های با درزه ناپیوسته در شرایط تک محوری و برش مستقیم مورد مطالعه قرار گرفته است. در آزمون های فشاری تک محوره و برش مستقیم تاثیر چهار پارامتر درزه ناپیوسته شامل ضریب زبری سطح درزه، طول پل، زاویه پل و زاویه درزه / تنش نرمال بر سطح درزه مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا به منظور دستیابی به مقاومت فشاری تک محوری حداکثر به طوری که شرایط ایجاد درزه ناپیوسته را فراهم کند، اختلاط بهینه مصالح، طراحی شده است. سپس به کمک قالب و ابزار آلات طراحی و ساخته شده امکان ایجاد درزه های ناپیوسته بسته فرآهم شده است. از مهمترین خصوصیات مصالح ایجاد شده مقاومت نسبی بالا (نسبت به گچ خالص)، تردی و زمان ژله ای مناسب مخلوط برای ایجاد درزه ناپیوسته را می توان نام برد. به کمک روش های طراحی آزمایش سطح پاسخ و تاگوچی آزمون های آزمایشگاهی طراحی شدند. در ادامه با استفاده از نتایج آزمون های آزمایشگاهی مدل های مقاومت فشاری تک محوره و تغییر شکل پذیری برای درزه های ناپیوسته پیشنهاد شده است. همچنین با توجه به طرح آزمون های ارائه شده، مدل تنش به هم پیوستن ترک بر حسب پارامترهای مذکور نیز ارائه شده است. نتایج آزمونهای تک محوری نشان داد که افزایش ضریب زبری سطح درزه، طول و زاویه پل مقاومت فشاری و مدول تغییرشکل پذیری نمونه ها را افزایش می دهد و افزایش زاویه درزه هر دو پارامتر بیان شده را کاهش می دهد. تاثیر پارامتر های درزه ناپیوسته بر مدول تغییرشکل پذیری به مراتب کمتر از مقاومت فشاری است. همچنین تنش به هم رسیدن ترک ها با افزایش طول پل و زاویه درزه به ترتیب افزایش و کاهش می یابد. به منظور بررسی تاثیر پارامترهای درزه های ناپیوسته بر مقاومت برشی آنها، با استفاده از نتایج آزمون های آزمایشگاهی برش مستقیم یک مدل مقاومت برشی برای درزه های ناپیوسته پیشنهاد شده است. نتایج نشان داد که افزایش ضریب زبری سطح درزه، تنش نرمال و زاویه پل مقاومت برشی را افزایش می دهد در حالی که افزایش طول پل باعث کاهش مقاومت برشی نمونه ها می شود. همچنین الگوی شکست نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت و تقسیم بندی جدیدی برای الگوی به هم پیوستن درزه ها در شرایط تک محوری و برش مستقیم ارائه شده است. در ادامه سازوکار شکست ریز مقیاس پل سنگ با استفاده از روش عددی المان مجزا و با به کارگیری نرم افزار PFC2D مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا به کمک آزمون های آزمایشگاهی مدل عددی کالیبره شد و در ادامه به کمک مدل کالیبره شده تاثیر پارامتر های گفته شده بر رفتار مقاومتی، تغییرشکل پذیری، الگوی شکست نمونه ها مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها نتایج مدل های آزمایشگاهی و عددی باهم مقایسه و مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. نتایج مدل سازی عددی قابلیت بالای نرم افزار PFC2D برای شبیه سازی رفتار مکانیکی و الگوی به هم رسیدن ترک را نشان داد. واژه‌های کلیدی: درزه ناپیوسته، رفتار مقاومتی و تغییرشکل پذیری، الگوی شگست پل سنگ، روش عددی المان مجزا
- Abstract
- An assessment of mechanical behavior of non-persistent jointed rock mass is an essential requirement for the site selection, design and successful execution of rock slopes, underground spaces and rock foundations. The existence of non-persistent joints in rock mass usually includes rock bridges that can bear additional loads in rock mass. Knowledge of strength behaviour (compression and shear) and deformability of non-persistent jointed rock mass is very important. In this dissertation, attempts have been done to investigate strength behaviour, deformability, crack coalescence stress and rock bridge failure patterns of non-persistent rough joints under uniaxial compression stress and direct shear stress. By laboratory investigations, the effect of four parameters namely joint roughness coefficient (JRC), bridge length (L), bridge angle (?) and joint angle (?) / normal stress (?n) on the uniaxial and direct shear strengths of non-persistent joints have been studied. To achieve the highest Uniaxial Compression Strength (UCS) the best mixture plan has been designed. Suitable molding cast and tools have been designed and manufactured to produce non-persistent joints. The most important characteristics of this material are brittleness and relatively enough gelation time to provide non-persistent joints easily and relatively with high strength in comparison to pure gypsum. The experimental experiments have been designed using two design experiment methods (Response Surface Methodology (RSM) and Taguchi method). Using the results of laboratory tests uniaxial compressive strength and deformation models have been proposed for strength and deformability of non-persistent discontinuities. Furthermore, according to the plan of proposed tests, crack coalescence stress model in the terms of mentioned parameters has also been provided. Uniaxial test results showed that the increase of joint surface roughness, bridge length and bridge angle increases compressive strength and deformation modulus of samples and an increase in joint angle reduces UCS and deformation modulus. The effect of non-persistent joint parameters on deformation modulus is considerably less than compressive strength. The crack coalescence stress with increasing bridge length and joint angle increases and decreases, respectively. To evaluate the effects of non-persistent joint parameters on their shear strength, using the results of direct shear tests, a shear strength model for non-persistent joints has been proposed. The results have showed that the increase of joint surface roughness, normal stress and bridge angle increases the shear strength while increasing the bridge length reduces shear strength. In addition, the failure pattern of samples has been investigated and a new crack coalescence classification for non-persistent joints under uniaxial and direct shear stress has been proposed. Besides micro scale mechanism of rock bridge failure using Discrete Element Method (DEM) and utilizing PFC2D software has been investigated. For this purpose, the numerical model has been calibrated using laboratory tests. Utilizing the calibrated numerical model the effect of non-persistent joint parameters on strength and deformability behaviour and failure patterns of specimens has been studied. Finally, a comparative study has been done on the results of laboratory and numerical experiments. The results of numerical modeling has showed the capability of the PFC2D software to simulate the mechanical behavior and failure patterns of non-persistent joints. Keywords: Non-persistent joint, Strength and deformability behaviour, Rock bridge failure pattern, Discrete Element Method
