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LAS
DIFERENCIAS ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
ESTÁTICAS Y DINÁMICAS
Introducción
Las características
elásticos Dinámico-determinadas (el cociente de
Young del módulo y de Poisson) a menudo se utilizan indistintamente
en diseño de la fractura o evaluaciones hidráulico
de la estabilidad de wellbore/perforation. Con experiencia, y
el buen juicio de la ingeniería, estas medidas dinámicas
pueden ser una herramienta útil. Sin embargo, el geólogo
o el ingeniero debe estar enterado de los riesgos y de las trampas
potenciales de usar la información dinámica. Estas
consideraciones se discuten abajo.
Comportamiento
Elástico En Rocas.
Para los materiales
elásticos, continuos lineares, tales como la mayoría
de metales, las características elásticos son independientes
de la tensión y de la frecuencia. Es decir, en si las medidas
están realizadas unconfined condiciones o con tensiones
que confinan que diferencian, los valores de las constantes elásticos
son sin cambios. Además, si estas características
están determinadas estáticamente, durante la prueba
de compresión, o dinámicamente, con técnicas
ultrasónicas de la transmisión o de la resonancia,
los valores de las constantes elásticos son iguales. Las
constantes elásticos en metales son así características
materiales que caracterizan su comportamiento mecánico
independientemente de la tensión aplicada en el material
o la frecuencia.
Desafortunadamente, las rocas no se comportan de una manera simple
similar. Como material, la roca es discontinua, en todas las escalas,
sus relaciones del stress-strain es no linear, inelástica
(el cargamento-descargar completa un ciclo resultado en lazos
hysteretic) y es tarifa-dependiente. Además, las rocas
experimentan la deformación permanente, cuando están
sujetadas a las tensiones suficientemente altas. Estas deformaciones
cambian sus características mecánicas drástico.
Cuando un metal se sujeta a las tensiones compresivas no-isotro'picas
(es decir, compresión triaxial), la tensión volumétrica
que resulta es siempre compresiva, así el volumen total
del espécimen disminuye continuamente mientras que las
tensiones compresivas aumentan. Eventual, durante la deformación
plástica, el volumen sigue siendo constante. A la sorpresa
de muchos, ésta no es la caja para las rocas o los suelos.
En rocas (y algunos suelos), como las tensiones de compresión
aumente, el volumen de las disminuciones de la muestra primero,
entonces aumenta a su volumen original y continúa más
allá de este valor, experimentando la dilatación
volumétrica. Este comportamiento mecánico característico
de rocas viene alrededor por su naturaleza discontinua, la fragilidad
de sus sólidos constitutivos, y su capacidad de experimentar
el microcracking para redistribuir tensiones de regiones de la
alta concentración de la tensión. La población
de la generación y del aumento del microcracking stress-induced
hace la roca dilatar bajo tensión.
Los diversos grados del microcracking presentes en diversa tensión
nivelan resultados en relaciones del stress-strain continuamente
que cambian en respuesta a la carga de compresión aplicada.
Además, puesto que el microcracking ocurre preferencial
en la dirección de la tensión principal máxima,
una direccionalidad fuerte en la deformación se induce
en la muestra. El espécimen llega a ser anisotropic mientras
que procede el cargamento.
A pesar de estas dificultades, una tentativa se hace a menudo
de caracterizar el comportamiento de la carga-deformacio'n de
rocas en términos de dos constantes elásticos lineares
(e.g., el módulo de Young y el cociente de Poisson). Estas
constantes cambian con el confinamiento, así de las pruebas
realizadas en la tensión que confina constante, se busca
una región dentro de la cual la relación del stress-strain
es razonablemente linear. Varias pruebas se requieren así
evaluar
dependencia de los módulos elásticos de la tensión
que confina. Se descuida el anisotropy inducido y el comportamiento
material en cada tensión que confina particular se trata
como isotrópico.
La Diferencia Entre Los Módulos Estáticos Y Dinámicos
En Roca
De la discusión antedicha, uno no anticiparía que
los módulos dinámicos y estáticos en roca
serían iguales. Incluso si se consideran los efectos termodinámicos,
todavía hay una discrepancia mensurable entre los valores
dinámicos y estáticos. En general, el módulo
elástico dinámicamente resuelto es más alto
que el módulo estáticamente determinado. Varios
mecanismos son responsables de estas discrepancias; los dos más
obvios se presentan aquí.
El efecto de la magnitud de la tensión:
Las magnitudes de tensión y de tensión generadas
con la propagación de la onda ultrasónica son insignificante
pequeñas comparadas a las tensiones y a las tensiones asociadas
al estado dado de la tensión aplicado al espécimen.
La tensión normal mala del espécimen, es así
prácticamente sin cambios por la excitación ultrasónica.
Concebible, las deformaciones no-ela'sticos que ocurren durante
el cargamento estático, debido a la movilización
de las microrajas (resbalón) y de los límites de
grano, son prevenidas por la alta tensión mala. Así,
las medidas ultrasónicas son afectadas principalmente por
una respuesta predominante elástico de la masa de la roca.
En hecho, los experimentos de Hilbert et el al. (1994), y el cocinero
y Plona (1995), en la piedra arenisca de Berea y de Castlegate,
respectivamente, probó este postulado. La ejecución
de la descargar-recarga pequeña completa un ciclo, durante
una prueba triaxial convencional, a estos autores demostró
eso: (i) la curva del stress-strain dentro de cada uno de los
ciclos de descargar-recarga pequeños es linear, (ii) la
histéresis dentro de cada lazo es insignificante pequeña,
y (iii) los módulos elásticos determinados de la
cuesta de estos ciclos de descargar-recarga son notable similares
a ésos calculaban de medidas ultrasónicas, en las
mismas condiciones de la tensión (es decir, medido apenas
antes del ciclo de descargar-recarga). Este efecto de la amplitud
de la tensión sobre la evaluación de las características
elásticos es, sin embargo, no el efecto único que
contribuye a las discrepancias entre las medidas estáticas
y dinámicas. Los experimentos similares en otras rocas,
(e.g., piedra caliza de Indiana) han demostrado discrepancias
considerables entre los módulos elásticos y dinámicos,
a pesar de el hecho de que éstos fueron medidos de descargar
pequeño completan un ciclo.
El efecto de la frecuencia:
Un efecto común de rocas en la propagación de ondas
acústicas es el de la atenuación y de la dispersión
dependientes de la frecuencia de la velocidad. Los de alta frecuencia
se atenúan fácilmente mientras que las frecuencias
bajas propagan distancias considerables. Correspondientemente,
los varios componentes de la frecuencia que constituyen la señal
acústica propagan a través de la roca a diversas
velocidades. Este fenómeno se llama dispersión de
la velocidad. Medir la velocidad de la onda en diversas frecuencias
(e.g., acústico y ultrasónico) da lugar así
a diversas velocidades de la onda y correspondientemente a diversos
módulos elásticos.
Por otra parte, en las frecuencias particulares cuando la longitud
de onda de la onda el propagar es comparable en magnitud al tamaño
de las discontinuidades (e.g., tamaño de grano) en una
muestra, la dispersión fuerte resulta. La dispersión
puede ser tan fuerte en cuanto a destruye la coherencia de la
forma de onda. En tales casos, ninguna señal no se puede
medir por el transductor de recepción. Alternativomente,
una forma de onda coherente puede resultar del campo dispersado.
Se transmite la señal, pero su trayectoria de la propagación
es un pozo no más largo definido. Las velocidades deducidas
son por lo tanto extremadamente inciertas (página et al.,
1996, Suárez-Rivera et el al 1997).
Las técnicas del análisis de frecuencia se pueden
utilizar a menudo para determinar el grado de dependencia de la
velocidad de la frecuencia. Estas inferencias, aunque está
limitado a una gama estrecha de frecuencias (típicamente
a partir de 1 megaciclo a
50 kilociclos) proporcionan una buena indicación del grado
y de la magnitud de la dispersión de la velocidad. Dependiendo
de si la dispersión es grande o pequeña, uno puede
anticipar el grado de discrepancia entre las herramientas de registración
acústicas y las medidas ultrasónicas del laboratorio.
Referencias
Plona T.J. y J.M. Cook, 1995, los "efectos de la tensión
completa un ciclo en módulos de Young estáticos
y dinámicos en la piedra arenisca de Castlegate,"
Mecánica de suelos. Daamen y Schultz (redactores). Balkema.
Rotterdam
Hilbert, L.B., T.K. Kwong, N.G.W. Cook, KT Nihei y L.R. Myer,
1994, "efectos de la amplitud de la tensión en la
deformación no linear estática y dinámica
de la piedra arenisca de Berea." Procedimientos del 1r simposio
norteamericano de la Mecánica de suelos, pp. 497-502
Página, J.H., silbido de bala Sheng, c. v., Schriemer,
I. Jones, Xiaodun Jing, y D.A. Weitz, 1996, "velocidad del
grupo en fuertemente la dispersión de medios." Ciencia
. 271, 634-637
Suárez-Rivera R., S. Nakagawa y L.R. Myer, 1997, "determinación
de las características elásticos de la roca de medidas
acústicas de los fragmentos de la roca." J. Interno
Rock Mech. Y Mínima. Sci . 34:3-4, No. De papel 304
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