ОСНОВНІ РІВНЯННЯ МЕХАНІКИ СУЦІЛЬНОГО СЕРЕДОВИЩА
1 Рівняння рівноваги
До цього часу ми розглядали напружений стан гірського масиву в окремо взятій точці. При переході до напруженого стану по всьому об’єму необхідно розглянути зв’язок компонентів напружень в найближчих точках об’єму. Фунуцію для цих напружень, які в суцільному середовищі є безперервними функціями координат, розкладемо поблизу точки М (мал. 1) в ряд Тейлора і обмежимося членами 1-го порядку. Тоді компоненти напругжень в нескінченно близькій сусідній точці виражаються через компоненти даної точки лінійними залежностями.
Якщо для точки М твердого тіла виділити елементарний паралелепіпед з нескінченно малими ребрами та гранями, паралельними координатним площинам, то, як відомо з теоретичної механіки, для його рівноваги повинні задовольнятися наступні рівняння (принцип Даламбера-Ейлера):
Крім сил, діючих на гранях елементарного паралелепіпеда, врахуємо об’ємні сили, такі як вага та сила інерції.
Перші три умови дозволяють отримати наступні рівняння динамічної рівноваги суцільного середовища:
(1)
де - щільність речовини;
,
,
- проекції об’ємних сил на осі координат, віднесені до одиниці маси;
,
,
- зміщення по осям координат.
Перетворення суми моментів приводить до вказаної раніше умови парності взаємних дотичних напруг:
(2)
В загальному вигляді ці шість рівнянь можна записати:
(3)
(4)
У випадку статичної рівноваги рівняння (3) спрощуються
(5)
При плоскій деформації можна записати:
(6)
Рівняння (3) має 9 невідомих функцій . Тобто, для визначення всіх невідомих потрібно додатково щонайменше ще 6 рівнянь.
2 Рівняння сумісності
Такими відсутніми додатковими рівняннями є рівняння, що зв’язують компоненти тензора деформації з кампонентами переміщення
(7)
У випадку малих деформацій маємо лінійні співвідношення:
(Рівняння Коши) (8)
При статичній рівновазі переміщення в рівняннях (1) відсутні або незмінні, тому рівняння (8) необхідно перетворити таким чином, щоб знайти безпосередній зв’язок між компонентами деформації.
Цей зв’язок установлено вперше Сен-Венаном у вигляді рівняньсумісності :
(9)
Введення рівнянь (8) в динамічному і (9) в статичному випадках додало до трьох рівнянь рівноваги (1) ще шість і збільшело їх кількість до дев’яти, а кількість невідомих збільшилося до 15. Отже теорія суцільного середовища в розглянутій постановці не в змозі описати напружений стан масиву. Невистачаючі 6 рівнянь отримують додатково із феноменологічних фізичних теорій: теорії пружності, теорії пластичності, теорії текучості, граничного напруженого стану та таке інше.
Якщо врахувати і квадратичні члени рівнянь (8), то отримаємо: