Рис. 92. Изменение объемной прочности горных пород при пульсирующем (р = 0) сжатии: I — о-3 = 0; II — ^"з = 50 МПа; 1 — габбро; 2 — песчаник; 3 —мрамор (по М. П. Мохначеву, 1979)

5. Можно отметить некоторые общие для разных видов пород отличия в х рактере усталостного разрушения по сравнению со статическими условиями. Так, при статическом сжатии разрушение происходит с образованием конических объ­ емов или с образованием плоскости сдвига под углом около 60° (при боковом напряжении 50 МПа). А при динамическом сжатии при любых боковых давлениях происходит сдвиг по поверхности, выражающийся в отслаивании поверхностных слоев образца вдоль его образующей. Указанные различия связываются (Мохначев, 1979) с перераспределением напряжений на торцах образца при динамическом воздействии, что ведет к возникновению разных напряжений и деформаций в от­ дельных точках внутри образца. Поэтому рост усталостной трещины происходит по наиболее выгодным местам — ближе к боковой поверхности цилиндрического образца, что и приводит к отделению кусков породы параллельно большему главно­ му напряжению. В условиях статического и динамического растяжения разрушение происходит одинаково — с образованием сравнительно гладкой поверхности раска­ лывания. При больших <ттах = (0,8-0,9)^ст и малых значениях р трещины в породе развиваются интенсивно, количество циклов нагружения, необходимое для разру­ шения, невелико, и за это короткое время существенного повреждения кристаллов

8.2. Разогрев грунтов и материалов при динамических нагрузках

При динамическом нагружении пород типа мела, мергеля и глины было обна­ ружено (Карташов, 1973) повышение температуры образцов по сравнению с темпе­ ратурой окружающего воздуха на 15—30° С. Это явление было известно и для других материалов и связано с тем, что часть энергии (работы деформации), поглощаемой материалом при его динамическом нагружении и характеризуемой площадью петли гистерезиса в данном цикле, в значительной степени переходит в теплоту и вызыва­ ет разогрев деформируемого образца. Показано (Прочность металлов..., 1967), что

величина температурных всплесков в метал­ лах зависит от максимального действующе­ го напряжения и частоты приложения на­ грузки. По данным М. П. Мохначева (1979), чем слабее порода и выше ее деформи­ руемость, тем резче проявляется разогрев образца, причем максимальное превыше­ ние температуры разогрева по сравнению с комнатной составляет не более 30° С ,

аопределяющее влияние на его величину

сувеличением N оказывают максимальное действующее напряжение и коэффициент асимметрии цикла (рис. 93).

Поскольку эффекты ускорения де­ формирования материала и снижения его прочности с повышением температуры хо­ рошо известны, то величину разогрева грун­ та при динамическом воздействии следует рассматривать как один из факторов, влия­

ющих на скорость и вероятность усталостного разрушения, причем тесно связанный и с другими рассмотренными выше факторами. Явление разогрева является, следо­ вательно, одним из элементов механизма усталостного разрушения материалов.

8.3.Теории усталости

Внастоящее время не разработано единой теории усталостного разрушения даже таких однородных материалов, как металлы. Как уже отмечалось, усталостное разрушение связывается с зарождением и ростом усталостной трещины, которая

вусловиях динамического нагружения не обязательно должна совпадать с на­ правлением максимальных скалывающих напряжений. Кроме того, представление

оразрушении материала по единственной трещине является слишком упрощенным, на что указывает и характер разрушения. В связи с этим большинство исследовате­ лей склонно рассматривать процесс усталости как разрушение путем отрыва. Само разрушение может трактоваться не как сравнительно быстрое прорастание одной

трещины, а как процесс их накопления, приводящий к «разрыхлению» материала до определенной степени, после чего происходит его разрушение. Тогда критерием усталости материала должно являться количество микротрещин на единицу объема образца. Такой подход представляется вполне логичным и отражающим физическую картину явления.

Теория усталости металлов, предложенная Н. Н. Афанасьевым (1953), основы­ валась на представлении о неравномерной напряженности зерен в поликристаллическом теле, характеризуемой кривой плотности вероятности напряжений. В таком случае по мере увеличения количества циклов нагрузки напряжения в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах будут возрастать до величин, равных со­ противлению отрыву, после чего и образуется первая усталостная микротрещина. Однако использовавшаяся этим автором идея о непрерывном росте напряжений в слабых зернах экспериментально не подтвердилась (Wood, Segall, 1958).

Ряд авторов рассматривает распространение усталостных трещин не с силовой, а с энергетической точки зрения. Тогда можно использовать измерения внутреннего трения материала. Как уже указывалось, поглощающая (или демпфирующая) спо­ собность материала является мерой удельной энергии, диссипируемой за один цикл нагружения материала, и может быть определена по площади петли гистерезиса

или по разогреву образца во время испытаний. В частности, В. С. Иванова (1963) оценивала сопротивление металлов усталости по параметрам их упругого гистере­ зиса, т. е. по их способности необратимо рассеивать энергию. Она установила, что неупругая работа в течение цикла является функцией приложенного напряжения независимо от того, выше оно или ниже предела усталости. И. А. Одинг (1962) предположил, что при предельном режиме нагружения материал поглощает одно и то же количество энергии (независимо от характера цикла), причем ширина петли гистерезиса пропорциональна максимальному действующему напряжению.

Таким образом, влияние всех рассмотренных нами силовых факторов можно выразить через изменение количества работы деформации, при предельном зна­ чении которого (зависящего только от типа материала) происходит усталостное разрушение. Недостатком данного подхода является то обстоятельство, что по­ глощение материала есть мера деформированного состояния его образца в целом

исвязано не только с возникновением усталостных трещин.

Воснову современных теорий усталости металлов положены дислокационные представления об их строении и механизме пластических деформаций (Иванова, 1960). При этом одни авторы связывают зарождение микротрещин с появлени­ ем высоких растягивающих напряжений, создаваемых скоплениями дислокаций, другие отводят главную роль процессу коагуляции вакансий или их осаждению на вершинах микропор. Но суть в том, что динамические нагрузки обеспечивают более благоприятные условия для появления вакансий, чем статические. В процессе движения дислокаций образуются вакантные места в кристаллической решетке, число которых пропорционально величине действующего напряжения. А при ди­ намической нагрузке имеет место возвратно-поступательное движение дислокаций

иих взаимодействие между собой и с иными дефектами кристаллической решетки, что приводит к формированию линий скольжения, способствующих зарождению усталостных трещин.

Ив самом деле, пластическая деформация, связанная с процессом усталости металла, часто бывает чрезвычайно локализованной. Известно, что микропластические деформации возникают задолго до начала общей пластической деформации

имогут быть необратимыми и накапливаться — это показано на армко-железе: катастрофическая пластическая деформация, связанная с распространением полос Чернова—Людерса, внезапно начинается после нескольких сотен или тысяч цик­ лов (в зависимости от уровня нагрузки) при напряжениях, значительно меньше приводящих к пластической деформации при первом нагружении (Роней, 1976).

Однако теория дислокаций — это общепринятая теория физики твердого тела, сформулированная применительно к металлам, и приложение ее к другим материалам вряд ли будет плодотворным. С нашей точки зрения теорией бо­ лее широкого пользования для объяснения механизма усталости на микроуровне является кинетическая теория. В соответствии с ней (Журков, Санфирова, 1960) усталостное разрушение рассматривается как процесс, элементарными актами ко­ торого являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей, накопление которых ведет к зарождению микротрещин и макроскопическому разрушению ма­ териала, выражающемуся в образовании полостей трещин и их развитии. Тогда разрушение следует характеризовать скоростью накопления повреждений в струк­ туре материала (числом разрываемых связей в единицу времени или скоростью роста трещин и т. д.) или временем, необходимым для их накопления (либо, нао­ борот, долговечностью), а не величиной критических напряжений. С. Н. Журковым предложено эмпирическое уравнение, описывающее зависимость долговечности материала от напряжения и температуры Т и отражающее физическую картину

процесса разрушения в терминах кинетической теории усталости:

г = то ехр

где Uo — энергия активации процесса разрушения, 7 — структурно-чувствительный коэффициент, т0 — коэффициент, равный приблизительно 1012с, К — постоянная Больцмана.

В это уравнение не входят величины, характеризующие цикличность нагруз­ ки; следовательно, переход от статического нагружения к динамическому не меняет коренным образом природу процесса разрушения. Это указывает на внутреннюю непротиворечивость кинетической теории самой по себе, которая отражает и не­ которые специфические черты усталостного разрушения — разогрев материала в процессе деформирования, величина которого, в свою очередь, зависит от вида и параметров нагрузки.

Единая природа разрушения материала (по крайней мере на микроуровне) в статических и динамических условиях наглядно проявляется в близости явле­ ний ползучести и длительной усталости горных пород: показано (Мохначев, 1979) подобие кривых изменения прочности при долговременных (до 1000 суток) стати­ ческих и пульсирующих нагрузках. Пределы длительной статической и циклической прочности для трех типов осадочных пород практически совпадают, а разрушение в обоих случаях наступает при напряжениях, меньших, чем стандартная прочность. При этом действие динамических нагрузок как фактора, ускоряющего процесс деформирования грунта при ползучести, может характеризоваться величиной от­ ношения скоростей ползучести соответственно при динамическом и статическом нагружении (при равенстве действующих напряжений) и носит название коэффи­ циента вибрационного ускорения ползучести (Карташов, 1967).

Надо отметить, что при динамических нагрузках скорость ползучести после начала испытаний довольно быстро (по сравнению со статическими условиями) стабилизируется и остается постоянной в течение длительного времени. При пуль­ сирующих, как и при статических, испытаниях на ползучесть получаются кривые затухающей, установившейся или прогрессирующей ползучести. Хотя кривые ста­ тической и динамической ползучести с течением времени и сближаются, но на­ копление деформаций при динамическом нагружении происходит быстрее, чем при статическом. Это дает основание некоторым авторам считать, что динамиче­ ские напряжения можно заменить эквивалентными статическими напряжениями с применением переходного коэффициента вибрационного ускорения ползучести. Но физический смысл такой замены не вполне ясен, и она является чисто механи­ ческим приемом.

Анализ существующих теорий усталости высокопрочных материалов и не­ которое количество экспериментальных данных усталостных испытаний грунтов с жесткими структурными связями позволяют сформулировать некоторые выводы по поводу механизма усталостного разрушения последних.

1. Усталостное разрушение грунта является результатом зарождения и разви­ тия в нем трещин.

2.Зарождение и рост усталостной микротрещины представляет собой процесс накопления термофлуктуационных разрывов структурных связей.

3.Местами зарождения усталостных микротрещин являются первичные неод­ нородности в поликристаллической структуре грунта, искажающие поле напряже­ ний в породе.

4.Применение дислокационных представлений физики твердого тела к су­ щественно неоднородным по составу и дискретным по строению горным породам