تأثیر ضعف های ساختاری در تحلیل شکست واژگونی خمشی شیروانی های سنگی (براساس تئوری مکانیک شکست)

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

شکست واژگونی خمشی، در اثر تنش کششی ناشی از گشتاور وزن ستون سنگ های3 برجا، اتفاق می افتد. برای تحلیل این نوع شکست، هر ستون سنگ با یک تیر طرّه4 مدل سازی شده و فاکتور ایمنی شکست آن، بر اساس قوانین مقاومت مصالح، به دست می آید. هرچند نتایج این تحلیل ها با آزمون های آزمایشگاهی تطابق خوبی دارد، ولی کاربرد آنها در شیروانی های واقعی، فاکتور ایمنی شکست را بیش از واقعیت پیش بینی می کند. علت اصلی آن، تمرکز تنش در اطراف ضعف های ساختاری موجود در توده سنگ است. محاسبه میزان تمرکز تنش در اطراف ضعف های ساختاری با استفاده از قوانین مقاومت مصالح، بسیار دشوار و در شرایطی غیر ممکن بوده و تاکنون در تحلیل شکست واژگونی خمشی مد نظر قرار نگرفته است. در این مقاله، برای اولین بار، ضعف های ساختاری موجود در ستون سنگ های برجا که دارای پتانسیل شکست واژگونی خمشی هستند، تحلیل می کردند. در بحرانی ترین حالت، ضعف های ساختاری با یک "ترک لبه ای"5 عمود بر طول ستون سنگ مدل سازی می شوند. در این حالت بر اساس تئوری مکانیک شکست، هر ستون سنگ، نسبت به طول ترک، به صورت یک تیر یا یک ستون دو سر بی نهایت عمل می کند. با در نظر گرفتن مفروضات بالا و با استفاده از معادلات تعادل حدی، نیروها و گشتاور نیروهای وارد بر مقطع در بر گیرنده ترک محاسبه می شوند. سپس با استفاده از توابع تجربی "تادا" فاکتورهای "شدت تنش" نرمال و برشی برای ترک تعیین شده و بر اساس معیارهای "تئوری مکانیک شکست" فاکتور ایمنی شکست واژگونی خمشی در شیروانی سنگی محاسبه می شود. در پایان، نتایج این روش با روش  تحلیلی مبتنی بر قوانین مقاومت مصالح و شیروانی های واقعی دارای پتانسیل شکست واژگونی خمشی مقایسه و درستی آن تایید می شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Structural Defects on the Analysis of Flexural Toppling Failure of Rock Slopes (Based on Fracture Mechanics)

نویسندگان [English]

  • A. Majdi 1
  • M. Amini 2
  • M. Amini 2
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran,
2 Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Flexural toppling failure occurs due to tensile stress caused by in-situ rock column moments. Observations and theoretical analyses carried out by researchers show that the total failure plane is perpendicular to the rock mass discontinuity plane. In this paper, to analyze the flexural toppling failure, each rock column is modeled as a cantilever beam. Then using the laws of the strength of materials, along with the limit of equilibrium, the safety factor is found. Although the result of this analysis is comparable with those of laboratory tests, their use in real slopes shows a safety factor more than what it has to be. This is due to stress concentration around and near the tips of structural defects in the rock mass. Calculation of the amount of stress concentration around structural defects, based on the laws of the strength of materials, is cumbersome and has not been observed in the analysis of flexural toppling failure. In this paper, for the first time, structural defects of in-situ rock columns, with a potential of flexural toppling failure, enter the analysis. In nature, structural defects in rock masses appear haphazardly and unevenly in different locations. However, due to brittleness of the rocks, the rock defects generally appear in the form of ended cracks. Keeping this in mind, to analyze rock columns with structural defects, we considered a single ended crack perpendicular to the column length resulting total failure. Hence, in this case, based on the theory of fracture mechanics, each rock column, with respect to the length of the crack, acts like a beam with two infinite ends. With the above presumptions and employing the equations of limit of equilibrium, we can find the forces and moments acting on the section involving the crack are found as follows:

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rock Slopes
  • Fracture mechanics
  • flexural toppling failure
  • Bending Moment