Πειραματική και υπολογιστική έρευνα των εντατικών καταστάσεων και μηχανισμών παραμόρφωσης-αστοχίας υπόγειων ανοιγμάτων σε αδύναμα υλικά

Abstract

The main objective of the thesis, was the experimental and computational investigation of displacement-fracture mechanisms of circular openings in isotropic weak materials. The investigating objects were: (a) Experimental research of large-size physical models under biaxial loading (b) Simulation of the behavior mechanism using a double plastic mechanism elastoplastic model with pre-peak hardening and post-peak softening behaviour. A novel experimental approach was the extensive application of build-in strain gages, in order to cover the zone of interest around the opening, fully. The application of an advanced model that simulated the material’s behaviour along with the fact that it was calibrated through the experimental procedure consists also a novelty. Major conclusions: The failure initiation occurs in a short distance from the excavation perimeter on the point of the worst stress state for material strength. For brittle materials used in present research the failure happened under uniaxial compression status evolving into subsequent failures under triaxial compression status while moving away from the excavation perimeter. Thus the estimated stress distribution according to Kirsch solutions or other classic elastic-perfectly plastic failure criterions are simplified for the current material type. The application of an advanced model of the excavation-material behaviour is capable of following the stress redistribution <http://lexicon.pathfinder.gr/index.php?lookup=redistribution> during the material’s discrete strain mechanisms.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση των μηχανισμών παραμορφώσεως θραύσεως υπογείων ανοιγμάτων κυκλικής διατομής σε ισότροπα αδύναμα υλικά. Tα ερευνητικά αντικείμενα ήταν: (α) Πειραματική έρευνα με εκτέλεση δοκιμών διαξονικής φόρτισης φυσικών ομοιωμάτων μεγάλου μεγέθους σε συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης. (β) Προσομοίωση του μηχανισμού συμπεριφοράς με εφαρμογή ελαστοπλαστικού μοντέλου διπλού μηχανισμού πλαστικών παραμορφώσεων θετικά κρατυνόμενου τύπου πριν την αστοχία και αρνητικού μετά από αυτήν. Πρωτότυπο στοιχείο της πειραματικής διαδικασίας ήταν η ενσωμάτωση εκτεταμένου αριθμού μικροσκοπικών ταινιών επιμήκυνσης εντός των δοκιμίων, ώστε να καλύπτουν πλήρως την περιοχή ενδιαφέροντος γύρω από την οπή. Πρωτότυπο υπολογιστικά στοιχείο αποτέλεσε η εφαρμογή προχωρημένου μοντέλου προσομοίωσης ικανοποιητικά βαθμονομημένου με βάση τα πειραματικά στοιχεία. Κύρια Συμπεράσματα: Επιβεβαιώνεται ότι έναρξη της αστοχίας λαμβάνει χώρα σε μικρή απόσταση από την περίμετρο του υπόγειου ανοίγματος και σε σημείο που διαμορφώνεται η συγκριτικά δυσμενέστερη εντατική κατάσταση σε σχέση με την ικανότητα απόκρισης του υλικού. Για τον τύπο των υλικών ψαθυρής συμπεριφοράς που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα έρευνα, η αστοχία ελάμβανε χώρα υπό καθεστώς μονοαξονικής θλίψης κοντά στην περίμετρο του ανοίγματος, εξελίσσονταν ως αστοχία σε τριαξονικό καθεστώς σε εσωτερικότερη ζώνη της καταπονούμενης μάζας. Ως εκ τούτου η εκτίμηση της κατανομή των τάσεων σύμφωνα με τη θεωρία ελαστικότητας (Κirsch) ή τα κλασσικά ελαστικά-τέλεια πλαστικά κριτήρια αστοχίας (π.χ θεώρηση Mohr Coulomb) είναι αρκετά απλουστευμένη για τον εν λόγω τύπο υλικών. H ικανοποιητική εκτίμηση της κατανομής του δευτερογενούς πεδίου επιτυγχάνεται με τη χρήση σύνθετου μοντέλου ικανού να παρακολουθεί τις ανακατανομές των τάσεων κατά την εξέλιξη των διακριτών μηχανισμών παραμόρφωσης του υλικού.