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Mecánica de suelos

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