بررسی اثر مدول الاستیسیته و فشار جانبی روی چقرمگی شکست مود I نمونه های گچی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین

چکیده

سه مود جابجایی ترک وجود دارد. مود اول یا حالت بازشدگی که سطوح ترک در جهت عمود بر سطح ترک جدا می­شوند. مود دوم یا  حالت برشی که در این حالت جابجایی وجوه ترک در صفحه ترک ولی عمود بر جبـهه ترک می­باشـد و مود سـوم یا حـالت  لغـزش و پاره­شدگی است که در این حالت جابجایی وجوه ترک در صفحه ترک و موازی با جبهه ترک است. برخی کاربردهای مکانیک شکست سنگ در شکست هیدرولیکی، برش و انفجار در سنگ، حفاری مکانیزه، پایداری شیروانی سنگی و  خردایش مواد معدنی است. هدف اصلی این تحقیق بررسی اثر مدول الاستیسیته و فشار جانبی بر روی چقرمگی شکست مود اول استوانه­های توخالی جدار ضخیم گچی می­باشد و چاه نفت در آزمایشگاه شبیه­سازی مـی­شود. برای انجـام آزمایـش روی نمونه­های مصنوعی گچی به قطر خارجی 73 میلی­متر و قطر داخلی 25 میلی­متر و ارتفاع 150 میلی­متر دو ترک مصنوعی با ابعاد مشخص به صورت متقارن ایجاد شد. آنگاه بر روی نمونه­ها تنـش سه­محوری اعمال و فشار لازم برای گسیختگی نمونه­های دارای ترک­های مصنوعی اندازه­گیری شد. پنج آزمایـش سـه­محوری برای بررسـی اثر مدول الاستیسـیته و شـش آزمایـش سه­محوری برای بررسی اثر فشار جانبی بر روی چقرمگی شکست مود اول  انجام گردید. نتایج تحقیق نشان می­دهد چقرمگی شکست با افزایش مدول الاستیسیته و فشار جانبی افزایش می­یابد، هم­چنین تاثیر مدول الاستیسیته روی چقرمگی شکست بیش­تر است. رابطه چقرمگی شکست با مدول الاستیسیته غیر خطی، و رابطه چقرمگی شکست با فشار جانبی خطی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Considering effect of modulus of elasticity and confining pressure on mode-I fracture toughness of chalky specimens

نویسندگان [English]

  • M. Hosseini
  • M. Jalalypour
  • S. Maleky
چکیده [English]

There are three notch displacement modes including the Mode I or opening mode where the notch displacement is perpendicular to the notch front, Mode II or shear mode where notch dimensions are displaced in the notch plane and the Mode III or tear mode where the notch dimensions are displaced in the notch plane parallel to the notch front. Some application areas of rock fracture mechanics can be listed as hydraulic fracturing, rock blasting, rock cutting, mechanized drilling, rock slope stability and comminution in mineral processing. The aim of the present study was to examine the effect parameter of , modulus of elasticity and confining pressure on the mode I Critical Stress Intensity Factor (Critical SIF) using a thick-walled hollow cylindrical chalky specimen and the oil well environment was simulated in the laboratory. To perform the tests on artificial chalky specimens, two artificial symmetrical notches with certain dimensions were created in specimens with an outer diameter (OD) of 73 mm, an inner diameter (ID) of 25 mm and a height of 150 mm. A triaxial stress was applied on the specimen and the pressure required for the propagation of the artificial notches was measured. Five tests were conducted to investigate the effect of modulus of elasticity and six tests to investigate the effect of confining pressure on the mode I Critical SIF. By conducting five tests, it was concluded that with increasing modulus of elasticity, mode I Critical SIF increases and with increasing Poisson’s ratio mode I Critical SIF decreases, also, effect of modulus of elasticity on mode I Critical SIF is more. Meanwhile, it was found that the mode I Critical SIF nonlinearly increased with an increase in modulus of elasticity and it linearly increased with an increase in confining pressure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fracture toughness
  • mode I
  • Modulus of elasticity
  • confining pressure
  • chalky specimen

[1] آیت­الهی، م.، و سید موسوی، م (1387) بررسی اثرات فشار جانبی در عمق زمین بر روی ضرایب شدت تنش حالت ترکیبی اول و دوم. نشریه علمی – پژوهشی مهندسی معدن، دوره سوم، شماره پنجم، 21 تا 32.

[2] Alkılıçgil, Ç (2010) Development of Specimen Geometries For Mode I Fracture Toughness Testing With Disc Type Rock Specimens.Doctoral Dissertation, Department of Mining Engineering, Middle East Technical University.

[3] Alkılıçgil, Ç (2006) Development Of A New Method For Mode I Fracture Toughness Test On Disc Type Rock Specimens. Master Of Science Dissertation, Department of Mining Engineering, Middle East Technical University.

[4] Alpay, C (2008) Investigation of Geometrical Factors for Determining Fracture Toughness With the Modified Ring Test. Master Of Science Dissertation, Department of Mining Engineering, Middle East Technical University.

[5] Bazant, Z.P., and Kazemi, M.T (1990) Determination of fracture energy, process zone length andbrittleness number from size effect, with application to rockand concrete International Journal of Fracture, 44: 111-131.

[6] Chen, M. and Zhang, G.-Q (2004) Laboratory Measurement And Interpretation Of The Fracture Toughness Of  Formation Rocks At Great Depth. Journal of  Petroleum Science and Engineering, 41: 221-231.

[7] Ke, C.-C., Chen, C.-S., Tu, C.-H (2008) Determination Of Fracture Toughness Of Anisotropic Rocks By Boundary Element Method. Rock Mechanics and Rock Engineering, 41: 509-538.

[8] Kuruppu, M.D., Obara, Y.,  Ayatollahi, M. R.,  Chong, K. P.,   Funatsu, T (2014) ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen.  Rock Mechanics and  Rock Engineering,  47: 267–274.

[9] Perez, N (2004) Fracture Mechanics. Boston. Kluwer Academic Publisher, 2004.

[10] QiuhuaRao., Zongqisun., Stephanson, O., Chunlin Li., and Stillborg B (2003) Shear fracture (Mode II)of brittle rock. International Journal of rock Mechanics and Mining Sciences, 355-375.

[11] Tutluoglu, L., Keles, C (2012) Effects of Geometric Factors on Mode I Fracture Toughness for Modified Ring Tests. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 51: 149–161.

[12] Wang, Q.Z., Jia, X. M., Wu, L.Z (2004) Wide-range Stress Intensity Factors For The ISRM Suggested Method Using CCNBD Specimens For Rock Fracture Toughness Tests. International Journal of Rock Mechanics And Mining Sciences, 41: 709-716.