發(fā)布時(shí)間：2020-10-24 17:08

　　 粘滑失穩(wěn)機(jī)理的研究對(duì)于淺緣地震的發(fā)生機(jī)制以及工程實(shí)踐和科學(xué)研究中很多其他與粘滑有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題的理解具有重大意義。本文重點(diǎn)針對(duì)粘滑動(dòng)態(tài)過(guò)程中的粘滯階段和滑動(dòng)階段這兩個(gè)階段展開(kāi)研究工作,通過(guò)PMMA材料預(yù)制斷層摩擦面,利用特定的粘滑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用多通道高頻采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)粘滑動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)捕捉,高速記錄的剪應(yīng)力和滑移位移清楚地表明了粘滑破壞的成核及傳播過(guò)程和局部破壞時(shí)的滑移弱化過(guò)程。通過(guò)粘滑過(guò)程中沿?cái)鄬用鎽?yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的演化規(guī)律,描述了Ⅱ型破裂條件下粘滑的失穩(wěn)機(jī)制:啟裂于成核區(qū)的破裂,再向外擴(kuò)展,最終貫穿斷層摩擦面從而發(fā)生失穩(wěn)。從成核區(qū)破裂開(kāi)始,破裂速度有一個(gè)明顯的加速過(guò)程,最終破裂速度加速至剪切波速水平或者超過(guò)剪切波速。當(dāng)裂紋破裂長(zhǎng)度超過(guò)臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí),動(dòng)態(tài)破裂開(kāi)始。依據(jù)臨界破裂長(zhǎng)度,將斷層劃分為成核區(qū)與動(dòng)態(tài)破裂區(qū)。裂紋尖端附近的局部破裂過(guò)程是一個(gè)滑移弱化的過(guò)程,利用剪應(yīng)力、滑移位移、滑移速度、滑移加速度之間的相互關(guān)系,揭露了裂紋尖端附近的局部破裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征,建立了成核位置附近與動(dòng)態(tài)破裂區(qū)的局部破裂本構(gòu)模型。此外,預(yù)制斷層面粗糙度不同的三組試件組(試件組Ⅰ,最大靜摩擦系數(shù)1(28)0.50s?;試件組Ⅱ,最大靜摩擦系數(shù)2(28)0.38s?;試件組Ⅲ,最大靜摩擦系數(shù)3(28)0.31s?),分別作用2MPa-4MPa的軸壓,研究了正應(yīng)力、斷層粗糙度對(duì)粘滑剪切破壞特征的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)大多數(shù)情況下,隨著軸壓的增加,臨界裂紋長(zhǎng)度越小,裂紋尖端傳播速度加速過(guò)程更短,加速更快,更快進(jìn)入穩(wěn)定破裂階段,能達(dá)到的終端速度也更大;斷層面越光滑(s?越小),臨界裂紋長(zhǎng)度也越小,裂紋加速到動(dòng)態(tài)破裂區(qū)段的過(guò)程越短,加速越快,且穩(wěn)定破裂時(shí)的終端速度越大。(2)滑移弱化的過(guò)程中出現(xiàn)的局部應(yīng)力降可以分為兩種:局部動(dòng)態(tài)應(yīng)力降(0(35)(28)-d r???)和局部破壞應(yīng)力降((35)(28)-b p r???)。軸壓越大,局部動(dòng)態(tài)應(yīng)力降和局部破壞應(yīng)力越大;斷層面越光滑,局部動(dòng)態(tài)應(yīng)力降和局部破壞應(yīng)力降越大。(3)軸壓不影響局部破壞過(guò)程中的臨界滑移弱化位移;而斷層面越光滑,臨界滑移弱化位移越小。(4)局部斷裂能隨著軸壓的增加而增加,而斷層面越光滑,斷裂能越小。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):(1)針對(duì)粘滑孕育過(guò)程局部各位置變形小、相對(duì)位移小的特點(diǎn),采用金屬應(yīng)變片斜跨兩試塊的方式測(cè)量相對(duì)位移。(2)大尺寸的試件,由于記錄距離遠(yuǎn)及受影響的因素較多,對(duì)于粘滑孕育成核及傳播過(guò)程缺乏分辨率。本文利用小尺寸的PMMA材料試件,捕捉到了粘滑過(guò)程中由成核到動(dòng)態(tài)破裂的全過(guò)程,并揭露了裂紋尖端附近的局部破裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征,成核位置附近與動(dòng)態(tài)破裂區(qū)均有四個(gè)明顯不同的階段,建立了成核位置附近與動(dòng)態(tài)破裂區(qū)的局部破裂本構(gòu)模型。(3)選取斷層面粗糙度不同的三組PMMA試件組,分別作用在不同的軸壓下,系統(tǒng)性研究了軸壓、斷層粗糙度對(duì)粘滑過(guò)程的影響,并首次研究了軸壓、斷層粗糙度對(duì)粘滑剪切破壞過(guò)程中裂紋尖端擴(kuò)展加速過(guò)程、局部破壞應(yīng)力降和臨界裂紋長(zhǎng)度的影響,研究了最大靜摩擦系數(shù)與粘滑相關(guān)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。(4)本文假定裂紋尖端破裂速度開(kāi)始加速至瑞利波速或者剪切波速水平(本實(shí)驗(yàn)中取為1000m/s~1500m/s)意味著動(dòng)態(tài)破裂的開(kāi)始,以此來(lái)劃分成核區(qū)與動(dòng)態(tài)破裂區(qū),并通過(guò)臨界裂紋長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果表明,依據(jù)破裂速度來(lái)判斷成核區(qū)與動(dòng)態(tài)破裂區(qū)在本實(shí)驗(yàn)精度條件下是合理的。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P315.8
【部分圖文】：

景 12 日發(fā)生在四川汶川的 Ms 8.0 級(jí)大地震帶來(lái)了失，諸如此類大地震的發(fā)生對(duì)人類社會(huì)造成了災(zāi)是當(dāng)前對(duì)人類社會(huì)威脅最大，造成的損失也最大種危害巨大的自然災(zāi)害，當(dāng)然會(huì)引起眾多學(xué)者對(duì)，旨在得到一種有效的預(yù)測(cè)辦法，對(duì)地震進(jìn)行震帶來(lái)的危害。的基本組成形式，斷層的突然錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生了地震。荷載作用下斷層破裂（錯(cuò)動(dòng)）的動(dòng)態(tài)傳播，因此關(guān)重要的作用[3]。一般來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為斷層面之兩種形式：一種是緩慢平穩(wěn)地滑動(dòng)，稱這種穩(wěn)態(tài)是斷層突然摩擦滑動(dòng)，之后鎖住，然后又開(kāi)始滑的滑動(dòng)為粘滑[4]。Byelee和 Brace[5]于 1966 年提出因是斷層面間的粘滑運(yùn)動(dòng)。很多研究也表明[5~8]粘滑過(guò)程中能量釋放區(qū)更大，因此，破壞性更大

依賴的摩擦本構(gòu)關(guān)系（“Rate and State” laws）。兩接觸面在均勻剪力 作用下以速率0v 穩(wěn)定滑動(dòng)，依賴于滑移速度和摩擦面的演變特性（，剪切強(qiáng)度的變化凸顯了滑移速率和狀態(tài)關(guān)系模型[34,36]。從 PMMA[37]等脆性材料到粒狀材料[38]很大一個(gè)材料范圍，這類模型成功地為其提括。這些規(guī)律準(zhǔn)確地描述了記憶效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)速率和正應(yīng)力變化的響應(yīng)[ 了 摩 擦 由 靜 止 到 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 的 一 個(gè) 逐 漸 變 化 過(guò) 程 ， 有 效 取ntons–Coulomb 中原有的從靜態(tài)“立即”轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)摩擦描述。滑移速率和狀態(tài)關(guān)系模型中，摩擦運(yùn)動(dòng)仍視為兩個(gè)無(wú)限剛體之間的并不考慮沿分離面上的空間自由度。摩擦界面通過(guò)微接觸而牽制住，觸點(diǎn)破裂之前不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖 1.3 所示，在材料內(nèi)部，一般認(rèn)可能的斷裂模式[43]。在摩擦界面處，粘合強(qiáng)度要低于材料強(qiáng)度，摩擦在于沿著摩擦面的微接觸點(diǎn)破裂的破裂貫穿，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特性，摩制類似于Ⅱ型破裂[26]。最近的實(shí)驗(yàn)[44~48]也已經(jīng)證明利用 Crack-like 模現(xiàn)在摩擦不穩(wěn)定性的開(kāi)始階段的觸點(diǎn)破裂機(jī)制再到滑動(dòng)的過(guò)渡狀態(tài)具價(jià)值。

2 PMMA 材料粘滑摩擦實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)摩擦動(dòng)態(tài)過(guò)程具有變形小和速度快的特點(diǎn)，常規(guī)的靜態(tài)或者動(dòng)一般在 10ks/s 以下，對(duì)粘滑摩擦過(guò)程中應(yīng)力波的動(dòng)態(tài)捕捉精現(xiàn)出粘滑過(guò)程中應(yīng)力波的變化特征。為了研究粘滑摩擦動(dòng)態(tài)過(guò)道高頻應(yīng)變采集系統(tǒng)（采樣率 100ks/s）來(lái)對(duì)粘滑動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行介紹。驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)采用聚甲基丙烯酸甲酯（簡(jiǎn)稱 PMMA，俗稱有機(jī)玻璃）作MA 試件。參照相關(guān)文獻(xiàn)，擬采用直剪模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由上 形 試 件 構(gòu) 成 ， 上 方 塊 尺 寸 ： 200×120×10mm ； 下 方10mm。試件布置如圖 2.1 所示。
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