نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

تحلیل پارامترهای آسیب سنگ مرمریت تحت بارگذاری فشاری تک‌محوری با استفاده از شبیه‌سازی المان محدود دانه‌مبنا و مدل ساختاری آسیب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
ساسان قربانی
گروه مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران
10.22060/ceej.2026.25091.8383
چکیده
در پژوهش حاضر، به بررسی آسیب در یک نوع سنگ مرمریت تحت بار فشاری تک‌محوری با استفاده از شبیه‌سازی‌های المان محدود دانه‌مبنا و یک مدل سازنده آسیب پرداخته شده است. بر این اساس، ابتدا 40 شبکه‌ با ساختارهای متفاوت ورونویی با تراکم‌های کم و زیاد با استفاده از نرم‌افزار Phase2 ایجاد شدند. سپس، بر اساس پارامترهای کالیبره شده از آزمون‌های آزمایشگاهی، آزمون فشاری تک‌محوری بر روی شبکه‌های ایجاد شده شبیه‌سازی شدند. در نهایت، با استفاده از منحنی‌های تنش-کرنش بدست آمده از شبیه‌سازی‌های عددی و استخراج مدول‌های الاستیک اولیه و آسیب، مقادیر متغیر آسیب بر مبنای کرنش‌ها محاسبه شدند. نتایج نشان داد که اولاً با افزایش تراکم درزه ورونویی‌های شبکه‌ها، میانگین مدول‌های الاستیک اولیه و آسیب کاهش یافته‌اند. ثانیاً، مشخص شد که با افزایش مقدار کرنش تا یک حد معین، مقادیر متغیر آسیب با روند آرامی افزایش می‌یابد. اما؛ در ادامه پس از رسیدن به یک مقدار مشخصی از کرنش، مقادیر آسیب با یک شیب بسیار تندی افزایش می‌یابند. این نقطه که در آن میزان آسیب به یکباره با شیب بسیار تندی شروع به روند افزایشی می‌کند، نقطه شروع آسیب جدی متحمل شده توسط نمونه‌سنگ تحت شرایط فشار تک‌محوری است. همچنین، بررسی الگوهای شکست شبکه‌ها نشان داد که شکست‌های کششی در شبکه‌های با تراکم ورونویی زیاد، درصد بیشتری نسبت به شبکه‌های با تراکم کم دارد. لذا، می‌توان گفت که ساختار داخلی شبکه‌ دانه‌بندی سنگ‌ها نقش بسزایی در تعیین آسیب وارده بر ساختار داخلی، الگوهای شکست و نوع شکست‌ها سنگ‌ها تحت شرایط فشاری تک‌محوری ایفا می‌کنند.
کلیدواژه‌ها
روش المان محدود دانه‌مبنا
آسیب
فشار تک‌محوری
شکست کششی
ساختار ورونویی

عنوان مقاله English

Analysis of Damage Parameters of Marble under Uniaxial Compressive Loading Using Grain-Based Finite Element Simulation and a Damage Constitutive Model

نویسنده English

Sasan Ghorbani
Departement of Mining Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran.
چکیده English

In this study, the damage of a type of marble under uniaxial compressive loading was investigated using grain-based finite element simulations and a damage constitutive model. Accordingly, 40 Voronoi networks with different structural configurations and low and high joint densities were generated using the Phase2 software. Then, based on the calibrated parameters, uniaxial compression tests were numerically simulated on the generated networks. Finally, by utilizing the stress-strain curves derived from the numerical simulations and extracting the initial and damage moduli, the damage variable values were calculated as a function of strain. The results indicated that with an increase in the Voronoi joint density of the networks, the average values of both the initial and damage moduli decreased. Next, it was observed that with increasing strain up to a certain threshold, the damage variable increased gradually with a gentle slope. However, after reaching a critical strain value, the damage variable increased sharply with a very steep slope. This point, at which the damage begins to increase suddenly and rapidly, represents the onset of significant damage experienced by the rock specimen under uniaxial compressive conditions. Moreover, analysis of the failure patterns showed that tensile failures in networks with high Voronoi density occurred more frequently than in those with low density. Therefore, it can be concluded that the internal grain-based structure of rocks plays a crucial role in determining the extent of internal damage, failure patterns, and the dominant failure modes of rocks under uniaxial compressive loading conditions.

کلیدواژه‌ها English

Grain-Based Finite Element Simulation
Damage
Uniaxial Compression
Tensile Failure
Voronoi Structure
[1] Y. Jiang, B. Li, C. Wang, Z. Song, B. Yan, Advances in development of shear-flow testing apparatuses and methods for rock fractures: A review, Rock Mechanics Bulletin, 1(2022) 100005.
[2] R. Geranmayeh Vaneghi, K. Thoeni, A.V. Dyskin, M. Sharifzadeh, M. Sarmadivaleh, Strength and damage response of sandstone and granodiorite under different loading conditions of multistage uniaxial cyclic compression, International Journal of Geomechanics, 20(2020) 04020159.
[3] S.J. Chen, F. Feng, Y.J. Wang, D.Y. Li, W. P. Huang, X. D. Zhao, N. Jiang, Tunnel failure in hard rock with multiple weak planes due to excavation unloading of in-situ stress, Journal of Central South University, 27(2020) 2864-2882.
[4] G. Yuan, A. Che, Y. Shi, Evaluation method of rock damage under uniaxial compression based on unit series-parallel electrical conductive model, Rock Mechanics Bulletin, 2(2023) 100066.
[5] M. Ji, K. Chen, H.J. Guo, Constitutive model of rock uniaxial damage based on rock strength statistics, Advances in Civil Engineering, 2018(2018) 5047834.
[6] J. Wang, Q. Zhang, Z. Song, Y. Zhang, X. Liu, Mechanical properties and damage constitutive model for uniaxial compression of salt rock at different loading rates. International Journal of Damage Mechanics, 30(2021) 739-763.
[7] K. Du, Y. Yi, X.Y. Luo, K. Liu, P. Li, S.F. Wang, Novel damage constitutive models and new quantitative identification method for stress thresholds of rocks under uniaxial compression, Journal of Central South University, 31(2024) 2658-2675.
[8] G. Meng, Z. Liu, P. Cao, Z. Zhang, Z. Fan, H. Lin, H. Deng, An initial damage model of rock materials under uniaxial compression considering loading rates, Materials, 15(2022) 5589.
[9] S. Dai, W. Gao, C. Wang, T. Xiao, Damage evolution of heterogeneous rocks under uniaxial compression based on distinct element method, Rock Mechanics and Rock Engineering, 52(2019) 2631-2647.
[10] X. Hu, D. Ma, N. Xie, Q. Zhu, H. Hu, X. Gong, An improved damage constitutive model for pre-heated rocks under uniaxial compression considering the initial compaction effect and residual strength, International Journal of Damage Mechanics, 34(2025) 52-80.
[11] H. Cheng, X. Yang, Z. Zhang, W. Li, Z. Ning, Damage evaluation and precursor of sandstone under the uniaxial compression: Insights from the strain-field heterogeneity, PLOS One, 16(2021) e0262054.
[12] K. Liu, S. Zhao, L. Diao, W. Yue, C. Sun, Y. Xia, Research on the mechanical properties and micro damage mechanism of water bearing sandstone under uniaxial compression, Scientific Reports, 15(2025) 7320.
[13] Z. Jinhao, C. Hongkai, W. He, Z. Zheng, Experimental study on damage evolution characteristics of rock-like material, Arabian Journal for Science and Engineering, 44(2019) 8503-8513.
[14] D. Liu, M. He, M. Cai, A damage model for modeling the complete stress–strain relations of brittle rocks under uniaxial compression, International Journal of Damage Mechanics, 27(2018) 1000-1019.
[15] E. Rógenes, M.M. de Farias, L.L. Rasmussen, The Continuum Voronoi Block Model for simulation of fracture process in hard rocks, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 46(2022) 89-112.
[16] E. Ghazvinian, M.S. Diederichs, R. Quey, 3D random Voronoi grain-based models for simulation of brittle rock damage and fabric-guided micro-fracturing, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 6(2014) 506-521.
[17] Y. Li, N. Bahrani, A continuum grain-based model for intact and granulated Wombeyan marble, Computers and Geotechnics, 129(2021) 103872.
[18] Y. Zhang, L.N.Y. Wong, A review of numerical techniques approaching microstructures of crystalline rocks, Computers and Geosciences, (2018) 1-53.
[19] Rocscience. RS2 Version 11.012 2D Geotechnical Finite Element Analysis Rocscience, (2021).
[20] S. Ghorbani, Effect of grain network structure on macroproperties and strain energy of marble under unconfined compression using 2D continuum-based voronoi models, Scientific Reports, (2025).
[21] A. Asgari, M.A. Arjomand, M. Bagheri, M. Ebadi-Jamkhaneh, Y. Mostafaei, Assessment of experimental data and analytical method of helical pile capacity under tension and compressive loading in dense sand, Buildings, 15(2025) 2683.
[22] M. Bagheri, N. Ranjbar Malidarreh, V. Ghaseminejad, A. Asgari, Seismic resilience assessment of RC superstructures on long–short combined piled raft foundations: 3D SSI modeling with pounding effects, Structures, 81(2025) 110176.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 57، شماره 12
اسفند 1404
صفحه 2151-2170