title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Упругость, пластичность, ползучесть, релаксация напряжений, длительная прочность глинистых грунтов

Упругость, пластичность, ползучесть, релаксация напряжений, длительная прочность глинистых грунтов

При изучении механического поведения волокон из кварцевого стекла В. Вебер в 1835 г. впервые установил, что вслед за мгновенным удлинением (деформацией) е0 нити, наблюдаемом в момент приложения постоянной нагрузки, происходит ее дальнейшее удлинение во времени еt (рис. 1). Было установлено также, что при освобождении нити от нагрузки имеют место ее мгновенное укорочение на величину е0' и дальнейшее возвращение во времени в свое первоначальное положение (кривая CD). Это явление отставания деформации материала от момента приложения и удаления нагрузки было названо упругим последействием. Упругой называется та деформация, которая после удаления внешней нагрузки полностью исчезает, а тело приобретает свою прежнюю форму и размеры.
Мгновенные деформации реальных твердых тел, свойства которых не изменяются во времени, являются упругими (обратимыми) е0 = е0'.

В зависимости от уровня напряжения, длительности его действия и изменяемости состояния материала во времени мгновенные и длительно протекающие деформации могут быть не только упругими (обратимыми), как в рассмотренном выше случае растяжения волокна из кварцевого стекла, но и упругопластическими и пластическими (остаточными). При упругопластической природе деформирования мгновенные e0 и длительно протекающие et деформации твердого тела после его разгрузки восстанавливаются частично (см. рис. 1). Помимо упругого восстановления деформаций тело обнаруживает свойство остаточного — пластического деформирования. Если указанные деформации имеют только пластическую природу, вся начальная деформация тела является необратимой (остаточной, пластической). Пластические деформации проявляются в твердом теле тогда, когда внешняя нагрузка достигает некоторого (постоянного для каждого материала) предела, называемого пределом пластичности.
Поскольку длительно протекающие деформации твердых тел могут иметь различную природу, их подразделяют на упругие, упругопластические и пластические разновидности. Именно поэтому вместо термина упругое последействие, введенного В. Вебером, в механике получил широкое применение термин ползучесть, под которым подразумеваются протекающие во времени при постоянной нагрузке все виды длительных деформаций твердых тел. В зависимости от величины, длительности действия внешней постоянной нагрузки и условия деформирования ползучесть может быть затухающей, протекающей с постоянной или возрастающей скоростью вплоть до разрушения материала (рис. 2).
Деформирование с постоянной скоростью (текучесть) характерно для вязких (ньютоновских) и вязкопластических, структурированных (бингамовских) жидкостей, обладающих внутренним трением (вязкостью). В первом случае эти деформации проявляются при любых значениях сдвигающих сил, а во втором случае — при превышении предела текучести материала и называются соответственно вязким и вязкопластическим течениями.
В последнее время в механике твердого деформируемого тела стали широко пользоваться термином вязкое течение, подразумевая под этим ползучесть не только с постоянной, но и с переменной скоростью (аномальное течение), Именно поэтому наряду с терминами упругое, упругопластическое и жесткопластическое деформирование вошли в обиход термины: идеально вязкое, упруговязкое, упруговязкопластическое деформирование и т.д.

С ползучестью тесно связано обратное ей явление — релаксация напряжений, т. е. изменение (уменьшение) напряжения во времени при постоянной деформации (рис. 3). Это явление, впервые установленное Ф. Кольраушем в 1863 г., связано с развитием в материале ползучести за счет уменьшения упругой деформации, полученной им в момент приложения нагрузки.
С длительным деформированием твердых тел связано также свойство длительной прочности — свойство изменяемости прочности до некоторой постоянной величины по мере увеличения длительности действия постоянной нагрузки (см. рис. 3).
Упругость, пластичность, вязкость (ползучесть, течение), релаксация напряжени и прочность (длительная прочность) являются основными свойствами всех реальных материалов. Причем, поскольку все реальные тела обладают всеми перечисленными выше свойствами, то, как это впервые было отмечено Д. Максвеллом в 1868 г., нет принципиальной разницы между жидкостями и твердыми телами. Наблюдаемое в природе различие в механическом поведении жидкостей и твердых тел обусловлено длительностью действия внешних сил. В зависимости от длительности действия последних по отношению ко времени релаксации напряжений твердые тела проявляют жидкообразные свойства, а жидкости — твердообразные. Время релаксации напряжений, которое пропорционально вязкости и резко различно у разных материалов, как в 1958 г. отмечал академик П.А. Ребиндер, «...является основной константой, объединяющей свойства твердого тела и жидкости».
Все изложенное выше о поведении различных реальных тел под действием внешних сил относится к внешнему сходству этих тел, использование которого позволяет иметь общие представления о «макрозакономерностях» деформирования, т. е. об их деформировании в целом. Твердые и твердообразные тела, как отмечал П.А. Ребиндер, отличаются от жидкостей наличием в них прочной пространственной сетки — структуры. Поэтому механизмы деформирования твердых, твердообразных коагуляционных структур и вязких жидкостей сильно отличаются друг от друга.
Наука, которая изучает изменяемость напряженно-деформированного состояния различных тел во времени, называется реологией — наукой о деформации и текучести вещества («рео» в переводе с греческого означает «теку», а «логос» — наука). Предметом рассмотрения реологии являются реологические тела, обладающие реологическими свойствами: упругостью, пластичностью, вязкостью (ползучестью, текучестью), релаксацией напряжений и прочностью (длительной прочностью), присущими всем реальным материалам. Реологические свойства у разных тел проявляются в разной степени. Степень проявления этих свойств обусловлена условиями напряженно-деформированного состояния данного тела, его структурными особенностями и факторами, влияющими на его реологическое поведение, и в первую очередь — напряжением, временем и температурой.
Реология, возникновение которой было связано с изучением текучести вязких жидкостей, в современном широком понимании этого слова является одной из основных областей механики, объединяющей все разделы механики деформируемого тела. При рассмотрении напряженно-деформированного состояния идеально упругого тела задачи реологии совпадают с задачами теории упругости, если предметом рассмотрения является идеальное упруго-пластическое тело, — теории пластичности, а когда рассматриваются вопросы определения длительно протекающих (ползучих) деформаций, — теории ползучести. Однако задачи реологии значительно шире задач теории ползучести, поскольку кроме ползучести она включает в себя также теории релаксации напряжений и длительной прочности.
В отличие от теорий упругости, пластичности и ползучести в реологии рассматриваются как бесконечно малые, так и конечные деформации реальных (сплошных и пористых) тел на макроскопическом и микроскопическом уровнях. Следовательно, все перечисленные выше теории являются отраслями реологии — различными этапами ее развития.
Исследованиями напряженно-деформированного состояния реальных тел с учетом фактора времени на макроскопическом уровне занимается макрореология. Задачей макрореологии является рассмотрение реологического поведения тела в целом — суждение о его реологических свойствах по данным макроэксперимента (без вникания во внутреннее строение вещества) и о происходящих в его структуре изменениях в результате внешних силовых воздействий. Это значит, что подход к исследованиям деформаций материала в макрореологии является феноменологическим. Поэтому макрореология, наряду с классической механикой, термодинамикой и электродинамикой, принадлежит к феноменологическим разделам физики. Макрореология является прикладной наукой, имеющей широкое применение для решения самых различных инженерных задач. Ее результаты достаточно хорошо подтверждаются экспериментами.
Исследованиями реологических процессов на микроскопическом уровне занимается микрореология. Основной задачей микрореологии является предсказание макрореологических процессов на основании рассмотрения микропроцессов, происходящих на атомно-молекулярном уровне с учетом строения, структуры, взаимодействия мельчайших элементов структуры реальных тел. При микрореологических исследованиях используются механические модели, отображающие (с определенным приближением) поведение реальных тел.
Одним из основных разделов рассматриваемой науки является экспериментальная реология, или реометрия, которая занимается изучением закономерностей реологических свойств и определением реологических характеристик самых различных реальных тел. Ввиду большого разнообразия материалов, сложности природы и деформируемости, наличия множества факторов, обусловливающих их реологические свойства, экспериментальная реология приобрела исключительно важное значение и стала самостоятельным направлением. He редки случаи, когда успех правильного предсказания процессов длительного деформирования и изменяемости прочности сооружений во времени в основном связан со степенью достоверности и надежности информации о реологических свойствах материалов. Изложенное относится ко всем материалам, но в первую очередь к глинистым грунтам, у которых реологические явления ярко выражены и ввиду их естественного происхождения обладают большой неоднородностью и пространственной изменчивостью свойств. Поэтому не случайно то огромное внимание, которое уделяют специалисты экспериментальной реологии вообще, определению характеристик ползучести и прочности материалов в особенности.
Следует подчеркнуть, что экспериментальное определение реологических характеристик и в первую очередь ползучести материалов связано с большими техническими трудностями, трудоемко и требует много времени. В этой связи интересно отметить, что для получения более или менее исчерпывающего представления о ползучести бетона, по данным И.И. Улицкого, следует учесть влияние восемнадцати факторов и испытать большое число образцов-близнецов в течение многих месяцев и даже лет. Известны исключительно длительные — до 140 000 ч (16 лет) исследования немецкими учеными ползучести стали при высоких температурах, а также глинистых грунтов — продолжительностью до 3,5 лет, проведенные А. Бишопом и Г. Лавенбери в 1969 г. Испытания на кручение кольцевых образцов продолжительностью до 800 дней выполнены автором книги совместно с Р.Р. Галстяном.
Результаты экспериментальных исследований реологических свойств служат основой для составления реологических уравнений состояния материалов, связывающих между собой напряжения, деформации и время при заданном значении температуры, являющихся основными физическими уравнениями теоретической реологии. Уравнения состояния, представляемые как в дифференциальной, так и в интегральной форме, описывают свойства идеальных тел, отображающие с определенным приближением свойства реальных материалов при помощи параметров, характеризующих их поведение под действием внешних нагрузок. Степень точности отображения реологических свойств реальных материалов зависит как от правильного выбора выражения уравнения состояния, так и от точности определения параметров, входящих в эти уравнения.

title-icon Подобные новости