مطالعه عددی مکانیزم شکست سنگ‌های دارای همسانگردی عرضی تحت تنش همه‌جانبه با روش المان مجزا

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی معدن و مواد، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

ناهمسانگردی یکی از مهم‌ترین شاخصه‌های سنگ‌های رسوبی و دگرگونی است که در پایداری فضاهای روباز و زیرزمینی تأثیر گذار بوده و باید در طراحی‌ها در نظر گرفته شود. به همین منظور مطالعات آزمایشگاهی گسترده‌ای با هدف بررسی تأثیر ناهمسانگردی بر رفتار مکانیکی و مقاومت نهایی چنین سنگ‌هایی انجام شده است. مدلسازی عددی یک ابزار مهم در طراحی ساختارها و تحلیل پایداری آنها به شمار می‌رود. با توجه به قابلیت‌های موجود در روش‌های عددی با مبنای المان مجزا در مدلسازی فرآیند شکست نمونه‌های دارای ناهمسانگردی و همچنین توانایی این روش‌ها در رفتار نگاری شکست سنگ‌ها تحت فشارهای تک‌محوره و سه‌محوره، در این تحقیق با استفاده از روش المان مجزا (نرم‌افزار PFC) رفتار سنگ دارای همسانگردی عرضی تحت فشار سه‌محوره مورد بررسی قرار گرفت تا با استفاده از این روش عددی، رفتار سنگ های دارای ناهمسانگردی عرضی تحت شرایط مختلف بارگذاری مدلسازی شود و بنابراین قابلیت این روش در پیش بینی رفتار نمونه های آزمایشگاهی و برجا سنجیده شود. در این راستا نمونه‌هایی با زوایای مختلف لایه‌بندی (از 0 تا 90 درجه) با استفاده از روش المان مجزا مدل و تحت فشارهای همه‌جانبه‌ی مختلف بارگذاری شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که روش المان مجزا قابلیت مدلسازی این نوع ناهمسانگردی‌ها را داشته و تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. همچنین بررسی ها نشان داد که مقاومت حداکثر در سنگ دارای همسانگردی عرضی‌ به جهت صفحه‌ی ناهمسانگردی بستگی دارد و تغییرات آن نسبت به زاویه‌ی لایه‌بندی موجود، منحنی‌هایی U شکل با شانه‌هایی نابرابر است که در زاویه‌ی لایه‌بندی صفر درجه، حداکثر مقدار و در زاویه‌ی 30 درجه کمترین مقدار را دارد. نتایج همچنین نشان داد که افزایش فشارهای همه جانبه مود شکست نمونه‌ی دارای همسانگردی عرضی را تغییر نمی‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling of Failure Mechanism of Transversely Isotopic Under Triaxial Loading By Discrete Element Method

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Azizian 1
  • Abdolhadi Ghazvinian 1
  • Mahmoud Behnia 2
چکیده [English]

Summary
Anisotropy is an important feature of sedimentary and metamorphic rocks. This character affects opening stability and must be considered in design. So many laboratory tests are done to consider the influence of anisotropy on mechanical behavior and failure strength of such rocks.
 
Introduction
Numerical modeling is an effective tool in design of structures and stability analyses. Because of computational complexity and the difficulty of determining the necessary elastic constants, it is usual for only the simplest form of anisotropy, transverse isotropy, to be used in design analyses. The peak strengths developed by transversely isotropic rocks in triaxial compression vary with the orientation of the plane of isotropy, foliation plane or plane of weakness, with respect to the principal stress directions.
 
Methodology and Approaches
In this study the behavior of a transversely isotropic rock under triaxial loading is considered by using distinct element method due to its potential to modeling failure process of anisotropic materials and because of its ability to monitoring failure of these rocks under uniaxial and triaxial conditions. The bonded-particle discrete element method with embedded smooth joints was applied to model the mechanical behavior of transversely isotropic rock with systematic verifications. Particle Flow Code 2D (PFC2D) developed by Itasca was applied in this study to employ the bonded-particle DEM. The bonded particle model was adopted to construct isotropic rock without weak planes, which was calibrated based on elastic modulus and strengths that have the least effect of weak planes. Then, the smooth joint model was inserted to create the weak cohesive planes to simulate the behavior of the equivalent anisotropic continuum.
 
Results and Conclusions
The results showed that the bonded-particle DEM model with embedded smooth joints was able to simulate the transversely isotropic rock. In this Research, some samples made by PFC were loaded under confining pressure in varying layering angle (0 to 90). Results showed that the distinct element method is able to model transversely isotropy and is in a good accordance with experimental data. Also it’s indicated that the peak strength of transversely isotropic rock is related to angle of anisotropy and its variation versus to layering angle show U-shape curves with unequal shoulder which has a minimum value in 30 degree of layering and a maximum value in zero. Results indicated that increase of confining pressure doesn’t change the failure mode of transversely isotropic rocks, unevenness ratio and depth ration. This study pave the way for further applications, and the bonded-particle DEM model can be further employed effectively in rock engineering applications, particularly in transversely isotropic rock formations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • transversely isotropy
  • Discontinuity and rock strength
  • Distinct element method
  • Triaxial loading
[1]Amadei B.(1996). Importanceofanisotropy when estimating and measuring in situ stresses in rock.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr;33(3):293–325.

[2]Cho, JW. Kim, H. Jeon, S. Min, KB., (2012), Deformation and strength anisotropy of Asan gneiss, Boryeong shale, and Yeoncheon schist, Int J Rock Mech Min Sci 2012; 50 (12):158–69.

[3]Kim, H. Cho, JW. Song, I. Min, KB.( 2012). Anisotropy of elastic moduli, P-wave velocities, and thermal conductivities of Asan Gneiss, Boryeong Shale and Yeoncheon Schist in Korea.Eng Geol;147: 68–77.

[4]Donath, F.A., (1964), Strength variation and deformational behavior of anisotropic rocks, State of stree Co, 281-298.

[5]Niandou, H,. Shao, JF., Henry,JP., (1997), Laboratory investigation of the mechanical behavior of Tournemire shale, Int J Rock Mech Min Sci, 34: 3–16.

[6] Tien, Y. M., Kuo, M. C., & Juang, C. H., (2006), An experimental investigation of the failure mechanism of simulated transversely isotropic rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43(8), 1163-1181.

[7]Bona Park., Ki-Bok Min., (2015), Bonded-particle discrete element modeling of mechanical behavior of transversely isotropic rock, International jurnal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 76, 243–255.

[8] Meier, T., Rybacki, E., Backers, T., & Dresen, G., (2015), Influence of bedding angle on borehole stability: a laboratory investigation of transverse isotropic oil shale, Rock Mechanics and Rock Engineering, 48(4), 1535-1546.

[9] Zoback, M. D., Barton, C. A., Brudy, M., Castillo, D. A., Finkbeiner, T., Grollimund, B. R., & Wiprut, D. J., (2003), Determination of stress orientation and magnitude in deep wells, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(7), 1049-1076.

[10] Zhang, J., (2013), Borehole stability analysis accounting for anisotropies in drilling to weak bedding planes, International journal of rock mechanics and mining sciences, 60, 160-170.

[11] Chu, W., Zhang, C., & Hou, J., (2013, January), A particle-based model for studying anisotropic strength and deformation of schist, In ISRM SINOROCK 2013, International Society for Rock Mechanics.

[12] Potyondy, D. O., (2015), The bonded-particle model as a tool for rock mechanics research and application: current trends and future directions, Geosystem Engineering, 18(1), 1-28.

[13] Azizian, F., Ghazvinian, A., & Behnia, M., (2014), Prediction of Peak strength of transversely isotropic rocks by using distinct element method, Journal of Analytical and Numerical Methods in Mining Engineering, 4(7), 9-16, (in Persian).