粘滑失穩(wěn)機理的研究對于淺緣地震的發(fā)生機制以及工程實踐和科學研究中很多其他與粘滑有關的力學問題的理解具有重大意義。本文重點針對粘滑動態(tài)過程中的粘滯階段和滑動階段這兩個階段展開研究工作,通過PMMA材料預制斷層摩擦面,利用特定的粘滑實驗系統(tǒng),采用多通道高頻采集系統(tǒng)來實現(xiàn)對粘滑動態(tài)過程的實時捕捉,高速記錄的剪應力和滑移位移清楚地表明了粘滑破壞的成核及傳播過程和局部破壞時的滑移弱化過程。通過粘滑過程中沿斷層面應力場、位移場的演化規(guī)律,描述了Ⅱ型破裂條件下粘滑的失穩(wěn)機制:啟裂于成核區(qū)的破裂,再向外擴展,最終貫穿斷層摩擦面從而發(fā)生失穩(wěn)。從成核區(qū)破裂開始,破裂速度有一個明顯的加速過程,最終破裂速度加速至剪切波速水平或者超過剪切波速。當裂紋破裂長度超過臨界裂紋長度時,動態(tài)破裂開始。依據(jù)臨界破裂長度,將斷層劃分為成核區(qū)與動態(tài)破裂區(qū)。裂紋尖端附近的局部破裂過程是一個滑移弱化的過程,利用剪應力、滑移位移、滑移速度、滑移加速度之間的相互關系,揭露了裂紋尖端附近的局部破裂過程的動態(tài)特征,建立了成核位置附近與動態(tài)破裂區(qū)的局部破裂本構模型。此外,預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,研究了正應力、斷層粗糙度對粘滑剪切破壞特征的影響。試驗結果表明:(1)大多數(shù)情況下,隨著軸壓的增加,臨界裂紋長度越小,裂紋尖端傳播速度加速過程更短,加速更快,更快進入穩(wěn)定破裂階段,能達到的終端速度也更大;斷層面越光滑(s?越小),臨界裂紋長度也越小,裂紋加速到動態(tài)破裂區(qū)段的過程越短,加速越快,且穩(wěn)定破裂時的終端速度越大。(2)滑移弱化的過程中出現(xiàn)的局部應力降可以分為兩種:局部動態(tài)應力降(0(35)(28)-d r???)和局部破壞應力降((35)(28)-b p r???)。軸壓越大,局部動態(tài)應力降和局部破壞應力越大;斷層面越光滑,局部動態(tài)應力降和局部破壞應力降越大。(3)軸壓不影響局部破壞過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。本文的主要創(chuàng)新點:(1)針對粘滑孕育過程局部各位置變形小、相對位移小的特點,采用金屬應變片斜跨兩試塊的方式測量相對位移。(2)大尺寸的試件,由于記錄距離遠及受影響的因素較多,對于粘滑孕育成核及傳播過程缺乏分辨率。本文利用小尺寸的PMMA材料試件,捕捉到了粘滑過程中由成核到動態(tài)破裂的全過程,并揭露了裂紋尖端附近的局部破裂過程的動態(tài)特征,成核位置附近與動態(tài)破裂區(qū)均有四個明顯不同的階段,建立了成核位置附近與動態(tài)破裂區(qū)的局部破裂本構模型。(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、斷層粗糙度對粘滑過程的影響,并首次研究了軸壓、斷層粗糙度對粘滑剪切破壞過程中裂紋尖端擴展加速過程、局部破壞應力降和臨界裂紋長度的影響,研究了最大靜摩擦系數(shù)與粘滑相關參數(shù)間的函數(shù)關系。(4)本文假定裂紋尖端破裂速度開始加速至瑞利波速或者剪切波速水平(本實驗中取為1000m/s~1500m/s)意味著動態(tài)破裂的開始,以此來劃分成核區(qū)與動態(tài)破裂區(qū),并通過臨界裂紋長度的計算結果表明,依據(jù)破裂速度來判斷成核區(qū)與動態(tài)破裂區(qū)在本實驗精度條件下是合理的。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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 級大地震帶來了失，諸如此類大地震的發(fā)生對人類社會造成了災是當前對人類社會威脅最大，造成的損失也最大種危害巨大的自然災害，當然會引起眾多學者對，旨在得到一種有效的預測辦法，對地震進行震帶來的危害。的基本組成形式，斷層的突然錯動產(chǎn)生了地震。荷載作用下斷層破裂（錯動）的動態(tài)傳播，因此關重要的作用[3]。一般來說，我們認為斷層面之兩種形式：一種是緩慢平穩(wěn)地滑動，稱這種穩(wěn)態(tài)是斷層突然摩擦滑動，之后鎖住，然后又開始滑的滑動為粘滑[4]。Byelee和 Brace[5]于 1966 年提出因是斷層面間的粘滑運動。很多研究也表明[5~8]粘滑過程中能量釋放區(qū)更大，因此，破壞性更大

依賴的摩擦本構關系（“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，依賴于滑移速度和摩擦面的演變特性（，剪切強度的變化凸顯了滑移速率和狀態(tài)關系模型[34,36]。從 PMMA[37]等脆性材料到粒狀材料[38]很大一個材料范圍，這類模型成功地為其提括。這些規(guī)律準確地描述了記憶效應對滑動速率和正應力變化的響應[ 了 摩 擦 由 靜 止 到 運 動 狀 態(tài) 的 一 個 逐 漸 變 化 過 程 ， 有 效 取ntons–Coulomb 中原有的從靜態(tài)“立即”轉(zhuǎn)為動態(tài)摩擦描述。滑移速率和狀態(tài)關系模型中，摩擦運動仍視為兩個無限剛體之間的并不考慮沿分離面上的空間自由度。摩擦界面通過微接觸而牽制住，觸點破裂之前不會發(fā)生相對運動。如圖 1.3 所示，在材料內(nèi)部，一般認可能的斷裂模式[43]。在摩擦界面處，粘合強度要低于材料強度，摩擦在于沿著摩擦面的微接觸點破裂的破裂貫穿，結合結構受力特性，摩制類似于Ⅱ型破裂[26]。最近的實驗[44~48]也已經(jīng)證明利用 Crack-like �，F(xiàn)在摩擦不穩(wěn)定性的開始階段的觸點破裂機制再到滑動的過渡狀態(tài)具價值。

2 PMMA 材料粘滑摩擦實驗總體設計摩擦動態(tài)過程具有變形小和速度快的特點，常規(guī)的靜態(tài)或者動一般在 10ks/s 以下，對粘滑摩擦過程中應力波的動態(tài)捕捉精現(xiàn)出粘滑過程中應力波的變化特征。為了研究粘滑摩擦動態(tài)過道高頻應變采集系統(tǒng)（采樣率 100ks/s）來對粘滑動態(tài)過程進實驗系統(tǒng)及實驗手段進行介紹。驗對象驗采用聚甲基丙烯酸甲酯（簡稱 PMMA，俗稱有機玻璃）作MA 試件。參照相關文獻，擬采用直剪模型進行實驗，由上 形 試 件 構 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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本文編號：2854746