Rozdział 1 - Cel, zakres i teza pracy
advertisement
5 Rozdział 1 - Wprowadzenie 1. Cel, zakres i teza pracy Mechanika kruchych materiałów jakimi są skały naturalne a takŜe skałopodobne materiały powszechnie stosowane w inŜynierii jest przedmiotem licznych prac o charakterze doświadczalnym i teoretycznym [2, 3, 10, 11, 20, 21, 29, 30, 31, 46, 61, 73,]. Aktualny stan wiedzy w tym zakresie pozwala na rozróŜnienie kilku zasadniczych nurtów tych badań obejmujących: 1. Badania doświadczalne prowadzone przy zastosowaniu róŜnych technik eksperymentalnych [8, 10, 11, 45, 59, 60, 61, 73], których celem jest zbadanie procesów fizycznych zachodzących w obciąŜonych materiałach kruchych oraz stworzenie podstaw doświadczalnych niezbędnych do zbudowania modeli teoretycznych. 2. Formułowanie fenomenologicznych modeli teoretycznych [3, 16, 20, 21, 29, 30, 31, 57, 58, 60, 83] zdolnych do opisu stwierdzonych doświadczalnie zjawisk związanych z zachowaniem się materiałów kruchych. Do tych zjawisk naleŜy zaliczyć rozwój zorientowanego uszkodzenia oraz odkształceniowej anizotropii materiału. 3. Analiza zjawisk zachodzących w materiałach kruchych przy zastosowaniu metod mikromechaniki [2, 3, 36] jako element uzupełniający badania doświadczalne i stanowiący bazę do uogólnień niezbędnych przy formułowaniu efektywnych modeli fenomenologicznych. Niniejsza praca, stanowiąca rozwinięcie i poszerzenie problemów nakreślonych we wcześniejszych, opublikowanych juŜ pracach własnych [8, 56, 57, 58, 59, 60], dotyczy dwóch pierwszych nurtów. Celem pracy jest więc: a) przedstawienie wyników własnych badań doświadczalnych, b) sformułowanie fenomenologicznego modelu teoretycznego bazującego na metodach mechaniki uszkodzenia materiałów [4, 12, 13, 32, 34, 41, 42, 50, 51, 53, 54, 55, 62, 63, 64] oraz na teorii reprezentacji funkcji tensorowych [5, 6, 77], c) przeprowadzenie weryfikacji doświadczalnej modelu teoretycznego przy zastosowaniu wyników badań własnych a takŜe dostępnych wyników badań betonu i skał poddanych złoŜonemu stanowi napręŜenia. W szczególności celem pracy jest udowodnienie tezy, iŜ krzywoliniowy charakter zaleŜności pomiędzy napręŜeniami i odkształceniami w materiałach kruchych jest spowodowany w głównej mierze rozwojem uszkodzenia jego struktury wewnętrznej, które prowadzi do obniŜenia jego sztywności i do rozwoju jego anizotropii, określanej mianem odkształceniowej anizotropii. 6 Rozdział 1 - Wprowadzenie Zaprezentowany w niniejszej pracy model matematyczny słuŜący do opisu zdegradowanej struktury materiałów kruchych pod wpływem zwiększającego się obciąŜenia zewnętrznego jest modelem fenomenologicznym i nie uwzględnia szczegółów związanych z rodzajem, kierunkiem propagacji i ilością mikrorys powstałych w materiałach kruchych pod wpływem obciąŜenia zewnętrznego. Te problemy są przedmiotem trzeciego nurtu badań bazujących na metodach mikromechaniki, który wykracza poza zakres niniejszej pracy. Procesy mikrouszkodzenia materiału uwzględnione są w formułowanym modelu teoretycznym za pośrednictwem zmiennej odpowiedzialnej za aktualny stan struktury wewnętrznej materiału przyjętej w formie tensora efektu uszkodzenia. Zakłada się więc, Ŝe odpowiedź materiału kruchego na obciąŜenie zewnętrzne, reprezentowana przez tensor odkształcenia jest funkcją dwóch zmiennych tensorowych, tensora napręŜenia oraz tensora efektu uszkodzenia. Poprawność zaproponowanego modelu została zweryfikowana poprzez wykorzystanie dostępnych danych doświadczalnych dotyczących betonu i skał poddanych złoŜonym stanom napręŜenia, ponadto w celu doświadczalnego pomiaru akumulacji zorientowanego uszkodzenia wykonane zostały własne badania doświadczalne, a ich wyniki zostały wykorzystane w niniejszej rozprawie. Treść pracy została podzielona na siedem rozdziałów. W rozdziale 2 zostało omówione zachowanie się materiałów kruchych pod wpływem zewnętrznego obciąŜenia. Omówiono takŜe podstawy mechaniki uszkodzenia i teorii reprezentacji funkcji tensorowych, które posłuŜyły do sformułowania modelu teoretycznego. W rozdziale 3 zaprezentowane zostały wyniki własnych badań doświadczalnych. Przedmiotem badań był beton klasy B20 poddany osiowemu ściskaniu. Badania polegały na pomiarze odkształceń poprzecznych i podłuŜnych za pomocą tensometrii elektrooporowej. Na podstawie znajomości wartości odkształceń wyznaczono zmiany modułów spręŜystości podłuŜnej i współczynników skurczu poprzecznego pod wpływem zwiększającego się obciąŜenia. Do pomiaru właściwości betonu zastosowana została takŜe defektoskopia ultradźwiękowa, która umoŜliwiła pomiar prędkości fali ultradźwiękowej przebiegającej przez beton. Znając prędkości fali ultradźwiękowej w betonie wyznaczono wartości modułów spręŜystości podłuŜnej oraz współczynniki skurczu poprzecznego. Zastosowanie defektoskopii ultradźwiękowej miało na celu potwierdzenie wyników uzyskanych za pomocą tensometrii elektrooporowej. Rozdział 1 - Wprowadzenie 7 W rozdziale 4 zaprezentowano model teoretyczny. Podano ogólną postać równania ewolucji uszkodzenia i równania fizycznego. Zaprezentowany został takŜe sposób identyfikacji sześciu stałych materiałowych, które wynikają z przyjętej postaci równania ewolucji uszkodzenia i równania fizycznego. Sposób ten bazuje na doświadczalnych krzywych zaleŜności pomiędzy odkształceniem i napręŜeniem dla osiowego oraz trójosiowego ściskania. W rozdziale 5 zaprezentowano zastosowanie modelu teoretycznego do opisu zachowania się materiałów kruchych w płaskim stanie napręŜenia, obejmującego dwukierunkowe lub osiowe ściskanie a takŜe działanie dwóch napręŜeń normalnych o róŜnych znakach. Zaprezentowano takŜe doświadczalną weryfikację przyjętego modelu matematycznego z wykorzystaniem dostępnych danych doświadczalnych dla materiałów kruchych w tym stanie napręŜenia. Wykorzystano takŜe wyniki własnych badań doświadczalnych nad akumulacją zorientowanego uszkodzenia dla betonu zwykłego poddanego osiowemu ściskaniu. W rozdziale 6 zaprezentowano zastosowanie modelu teoretycznego do opisu zachowania się materiałów kruchych w trójosiowym stanie napręŜenia, będącego superpozycją hydrostatycznego ciśnienia oraz osiowego ściskania. Wybór tego przypadku obciąŜenia w trójosiowym stanie napręŜenia wynikał z faktu, iŜ jest to w zasadzie jedyny test tego typu powszechnie stosowany dla materiałów kruchych. Zaprezentowana została takŜe doświadczalna weryfikacja przyjętego modelu matematycznego z wykorzystaniem dostępnych danych doświadczalnych dla materiałów kruchych w trójosiowym stanie napręŜenia. W rozdziale 7 przedstawione zostały wnioski końcowe dotyczące zagadnień przedstawionych w rozprawie.
