معیار های شکست سنگ (Rock failure criterion)

معیار شکست رابطه ریاضی میان مؤلفه های تنش می باشد که توسط آن می توان مقاومت های پدید آمده، تحت شرایط ترکیب تنش ها را تخمین زد و یا به عبارت دیگر شکست یا عدم شکست سازه سنگی را پیش بینی نمود. مکانیک شکست، بررسی فرآیند رشد ترک در یک حوزه معین تنش است. میزان مقاومت ماده در برابر پیشرفت ترک، چقرمگی شکست نامیده می شود. مکانیک شکست به بررسی رشد ترک و ساز و کار شکست می پردازد که مبنای آن بر روی تئوری شکست Griffith است. در واقع مکانیزم شکست، فرایند شکست یک قطعه سنگ بکر توسط رشد ترک می باشد.

حوزه مکانیک شکست مرتبط با روابط بین بیشترین تنش مجاز، اندازه و محل ترک، سرعت رشد ترک ناشی از اثرات زیست محیطی، امکان جلوگیری از وقوع ترک وغیره خواهد بود. ترک ها و ناپیوستگی ها از ویژگی های متداول توده های سنگی می باشند و هر فعالیت تحریک کننده در توده های سنگی (مانند زلزله، انفجار سنگ در معادن، تخریب شیب های سنگی و غیره) ممکن است سبب جابجایی آنها در امتداد شکست های موجود و یا پیدایش شکست های جدید گردد. از طرف دیگر می توان به کمک پدیده شکست، فرایندهایی کاربردی بر روی سنگ ها انجام داد (مانند شکست های هیدرولیک، سوراخ کاری، برش ، انفجار، پودر سازی، آسیاب کردن و غیره)

رویکرد مکانیک شکست در مواد سنگی به طور عمده جوانه زنی و رشد ترک (یا ترک های) خاص را در مواد سنگی و تحت حوزه تنش معین مورد مطالعه قرار می دهد. این ترک (یا ترک های) خاص می تواند از پیش در نمونه سنگی موجود بوده و یا طی فرآیند افزایش بار به وجود آید. رشد ترک اغلب ماهیتی ناگهانی و ناپایدار دارد. چقرمگی شکست به عنوان با ارزش ترین مشخصه شکست، بیانگر مقاومت ماده سنگی در برابر رشد ترک می باشد. بدین سبب تخمین مقدار چقرمگی شکست جهت فهم رفتار سازه های سنگی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. آزمون های چقرمگی شکست با سایر آزمون های استحکام موجود در مکانیک سنگ تفاوت عمده ای دارد، زیرا نمونه های آزمون باید دارای ترکی تعریف شده با مشخصات هندسی معین باشد تا بتوان اثرات ترک را در حوزه مکانیک شکست بررسی نمود.

بررسی های اولیه علمی مکانیک شکست سنگ در ابتدا بر روی کاربرد نظریه تعادل انرژی Griffith و معیار تنش ماکزیمم و اصلاحات آن متمرکز بود. شناخت مکانیزم شکست ترد سنگ موجب پیشرفت قابل توجهی در تحقیقات مکانیک سنگ گردید.

شکست مواد را می‌توان با توجه به مقیاس ارزیابی آنها به دو دسته کلی، شکست میکروسکوپی و ماکروسکوپی تقسیم بندی کرد.

شکست میکروسکوپی مواد با توجه به شروع و رشد ترک های درون آنها تعریف می شود. بررسی این نوع شکست، روش مناسبی برای درک بهتر نحوه ایجاد ترک در نمونه های آزمایشگاهی و سازه هایی است که تحت توزیع بارگذاری های سراسری معین قرار دارند. معیارهای شکست در این حالت، به گسیختگی میکروسکوپی ماده مربوط می شوند. مدل های شکست میکرو مکانیکی، محبوب‌ترین مدل های شکست در مقیاس میکروسکوپی هستند. مدل های میکرو مکانیکی از مزایای دو حوزه مکانیک محیط های پیوسته و مکانیک شکست کلاسیک بهره می برند.

فرآیند شکست میکروسکوپی به این ترتیب است که در ابتدا، شروع تغییر شکل پلاستیک باعث ایجاد ریز حفره ها و گسترش آنها درون ماده می شود. این فرآیند تا تشکیل یک ناحیه باریک شدگی پلاستیک یا گسیختگی فضای بین حفره ها ادامه می یابد. در نهایت، حفره های مجاور به یکدیگر متصل می شوند. مبنای توسعه مدل های میکرو مکانیکی همین فرآیند است. اما شکست ماکروسکوپی مواد با توجه به ظرفیت باربری یا ظرفیت ذخیره انرژی آنها تعریف می شود. معیارهای شکست ماکروسکوپی در یکی از چهار گروه شکست تنش یا کرنش، شکست انرژی ، شکست آسیب و یا شکست تجربی قرار می گیرند.

تعریف شکست

حداکثر تنش قابل تحمل توسط نمونه، به عنوان تعریف “خرابی و شکست” عنوان می شود. تعریف های متعدد دیگری از خرابی و شکست در ادبیات مربوط به سنگ یافت می شود. اما تعریف پذیرفته شده باید همیشه بستگی به کاربردی داشته باشد که برای معیار خرابی، مورد نظر است. در مهندسی سازه های زیر زمینی که تغییر شکل در سنگ می تواند ایجاد شود، از فروپاشی سازه باید اجتناب گردد. حداکثر تنش قابل تحمل برای نمونه به نظر می رسد تعریف مناسب تری از خرابی با افزایش فشار جانبی سنگ را از مرحله انتقال از شکنندگی به شکل پذیر می رساند و این مرحله، حدی از فشار جانبی است که رفتار سنگ از نوع شکننده به شکل پذیر کامل انتقال می یابد.

خرابی شکننده که در سنگ ها تحت شرایط آزمایشگاهی یا شرایط صحرایی رخ می دهد، اغلب به صورت ناگهانی اتفاق می افتد و حالت غیر کنترل شده دارد. در سایر موارد، از قبیل پایه های معدنی، سنگ ممکن است بعد از ظرفیت باربری نهایی خود، در حالت کنترل شده بشکند و تغییر شکل دهد و در مقدار بار کمتری به تعادل برسد. در حالت اول، شکست انفجار گونه در تنش نهایی رخ می دهد و قسمت بعد از منحنی تنش – کرنش ثبت نخواهد شد. در حالت دوم، خرابی تدریجی سنگ قابل مشاهده بوده و قسمت بعد از اوج منحنی تنش- کرنش ثبت خواهد شد.

بنا به تعریف، چقرمگی شکست معرف توانایی یک ماده در مقابل تغییر شکل پلاستیک و مقدار انرژی جذب شده قبل از شکست و در حال شکست می باشد. عبارت های ترد یا نرم برای تشخیص شکست یا مشخصات مواد با چقرمگی کم یا زیاد می باشد. شکست نرم، آرام است و

معمولا در اثر تشکیل و به هم پیوستن فضاهای خالی حاصل می شود. فضاهای خالی شامل تخلخل طبیعی محیط و ترک های موئین می باشد. شکست نرم معمولا یک مسیر درون دانه ای را طی می کند. ولی اگر میزان فضاهای خالی موجود از قبل در مرز دانه ها بیشتر از درون دانه ها باشد، آنگاه مسیر شکست می تواند از مرز دانه ها بگذرد که بدین ترتیب یک شکست فیبری یا بین دانه ای نرم به وجود می آید. معمولی ترین نوع شکست نرم در یک عضو تحت کشش، زیر بار زیاده از حد رخ می دهد که شکست آن به صورت مخروطی است. به طورکلی مهمترین هدف از ارائه معیارهای شکست تئوریک سنگ، درک نوع پاسخ ذاتی و طبیعی مصالح سنگی نسبت به بارگذاری وارده می باشد که در نهایت منجر به بسط و توسعه روابط ریاضی پیچیده ای با پارامترهای متعدد می گردد. عدم امکان تعیین این پارامترها به کمک آزمون های آزمایشگاهی و محدودیت در فراگیری کلیه رفتارهای تنش – کرنش سنگ ها از دلایل محدودیت کاربرد آنها می باشد.

معیارهای شکست زیادی توسط محققین پیشنهاد شده است که تعدادی از آنها در نمودار زیر قابل مشاهده است اما به طور کلی شش معیار شکست برای سنگ بکر در ژئومکانیک به صورت: (الف) موهر کولمب (ب) هوک و براون (ج) لاده اصلاح شده (د) Wiebols و Cook اصلاح شده (ه) موگی (و) دراکر – پراگر نام برده می شود. شکل زیر پوش شکست این معیارها را برای نمونه ای با چسبندگی 2 مگاپاسکال و زاویه اصطکاک داخلی 25 درجه نشان می دهد.در بین معیارهای ذکر شده  معیارهای موهر کولمب (Mohr–Coulomb) و هوک براون (Hoek–Brown) به دلیل سادگی و قابلیت گسترش به توده های سنگی رایج تر هستند.

معیار شکست هوک براون (Hoek-Brown Failure Criterion)

معیار شکست هوک براون یک سطح تسلیم تجربی است و برای پیش بینی شکست سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. ایده اصلی معیار هوک براون استفاده از سنگ بکر و اضافه کردن تعدادی ضریب به منظور کاهش خصوصیات ناشی از ناپیوستگی بود. این معیار دارای کاربرد گسترده در مهندسی معدن و ژئوتکنیک است.

که در این رابطه A و B ثابت های ماده و σ₁ و σ₃ تنش اصلی بیشینه و کمینه هستند. رابطه فوق بر حسب تنش نرمال میانگین و تنش برشی حداکثر قابل بیان است.  

رابطه فوق به فرمی شبیه به معیار شکست موهر کولمب قابل بیان است.

رابطه بین ثابت های A و B با فشار محصور نشده (C₀) و مقاومت کششی (T₀) به صورت زیر قابل بیان است:

در تخمین مقاومت ماسه سنگ، معیار شکست هوک و براون با دقت بیشتری می تواند مقاومت ماسه سنگ را پیش بینی کند. بعد از معیار هوک و براون معیار جانستون قرار می گیرد و معیار بینیاوسکی کمترین دقت رابرای این تخمین دارد.

در نسخه های اصلی، تجدید نظر شده و تصحیح شده معیار شکست هوک براون Hoek-Brown از سیستم طبقه بندی امتیاز دهی توده سنگ RMR استفاده شده اما برای نسخه کلی معیار شکست Hoek-Brown از اندیس مقاومت زمین شناسی GSI برای طبقه بندی توده سنگ استفاده می شود. ساختار سنگ به چهار نوع تقسیم بندی می شود؛ بلوکی، خیلی بلوکی، بلوکی درزه دار و خرده شده. در حالیکه شرایط سطح ناپیوستگی ها از خیلی خوب تا خیلی ضعیف به 4 نوع طبقه بندی شده است.

معیار شکست موهر کولمب

معیار موهر کولمب تمامی مولفه های تنش را در سطح تسلیم شرکت می دهد. معیار موهر کولمب در فضای تنش های اصلی مخروط می باشد و از برخورد این رویه با هر صفحه عمود بر محور آن، شش ضلعی منتظمی حاصل می گردد. معیار موهر کولمب در بتن، سنگ و خاک قابل کاربرد است.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
• پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار ABAQUS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)

مطالب مرتبط :

• sciencedirect , rock failure criteria
• springer , Comparison of rock failure criteria