Reologia - Paolo Conti · Reologia •parte della geologia che descrive la capacità che ha una...
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Reologia
Reologia• parte della geologia che descrive la capacità che
ha una roccia di deformarsi se sottoposta a sforzo
• dal greco rheos = fluire• descritta attraverso parametri quali stress, strain,
velocità deformazione, ecc.• equazioni che descrivono questi rapporti sono
dette “equazioni costitutive" in quanto dipendono dalla natura del materiale.
• rapporti con le microstrutture
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Modelli di comportamento di materiali continui
• comportamento elastico• comportamento viscoso• comportamento plastico• comportamento visco-elastico• comportamento elastico-plastico
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Comportamento elastico• Deformazione istantanea e reversibile• relazione stress-strain lineare (modulo di Young)
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elastico
(a)
t1 t2 t3 t4t
m
(b)t1 t2 t3 t4
t
e
(c)
m
e
visco-elastico
viscoso
elastico
m
e(n)
m
e(m)
t1 t2 t3t
e
(l)t1 t2 t3
t
m viscosoelastico
plastico
(g)t1 t2 t3 t4
t
m
my
(h)t1 t2 t3 t4
t
e my
(i)
m
e
viscoso
(d)t1 t2 t3
t
m
(e)t1 t2 t3
t
e
(f)
m
e
elastico-plastico
t1 t2 t3 t4(q)
t
e
(r)
m
e
my
m
(s)e
my
(p)t1 t2 t3 t4
t
m
my plastico
elastico
plastico
elastico
(o)
Comportamento elastico• Si ha solo allungamento dei legami atomici, non
la loro rottura• se lunghezza diversa dalla situazione di minor
energia potenziale si ha cristalli con una certa “energia elastica” all’interno
• energia elastica va a zero se intervengono delle fratture.
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Forze repulsive
Forze attrattive
r
U0
+ -r
Comportamento elastico• Analogo meccanico: una molla• Microstrutture: rocce deformate a bassa
temperatura
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(a) (c) (d)
A
B
C
D
E
F
(b)
A
B
C
D
EA
B
C
D
EA
B
C
D
E
F F F
Comportamento viscoso• Corpo deformato in modo irreversibile• velocità deformazione proporzionale allo stress applicato• è il coefficiente di viscosità (alto=def. lenta)
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elastico
(a)
t1 t2 t3 t4t
m
(b)t1 t2 t3 t4
t
e
(c)
m
e
visco-elastico
viscoso
elastico
m
e(n)
m
e(m)
t1 t2 t3t
e
(l)t1 t2 t3
t
m viscosoelastico
plastico
(g)t1 t2 t3 t4
t
m
my
(h)t1 t2 t3 t4
t
e my
(i)
m
e
viscoso
(d)t1 t2 t3
t
m
(e)t1 t2 t3
t
e
(f)
m
e
elastico-plastico
t1 t2 t3 t4(q)
t
e
(r)
m
e
my
m
(s)e
my
(p)t1 t2 t3 t4
t
m
my plastico
elastico
plastico
elastico
(o)
Comportamento viscoso• Nel comp. viscoso il tempo ha un ruolo
importante, non era importante nel comp. elastico• analogo meccanico: pistone con pori / siringa• Meccanismo deformativo: uno tra cataclasi -
plasticità - scivolamento viscoso -dissoluzione/riprecipitazione
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Comportamento plastico• Nessuna deformazione finché non si raggiunge il
“limite di plasticità”• raggiunta questa soglia lo stress non aumenta,
aumenta la velocità di deformazione
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elastico
(a)
t1 t2 t3 t4t
m
(b)t1 t2 t3 t4
t
e
(c)
m
e
visco-elastico
viscoso
elastico
m
e(n)
m
e(m)
t1 t2 t3t
e
(l)t1 t2 t3
t
m viscosoelastico
plastico
(g)t1 t2 t3 t4
t
m
my
(h)t1 t2 t3 t4
t
e my
(i)
m
e
viscoso
(d)t1 t2 t3
t
m
(e)t1 t2 t3
t
e
(f)
m
e
elastico-plastico
t1 t2 t3 t4(q)
t
e
(r)
m
e
my
m
(s)e
my
(p)t1 t2 t3 t4
t
m
my plastico
elastico
plastico
elastico
(o)
Comportamento plastico• analogo meccanico: corpo sopra una superficie,
con attrito• meccanismo deformativo: def. plastica, con
movimento di dislocazioni sui piani reticolari su cui si raggiunge il Critical Resolved Shear Stress
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Comportamento visco-elastico• in rocce con viscosità elevata• all’inizio comportamento elastico• poi comportamento viscoso (velocità
deformazione proporzionale allo stress applicato)• analogo meccanico: pistone con pori a cui è
applicata una molla
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Comportamento elastico-plastico• Applicando lo stress il corpo si deforma
inizialmente in modo elastico• superato il limite di plasticità si deforma in modo
plastico. • Cessato lo stress scompare la deformazione
elastica mentre rimane permanentemente quella plastica.
• Analogo meccanico: corpo sopra una superficie piana orizzontale scabra a cui è applicata una molla.
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Deformazione sperimentale di rocce
Stati di stress in deformazione in lab.
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m1
m1
m3m3m2
m2 m2
m2
(d)
m1
m3
m3
m3
m3
m1
o
(e)
m1
m1
(c)
m3
m3
m1m1
m3
m3
m1
m1
(b)
m1
m3
m3
m3 m3
m1
(a)
Curva caratteristica
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8.2. DEFORMAZIONE SPERIMENTALE DI ROCCE 129
Punto disnervamento
Carico disnervamento
"Work hardening"
Elas
tico
Chiusura fratture
"Ultimate strenght""Fracturestrenght"
Resistenza allo scorrimento("Residual strenght")
Figura 8.5 Curva caratteristica di una deformazione sperimentale di un campione di roccia in un diagrammastress/strain.
Figura 8.6 Curve stress/strain in funzione della pressione di confinamento (Pc), della pressione interstiziale(Pp), della temperatura (T ) e della velocità di deformazione (e).
dal meccanismo deformativo e sono utili per confrontare il comportamento di materialideformati in condizioni di�erenti.
Parti caratteristiche di una curva ottenuta da un esperimento sono (Fig. 8.5):a) una parte iniziale che indica la chiusura di tutte le microfratture precedentemente presenti
nella roccia, non appena si applica uno stress assiale; questo non accade se si applicainizialmente un’alta pressione di confinamento;
b) una parte corrispondente al comportamento elastico reversibile;c) un punto di snervamento a cui corrisponde un carico di snervamento, al di sopra del quale
aumentando ulteriormente il carico sul pistone, si produce una deformazione permanentenel campione;
d) un tratto in cui si ha work hardening, in cui cioè la roccia si deforma sempre piùdi�cilmente. Se la temperatura è su�cientemente alta, si raggiunge invece lo stato steadystate in cui la roccia si deforma a stress costante;
e) ultimate strength, che è il massimo valore dello stress raggiunto durante tutto l’esperi-mento;
f) fracture strength, rottura improvvisa del campione, con forte emissione acustica, a questopunto si un’improvvisa caduta dello stress;
g) resistenza allo scorrimento o residual strength, stress necessario per avere scivolamentolungo le fratture appena formate.In Fig. 8.6 è riportato il comportamento di rocce deformate sperimentalmente in un grafico
stress/strain al variare di di�erenti parametri. Dalla Fig. 8.6a si vede come per raggiungereun certo valore di strain è richiesto uno stress sempre maggiore se si aumenta la pressionedi confinamento (P
c
). Il caso contrario avviene invece se aumenta la pressione interstizialedei pori (P
p
) (Fig. 8.6b). Dalla Fig. 8.6c è evidente che per produrre un certo strain nellaroccia è necessario uno strain sempre minore se la temperatura (T ) aumenta. Una velocità
deformazione sperimentale di un campione di roccia in un diagramma stress/strain.
Curve stress/strain
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8.2. DEFORMAZIONE SPERIMENTALE DI ROCCE 129
Punto disnervamento
Carico disnervamento
"Work hardening"
Elas
tico
Chiusura fratture
"Ultimate strenght""Fracturestrenght"
Resistenza allo scorrimento("Residual strenght")
Figura 8.5 Curva caratteristica di una deformazione sperimentale di un campione di roccia in un diagrammastress/strain.
Figura 8.6 Curve stress/strain in funzione della pressione di confinamento (Pc), della pressione interstiziale(Pp), della temperatura (T ) e della velocità di deformazione (e).
dal meccanismo deformativo e sono utili per confrontare il comportamento di materialideformati in condizioni di�erenti.
Parti caratteristiche di una curva ottenuta da un esperimento sono (Fig. 8.5):a) una parte iniziale che indica la chiusura di tutte le microfratture precedentemente presenti
nella roccia, non appena si applica uno stress assiale; questo non accade se si applicainizialmente un’alta pressione di confinamento;
b) una parte corrispondente al comportamento elastico reversibile;c) un punto di snervamento a cui corrisponde un carico di snervamento, al di sopra del quale
aumentando ulteriormente il carico sul pistone, si produce una deformazione permanentenel campione;
d) un tratto in cui si ha work hardening, in cui cioè la roccia si deforma sempre piùdi�cilmente. Se la temperatura è su�cientemente alta, si raggiunge invece lo stato steadystate in cui la roccia si deforma a stress costante;
e) ultimate strength, che è il massimo valore dello stress raggiunto durante tutto l’esperi-mento;
f) fracture strength, rottura improvvisa del campione, con forte emissione acustica, a questopunto si un’improvvisa caduta dello stress;
g) resistenza allo scorrimento o residual strength, stress necessario per avere scivolamentolungo le fratture appena formate.In Fig. 8.6 è riportato il comportamento di rocce deformate sperimentalmente in un grafico
stress/strain al variare di di�erenti parametri. Dalla Fig. 8.6a si vede come per raggiungereun certo valore di strain è richiesto uno stress sempre maggiore se si aumenta la pressionedi confinamento (P
c
). Il caso contrario avviene invece se aumenta la pressione interstizialedei pori (P
p
) (Fig. 8.6b). Dalla Fig. 8.6c è evidente che per produrre un certo strain nellaroccia è necessario uno strain sempre minore se la temperatura (T ) aumenta. Una velocità
Curve stress/strain in funzione della pressione di confinamento, della pressione interstiziale, della temperatura e della velocità di deformazione.
Deformazione sperimentale• Relazioni tra i principali caratteri riscontrati in rocce
deformate sperimentalmente e meccanismi deformativi.
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arutarepmetenoisserp:alled enoiznuf aznetsiseR
asuffidatazzilacolDeformazione
Meccanismo deformativo àticitsalpisalcatac
frattura con cataclasi flussocataclastico
flusso plasticoomogeneoLocalizzazione
Campione deformato
Curve stress/strain
Microfratturazione
%5 >%3 >%3 <aruttor alled amirp niartS
Perdita di coesione
Superfici di frattura discrete
onis
onis
onis
1 2 3 4
e e e e