Прилог методама дефинисања параметара конститутивних модела за испуцале стенске масе

Abstract

Стенска маса je један природни материјал са дугом историјом механичких, топлотних и хемијских ефеката, која je у след тога нехомогена и анизотропна, и што je најважније, испресецана дисконтинуитетима различитих врста и величина. Стенски монолит и дисконтинуитети, заједно, одређују каква he бити својства свеукупне стенске масе, при чему дисконтинуитети доминантно утичу на њено механично понашањг: смањују крутост и чврстоћу и генерално радикализују нелинеараност напонско-деформацијског понашања, повећавајући варијабилност и расипање резултата на тестовгша и уводећи у предвиђање понашања материјала ефекат размере. У анализи механичког понашања таквих, сложених и разнородних, стенских маса, морају ce ипак усвојити извесне претпоставке које, на одређен начин, идеализују стенске масе, и које омогућавају пргшену математичких модела. У овом раду, моделирање механичког понашања стенске масе засновано je на макроскопском, феноменолошком, приступу. Полазиште за предложена поступай моделирања механичког понашања стенске масе су неколико основних претпоставки које се могу сматрати исправним у великом броју случајева у пракси. Стенска маса, иако je у основи дисконтинуална средина, може да се у размеры проблема апроксимира квази-континуумом. Конститутивни модел треба да опише најзначајнија својства такве, дисконтинуиране, стенске масе, а то су: еласто-пластично понашање обухватајући ојачање, омекшање и дилатантно понашање. Конститутивни модел стенске масе као сложене структуре треба да се заснива на понашању елемената те структуре (стенски монолит и дисконтинуитети) и да обухвати утицај размере посматрања, односно величине објекта за чију се анализу дефинише конститутивни модел стенске масе. Формиран je предлог новог конститутивное модела за пукотину. Модел je заснован на meopuju пластичности са применом неасоцијатвног закона течења. Коришћен je Desai-jee једноповршински услов течења. Извршена су значајна побољшања дефинисањем оригиналних решења за у слов ојачања/омекшања и функцију пластичное потенцијала. Развијен je модел механичког понашања стенске масе као дисконтинуалне и анизотропне средине, тако што je у конститутивне релације уграђена интеракција система пукотина и монолита, чиме се уважава ефекат размере. Формирани конститутивни модел за испуцалу стенску масу, који садржи у себи поменути конститутивни модел пукотине. Концепт се заснива на спрези деформација монолита и свих пукотинских система, уважавајући њихов реалан просторни положај и учесталост. Извршена je нумеричка адаптација предложеног конститутивног модела за примену у методи коначних елемената, Kopucmehu алгоритам нумеричке интеграције конститутивних једначина који се заснива на имплицитном концепту. Извршена je уградња развијеног конститутивног модела у програмски пакет ПАК. Развијен je методолошки поступок и софтвер за интерпретацију информација добијених испитивањима, у циљу добијања параметара конститутивног модела стенске масе. Поступок се заснива на итеративном поступку симулације опита применом методе коначних елемената и минимизацији грешке. Формирани су нумерички модели за симулацију више типских опита: лабораторијски триаксијални опити на узорцима монолита, лабораторијски опити директног смицања на узорцима дисконтинуитета, теренски опити методом круте распињаче и теренски опити методом крутое блока. Приказани су резултати експерименталних истраживања која су извршена за потребе фундирања бетонске вишелучне бране на реци Црни Тимок у Србији. Опити обухватају испитивања узорака монолита и дисконтинуитета, као и теренска испитивања стенске масе у великој размери. Извршене су верификације конститутивног модела и поступка естимације параметара на резултатима ових истраживања. Резултати приказани у овом раду могу пружити одређени допринос развоју савремене методе интерпретације резултата испитивања и математичког моделирања напонско- деформацијског понашања чврстих испуцалих стенских маса, чиме би се допринело подизању квалитета истраживања и повећању поузданости техничких решења, а у циљу сигурног и рационалног грађења широкое спектра објеката различитих намена.

A rock mass is a natural material with a long history of exposure to mechanical, thermal and chemical effects. It is therefore inhomogeneous and anisotropic, and most importantly, intersected by discontinuities of various kinds and sizes. A rock monolith (inact rock) and rocky oints (discontinuities) determine all properties of the whole rock mass. The discontinuities dominantly influence the rock mass mechanical behaviour: decrease its stiffness and strenght, and generally radicalize the stress-strain nonlinearity, increasing the test results variability and dissipation, and introducing the scale effect into the material behaviour anticipation. The analysis of such complex and diverse rock masses must include some suppositions which, to some extent, idealize rock masses and enable the mathematical models application. The rock masses behaviour modelling presented in this paper is based on a macroscopic, phenomenological approach. The starting point of the proposed approach to the rock mass mechanical behaviour modelling, is represented by several basic assumptions which could be considered correct in a large number of practical cases. A rock mass, being basically a discontinuous media, could be approximated by a quasi-continuum within the scope of a problem. The constitutive model should describe the most important properties of such discontinuous rock mass, namely: elastic-plastic behaviour including the hardening, softening and the dilatant behaviour. The constitutive model of a rock mass as a complex material, should be based upon the fabric elements behaviour (the rock monolith and discontinuities) and encompass the observation scale efect, i.e. the size of the planned structure for the analysis of which the model has been developed. A new constitutive model proposal foryoint behaviour has been formed. The model is based on the theory ofplasticity and the use of the nonassociative flow rule. The Des ai single-surface yield condition has been used. Considerable improvements have been achieved by defining original solutions for the hardening/softening condition and the plasticity potential function. A rock mass as a discontinuous and anisotropic media mechanical behaviour model has been developed by introducing the rock monolith and rock yoint system interaction into the constitutive relations, and thus respecting the scale effect. The yointed rock mass constitutive model includes the mentioned yoint constitutive model. The concept is based on interaction of the monolith and all yoint systems deformations, considering their real spatial position andfrequency. A numerical adaptation of the proposed constitutive model for the application within the finite element method has been performed using the constitutive equations numerical integration algorithm based on the implicit concept. The developed constitutive model has been introduced into the PAKprogram package. The methodology and software for the test data interpretation have been developed to obtain the rock mass constitutive model parameters. The procedure is based on the iterative test simulation using the finite element method and error minimization. Numerical models for several typical tests simulation have been developed: monolith samples laboratory triaxial tests, discontinuity samples laboratory direct sheer tests, field tests using the stiffjack method, and field tests using the stiff concrete block method. The results of the experiments carried out for a concrete dam foundation on the Crni Timok River in Serbia, are presented here. The investigations included the monolith and discontinuities sample tests, as well as large scale rock mass field investigations. The constitutive model and the parameter estimation procedure have been verified, using the investigation results. The results presented in this paper could contribute to the development of hard, yointed rock masses stress-strain behaviour mathematical modelling, and the result interpretation methods. This would improve the quality of investigations and increase the structure designing reliability in order to provide for the safe and rational construction of a wide scale of structures for various purposes.