Возмущение напряженно-деформированного состояния упругого полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств при сдвиге в горизонтальной плоскости с учетом гравитационных сил
Автор: Пантелеев И.А., Полтавцева Е.В., Мубассарова В.А., Гаврилов В.А.
Статья в выпуске: 4, 2017 года.
Бесплатный доступ
Настоящая работа посвящена решению задачи о возмущении напряженно-деформированного состояния упругого изотропного полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств для случая действия на полупространство только силы тяжести и случая дополнительно наложенного сдвига в горизонтальной плоскости. Получено аналитическое решение для компонент вектора перемещений и объемной деформации, выраженное через потенциалы и квазипотенциалы шара, для случая действия на полупространство только сил тяжести и случая суперпозиции сил тяжести и сдвига в горизонтальной плоскости. На примере конкретного сейсмического события показано, что вклад гравитационных сил в возмущение напряженно-деформированного состояния полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств (распределение относительно объемной деформации) не является малым. С использованием полученного аналитического решения для случая действия только сил тяжести показано, что распределение объемной деформации является осесимметричным относительно оси z. Вокруг шаровой неоднородности упругих свойств в изотропном упругом полупространстве формируются зона относительного сжатия, расположенная по простиранию неоднородности, и зоны относительного растяжения, расположенные над и под неоднородностью. Отличительной особенностью зон относительного растяжения является их предельный размер, тогда как размер зоны относительного сжатия растет при уменьшении величины объемной деформации. При добавлении в решение слагаемого, связанного со сдвигом в в горизонтальной плоскости, симметрия не нарушается, но нарушается равенство по модулю объемных деформаций в соседних октантах. Размеры и геометрия изоповерхностей объемной деформации при учете сил тяжести в задачи сдвига в горизонтальной плоскости существенно меняется. В зависимости от направления оси максимального растяжения полупространства с неоднородностью происходит увеличение размеров зон относительного сжатия и соответствующее уменьшение размеров зон относительного растяжения с изменением формы обеих.
Неоднородность упругих свойств, объемные потенциалы и квазипотенциалы, подготовка землетрясения, задача эшелби, чистый сдвиг
Короткий адрес: https://sciup.org/146211697
IDR: 146211697 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.10
Perturbation of the stress-strain state of an elastic half-space by the spherical inhomogeneity of elastic properties under shear in horizontal plane taking account of gravitational forces
The present paper is devoted to the solution of the problem related to the perturbation of the stress-strain state of an elastic isotropic half-space by the spherical inhomogeneity of elastic properties for the case of only gravity and the case of an additional superimposed pure shear on the half-space. The analytical solution is obtained for the displacement and volume strain components, expressed in terms of the potentials and quasipotentials of the sphere, for the case of only gravity forces acting on the half-spaces and the case of superposition of gravity and pure shear. Using the example of a specific seismic event, it was shown that the contribution of gravitational forces to the perturbation of the stress-strain state of a half-space by the spherical inhomogeneity of elastic properties (the distribution with respect to the volume deformation) is not small. Using the obtained analytical solution for the case of the action of gravity only, it is shown that the volume strain distribution is axisymmetric with respect to the axis. A spherical inhomogeneity of the shear modulus in an isotropic elastic half-space forms a zone of a relative compression located along the strike of the inhomogeneity, and zones of relative stretching above and below the inhomogeneity. A distinctive feature of the zones of relative stretching is their limiting size, while the size of the zone of a relative compression increases when the volume strain decreases. In this case, between these planes, the solution in the neighboring octants differs only in sign. When adding a term associated with the gravitational forces in the solution, the symmetry is not violated but the equality in magnitude of the volume deformations in neighboring octants is violated. Dimensions and geometry of isosurfaces of volumetric deformation varies significantly when gravity is taken into account. Depending on the direction of the axis of the maximum extension of the half-space with the inhomogeneity, the size of the zones of the relative compression increases and the corresponding reduction in the size of the zones of the relative stretching changes with the shape of both.
Список литературы Возмущение напряженно-деформированного состояния упругого полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств при сдвиге в горизонтальной плоскости с учетом гравитационных сил
- Eshelby J.D. The Determination of the Elastic Field of an Ellipsoidal Inclusion, and Related Problems//Proc. R. Soc. London. -1957. -A241. -P. 376-396.
- Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций. -М.: Иностр. лит., 1963. -248 с.
- Tsuchida E., Mura T. The Stress Field in an Elastic Half Space Having a Spheroidal Inhomogeneity Under All-Around Tension Parallel to the Plane Boundary//J. Appl. Mech. -1983. -Vol. 50. -No. 4a. -P. 807-816.
- Гольдштейн Р.В., Городцов В.А., Устинов К.Б. Влияние поверхностных остаточных напряжений и поверхностной упругости на деформирование шарообразных включений нанометровых размеров в упругой матрице//Физическая мезомеханика. -2010. -Т. 13, № 5. -С. 127-138.
- Гольдштейн Р.В., Шифрин Е.И. Интегральные уравнения задачи об упругом включении. Полное аналитическое решение задачи об эллиптическом включении//Изв. Рос. акад. наук. Механика твердого тела. -2004. -№ 1. -С. 50-76.
- Chang-Hung Kuo. Stress disturbances caused by the inhomogeneity in an elastic half-space subjected to contact loading//International Journal of Solids and Structures. -2007. -Vol. 44 -No. 3-4. -P. 860-873.
- Eshelby problem of an arbitrary polygonal inclusion in anisotropic piezoelectric media with quadratic eigenstrains/Y. M. Yue, K. Y. Xu, Q. D. Chen, E. Pan//Acta Mechanica. -2015. -Vol. 226. -No. 7. -P. 2365-2378.
- Withers P.J. The Deformation of the Elastic Field of an Ellipsoidal Inclusion in Transversely Isotropic Medium, and Its Relevance to Composite Materials//Philosophical Magazine. -1989. -A59. -P. 759-781.
- Jiang Dazhi. Viscous inclusions in anisotropic materials: Theoretical development and perspective applications//Tectonophysics. -2016. -Vol. 693. -P. 116-142.
- Семенова Д.В., Устинов К.Б. Некоторые асимптотические разложения компонент тензора Эшелби в случае кубической и гексагональной анизотропии//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2010. -№ 4. -С. 80-100.
- Березкин В.А. О построении тензора Эшелби для слабоанизотропной упругой среды//Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Математика, Механика. -2011. -№ 1. -С. 73-76.
- Song Zhi-ping, Yin Xiang-chu, Mei Shi-rong. Theoretical analysis of the spatio-temporal evolution of the bulk-strain field based on a rheologic inclusion model//Acta Seismologica Sinica. -2000. -Vol. 13. -No. 5. -P. 525-535.
- Song Zhi-ping, Yin Xiang-chu, Mei Shi-rong. 3-D rheologic model of earthquake preparation (I) -Displacement field//Acta Seismologica Sinica. -2003. -Vol. 16. -No. 6. -P. 588-597.
- Song Zhi-ping, Yin Xiang-chu, Mei Shi-rong. 3-D rheologic model of earthquake preparation (II): Strain field and its applications//Acta Seismologica Sinica. -2004. -Vol. 17. -No. 2. -P. 131-143.
- Song Zhi-ping, Yin Xiang-chu, Mei Shi-rong. 3-D rheologic model of earthquake preparation (III): Precursor field//Acta Seismologica Sinica. -2006. -Vol. 19. -No. 1. -P. 20-29.
- The Displacement and Strain Field of Three-dimensional Rheologic Model of Earthquake Preparation/Zhiping Song, Xiangchu Yin, Shirong Mei, Yucang Wang, Can Yin, Huihui Zhang, Langping Zhang//Pure and Applied geophysics. -2006. -Vol. 163. -No. 9. -P. 1991-2009.
- Цвелодуб И.Ю. О тензоре Эшелби//Прикладная математика и механика. -2010. -Т. 74, № 2. -C. 346-351.
- Добровольский И.П. Распределение деформаций и напряжений при подготовке тектонического землетрясения//Физика Земли. -2003. -№ 10. -С. 37-40.
- Добровольский И.П. Гидродинамические явления//Физика Земли. -2005. -№ 1. -С. 89-96.
- Добровольский И.П. Математическая теория подготовки и прогноза тектонического землетрясения. -М.: Физматлит, 2009. -240 с.
- Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. -Минск.: Изд-во Белорус. гос. ун-та, 1978. -208 с.
- Хорошун Л.П., Маслов Б.П., Лещенко П.В. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов. -Киев: Наук. думка, 1989. -208 с.
- Шеpмеpгоp Т.Д. Теоpия упpугости микpонеодноpодных сpед. -М.: Наука, 1976. -399 с.
- Ломакин В.А. Статистические задачи механики твердых деформируемых тел. -М.: Наука, 1970. -139 с.
- Лурье А.И. Теория упругости. -М.: Наука, 1970. -940 с.
- Новацкий В. Теория упругости. -М.: Мир, 1975. -872 с.
- Panteleev I.A., Gavrilov V.A. Implications of electrokinetic processes for the intensity of geoacoustic emission in the time vicinity of a tectonic earthquake: a theoretical study//Russian Journal of Earth Sciences. -2015. -Vol. 15. -No. 4. -С. 1a-14.
- Пантелеев И.А., Полтавцева Е.В., Гаврилов В.А. Изменение НДС в районе измерительной скважины Г-1 на Камчатском геодинамическом полигоне при подготовке близких сильных землетрясений по данным скважинных измерений: численное моделирование//Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов: тез. докл. VII Междунар. симпозиума. К 80-летию со дня рождения выдающегося ученого, основателя и первого директора НС РАН Ю.А. Трапезникова (18.10.1936 -13.04.1999). -Бишкек, 2017. -С. 257.
- Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент//Исследования по физике очага землетрясения. -М.: Наука, 1976. -С. 9-18.
- Алексеев А.С., Белоносов А.С., Петренко В.Е. О концепции многодисциплинарного прогноза землетрясений с использованием интегрального предвестника//Проблемы динамики литосферы и сейсмичности: сб. науч. тр. ГЕОС. Вычислительная сейсмология. -2001. -Вып. 32. -С. 81-97.
- Сретенский Л.Н. Теория ньютоновского потенциала. -М.-Л.: ОГИЗ-Гостехиздат, 1946. -318 с.
- Гюнтер Н.М. Теория потенциала и ее применение к основным задачам математической физики. -М.: Гостехиздат, 1953. -406 с.
- Купрадзе В.Д. Методы потенциала в теории упругости. -М.: Физматлит, 1963. -472 с.