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Experimental Study of Stick-Slip Behaviour of Dry Granular Materials

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Academic year: 2021

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文章编号:0258-2724(2019)01-0082-09 DOI: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160615

干模式下颗粒粘滑震动试验研究

崔德山

1

,陈 琼

1

,项 伟

1,2

,刘清秉

2

,王菁莪

2

,黄 伟

1 (1. 中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074;2. 中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研 究中心,湖北 武汉 430074) 摘 要:为了研究浅源地震的诱发机制,基于室内三轴试验,对颗粒材料的粘滑震动特性进行了分析. 采用颗粒直 径为 0.6~0.8 mm 的玻璃珠,在围压为 30、60、100、200、400 kPa 和 600 kPa 的条件下,以 0.02 mm/min 的轴向应 变速率,开展干燥、密实玻璃珠的固结不排水三轴压缩试验,结果表明:试样偏应力主震和偏应力应变间距随着围 压的增大而增大;除了初始压密阶段外,体变-应变曲线中所有体积的突然收缩均与粘滑震动有关;在 30、60、100 kPa 围压条件下,围压-应变曲线中出现较多尖而窄的波峰和波谷;在 200、400 kPa 和 600 kPa 围压条件下,围压-应变 曲线中只有尖而窄的波谷;玻璃珠类颗粒材料发生粘滑震动过程中既有静摩擦也有转动摩擦;颗粒之间应力链的 连续变形和破坏是引起颗粒粘滑震动的根本原因. 关键词:颗粒材料;粘滑;震动;偏应力;应力链 中图分类号:V221.3 文献标志码:A

Experimental Study of Stick-Slip Behaviour of Dry Granular Materials

CUI Deshan

1

, CHEN Qiong

1

, XIANG Wei

1,2

, LIU Qingbing

2

, WANG Jing’e

2

, HUANG Wei

1

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Three Gorges Research Center for Geohazard,Ministry of Education,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract: The stick-slip characteristics of glass beads were analysed based on an indoor triaxial test to investigate the mechanism of shallow vibration. Glass beads with diameters of 0.6 –0.8 mm were used to conduct consoli-dated and undrained triaxial tests under cell pressures of 30,60,100,200,400,and 600 kPa at an axial strain rate of 0.02 mm/min. The results show that the deviator drop and the interval strain between the maximum deviator drops increase with cell pressure. In addition to the first compaction,the volumetric strain drops in the volumetric curve are related to the stick-slip. Under confining stresses of 30,60,and 100 kPa,a large number of sharp and narrow peaks and valleys appear in the curve of cell pressure versus strain. Only sharp and narrow valleys are observed under confining stresses of 200, 400, and 600 kPa. It is found that static friction and sliding friction affect the stick-slip characteristics of the glass beads by observing the surface of the glass beads before and after the triaxial compression test. Finally,the continuous deformation and destruction of the force chain between the glass beads are the causes of stick-slip in the glass beads.

Key words: glass beads; stick-slip; vibration; deviatoric stress; force chain

断层的滑动方式有两种,一种是稳定滑动,即滑

动过程中没有应力突降,将这种平稳、缓慢的运动称

为蠕滑;另一种是不稳定滑动,即滑动过程中伴有周

期性的应力突降,将产生快速应力降的运动称为粘

[1]

. 根据断层物质是否包含流体,可将粘滑分为湿

模式和干模式

[2]

. 当断层沿着断层面相对于另一盘产

收稿日期:2016-07-14 修回日期:2017-10-12 网络首发日期:2017-10-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(41772304,41602313);中央高校新青年教师科研启动基金资助项目(CUGL150817) 作者简介:崔德山(1981—),男,副教授,博士,研究方向为岩土体工程性质研究,E-mail:cuideshan@cug.edu.cn 引文格式:崔德山,陈琼,项伟,等. 干模式下颗粒粘滑震动试验研究[J]. 西南交通大学学报,2019,54(1): 82-90.

CUI Deshan, CHEN Qiong, XIANG Wei, et al. Experimental study of stick-slip behaviour of dry granular materials[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(1): 82-90.

(2)

生运动,在摩擦力小于运动力时,断层表现为蠕滑运

动;当摩擦力大于运动力时,断层就会闭锁,引起应

力集中;当闭锁段破裂时,则会产生伴有强震发生的

粘滑运动,为不可逆耗散能与可释放应变能共同作

用的结果

[3]

,一次粘滑震动可以定义为一个地震循

[4]

. 粘滑作为浅源地震的诱发机制已经被国内外学

者广为研究

[5-8]

.

研究表明,在花岗岩断层带内会形成破碎颗粒

物质,如圣安德烈亚斯断层带中包含粒径在 40~

200 000 mm

的颗粒

[9]

. 近年来,利用断层产物以及其

中的颗粒运动特征来研究断层活动,特别是断层的

运动性质,已引起重视,于是国内外许多学者采用均

质颗粒材料来研究活断层的粘滑机理

[10-11]

. 国际上

Doanh

[12]

采用三轴试验仪,研究均质饱和玻璃珠

在不排水条件下粘滑运动规律,得出当粘滑发生时,

体变会突然收缩,随着应变速率的增加,粘滑振幅减

小;Johnson 等

[13]

采用自制的直剪仪进行颗粒材料的

粘滑试验,观察在发生粘滑震动时的声发射规律,从

而来进行地震预报;Leeman 等

[14]

采用直剪仪研究在

剪切过程中,颗粒产生电磁信号,可以通过该信号来

进行大地震前的预警;Elkholy 等

[15]

采用环剪来研究

在较低剪切速率下,剪切盘中间颗粒材料由于粘滑

产生的体变特征. 但是国内在研究颗粒材料粘滑震

动方面才刚刚起步,张徐等

[16]

揭示了碎石道砟受压

力学行为与破碎机理,认为当道砟内部部分应力超

过黏结强度,内部产生裂纹并迅速扩展,导致道砟整

体破坏,载荷瞬间减小至 0. 从 1966 年 Brace 等

[17]

出粘滑可能是浅源地震的形成机理以来,颗粒材料

粘滑震动机制研究受到国内外学者的强烈关注. 目

前,粘滑震动的研究还有许多问题,如颗粒材料粘滑

震动发生的条件、压力和滑动速率对粘滑震动和应

力降的影响、接触面的性质对粘滑震动的影响等

[18-19]

到目前还没有完全解决.

通常认为断层带中的颗粒所受到的压力高达几

个兆帕,但 Brune 等

[20]

通过对断层带开挖探槽,发现

某些断层带内的剪应力并不大. 为了研究在不同的

围压条件下(本文采用的最高围压为 600 kPa,而 Doanh

[12]

采用的最高围压为 400 kPa),在较低的剪切速

率下(本文采用的最低轴向应变速率为 0.02 mm/min,

而 Adjemian 和 Doanh 等

[4, 12]

采用的最低轴向应变速

率为 0.2 mm/min 和 0.083 mm/min),在较高的数据

采集频率下(本文采样时间间隔为 1 s,局部为 0.25 s,

而 Adjemian 等

[4]

数据记录间隔为 3 s)颗粒材料的粘

滑震动特征与机理,本文采用法国 CVP 公司生产的

颗粒直径为 0.6~0.8 mm 的玻璃珠(soda lime glass

beads),在围压为 30、60、100、200、400 kPa 和 600 kPa

的条件下,开展干燥、密实玻璃珠的固结不排水三轴

压缩试验. 得出不同围压条件下,试样的粘滑震动幅

值、间距,及其与实际地震过程中前震、主震和余震

的划分. 探讨了不同围压条件下,第 1 次粘滑震动出

现的节点,应力、体变、围压与轴向应变的关系,应

力突降与体变、围压的关系. 通过在显微镜下对三轴

压缩试验前后玻璃珠表面的观察,得出干模式下玻

璃珠类颗粒材料发生粘滑震动的微观机理与应力链破

坏模式,为研究浅源地震的诱发机制提供基础数据.

1 试验设备与材料

本次试验在奥地利维也纳农业大学(BOKU)岩

土工程研究所开展,所采用试验仪器为德国

Wille-Geotechnik

公司生产的静三轴仪,如

图 1

所示. 系统

主要由计算机、控制采集系统和三轴试验系统组成.

操作软件为 GEOsys,可实现手动操作和编程自动操

作 2 种方式. 控制采集系统可以进行内室围压和体

积测量、外室围压测量、试样底部孔隙水压力和体积

测量、试样顶部压力测量及其产生的孔隙水压力测

量. 三轴试验系统由可升降的底座(可对试样进行应

力、应变控制)、压力腔、轴压和轴向位移传感器等

组成,但该系统无法测量发生粘滑震动时的轴向突

变位移,所以论文中并未讨论颗粒材料发生粘滑震

动时,粘滑位移的大小.

图 1 Wille-Geotechnik 静三轴仪 Fig. 1 Triaxial testing system of Wille-Geotechnik

试样的主要矿物成分为 SiO

2

、Na

2

O、CaO 和 MgO.

玻璃珠磨圆度较好,属于粒径比较单一的均匀颗粒,

颗粒的粒径分布和 SEM 图见文献[

11

]. 根据 ASTM

(D4254-14)标准,本次试验采用漏斗法将玻璃珠制

(3)

示. 为了保证制成一致的试样,控制干密度为 1.57 g/cm

3

孔隙比为 0.58. 为了使干燥、密实玻璃珠圆柱试样自

重条件下在橡皮膜(0.3 mm 厚)中能够自稳,对试样

施加约 20 kPa 的负压力. 将试样安装在三轴试验系

统上,接好围压、轴压和轴向位移传感器. 然后向内

室和外室分别注满脱气水,以 1 kPa/s的速度对试样

施加 20 kPa 的围压,同时缓慢打开孔隙水压力阀,

卸掉真空压力,使空气缓慢从排气阀进入三轴试样,

当三轴试样内的空气压力与大气压力相等时,关闭

排气阀,从而保证试样的直径和高度几乎不变. 试验

数据采集软件为 Wille 公司开发的 GEOsys 8.7.8,数

据采集间隔设置为 1 s,为了观察应力应变曲线中粘

滑震动时间效应,局部采样间隔设置为仪器最小采

样时间间隔 0.25 s.

图 2 玻璃珠三轴试样 Fig. 2 Experimental setup of glass beads

2 试验结果与分析

2.1 粘滑震动过程中偏应力变化特征

因为粘滑震动与颗粒材料的大小和应变速率密

切相关,在其他条件相同的情况下,应变速率越大,

粘滑震动幅度越小. 为了能够更清楚地观察到玻璃

珠的粘滑震动现象,本次三轴试验采用应变式控制

方式,轴向应变速率控制在 0.02 mm/min. 通过试样

顶部的轴向压力传感器采集试样的轴向压力. 试样

安装完毕后,设置相同的初始轴压和围压进行固结,

固结稳定后开始对试样进行加载. 本次试验采用偏

应力 q 进行应力分析,其值为轴向压力 σ

a

与围压 σ

c

的差值,q = σ

a

–σ

c

.

试样在 30、60、100、200、400 kPa 和 600 kPa 围

压下的偏应力和应变关系如

图 3

所示. 第 1 次出现

粘滑震动的应变为 s

first

,最大偏应力为 q

max

,最小偏

应力为 q

min

. 可见,与普通砂做出的平滑应力-应变曲

线相比,粒径比较单一的颗粒应力-应变曲线展现出

频繁的粘滑震动,偏应力突然下降是由于刚度较高

的玻璃珠粘滑震动造成的.

表 1

统计了不同围压条

件下,偏应力的最大值,并计算了其内摩擦角.

0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 偏应力 /kPa 轴向应变/%

30 kPa 60 kPa 100 kPa 200 kPa 400 kPa 600 kPa

sfirst qmax

qmin

图 3 不同围压下玻璃珠偏应力与应变关系 Fig. 3 Deviatoric stress versus axial strain under

different cell pressures

表 1 不同围压条件下试样的偏应力峰值 强度和摩擦角

Tab. 1 Peak strengths and friction angles of glass beads under different cell pressures

编号 高度 /mm 直径 /mm 围压 /kPa 峰值强度 /kPa 摩擦角 /(°) CU_D1 100 50 30 64.62 31.23 CU_D2 100 50 60 130.67 31.42 CU_D3 100 50 100 218.45 31.47 CU_D4 100 50 200 442.43 31.68 CU_D5 100 50 400 836.18 30.73 CU_D6 100 50 600 1299.31 31.32

图 3

可见:在 30 kPa 和 60 kPa 的围压下,除

了应力-应变曲线中线性增加阶段外,偏应力的突然

滑动相当频繁,基本无规律可寻;由于围压不同,第

1

次出现粘滑震动的应变(s

first

)也不一样(

表 2

). 在

30 kPa

和 60 kPa 的围压条件下,当轴向应变达到

1.17%~1.33%,轴向位移相当于颗粒平均直径(0.7 mm)

的 1.6~2.0 倍时,发生第 1 次粘滑震动,第 1 次粘滑

震动的降幅较小,只能达到围压的 3.93%~5.03%.

当围压在 100、200、400 kPa 和 600 kPa 时,轴向应变

达到 0.67%~0.87%,轴向位移相当于颗粒直径范围

(0.6~0.8 mm)时,才发生第 1 次粘滑震动. 而这时,

第 1 次的粘滑震动产生的降幅已经较大,可以达到

围压的 38.72%~96.42%.第 1 次应力释放发生粘滑

不仅与压力有关,而且与颗粒的平均直径密切相关.

(4)

表 2 不同围压下第 1 次出现粘滑震动的 应变与偏应力降幅

Tab. 2 Deviator drop and strain of the first stick-slip

项目 围压/kPa 30 60 100 200 400 600 应变/% 1.33 1.17 0.90 0.81 0.67 0.87 偏应力降幅/kPa 1.18 3.02 38.72 123.95 385.70 332.95 Δq/σc/% 3.93 5.03 38.72 61.98 96.42 55.49

一次伴随着较大声响的粘滑被认为是一次实验

室地震

[18]

. 如果借用地震的分类来说明应力-应变曲

线中滑动震动的情况,将每一次大的滑动震动定义

为主震(II),其前的微小滑动震动定义为前震(I),

其后的微小滑动震动定义为余震(III),如

图 4(a)

示,主震应力的降幅定义为 Δq,2 个主震之间的应

变间隔定义为 Δε,如

图 4(b)

所示. 从

图 3

可以看

出,在 30 kPa 和 60 kPa 的围压条件下,在偏应力达

到峰值强度之前,由于粘滑现象较多且振幅相差不

大,前震和主震难以区分,而在偏应力达到峰值强度

后,前震和主震的区别才变得越来越明显. 粘滑震动

在 30 kPa 和 60 kPa 下发生于剪切破坏面形成之后.

当围压在 100、200、400 kPa 和 600 kPa 时,在偏应力

达到峰值强度之前,前震和主震已经很好区分,其应

力降幅数值差别较大. 粘滑是大震前震源体直接传

播出来的孕震过程的主要信息

[20]

.

图 5

统计了不同围压条件下,主震最大偏应力

降幅变化趋势,随着围压的增大,偏应力最大降幅呈

线性增长,说明主震振幅与围压相关.

图 6

为不同围

压条件下,最大主震与下一主震的应变间隔,当围压

小于 200 kPa 时,变化规律不明显,但是当围压大于

200 kPa

以后,应变间隔也在线性增长. 但这并不表

示随着围压的增大,主震应变间隔会无限增大,比如

在围压为 400 kPa 和 600 kPa 时,0~15% 的轴向应

变内发生主震的次数均为 14 次,说明当围压增大到

一定程度后,在相同的滑移范围内,发生主震的频率

相似. 由于仪器围压最大允许值的限制,本文只进行

到了 600 kPa,当围压大于 600 kPa 以后,主震应变

间隔需要进一步研究.

2.2 粘滑震动过程中试样体变特征

图 7

为试样在固结不排水三轴压缩条件下的体

积应变 ε

v

与轴向应变 ε 的关系(以 600 kPa 为例).

可以看出,在围压为 100 kPa 和 600 kPa 条件下进行

固结后,对试样进行加载时,试样会在开始轴向小应

变阶段(0.069%~0.210%)有小小的压缩,达到最小

体变点,体变初始转折点处的应变范围在–0.024~

–0.140(

表 3

),然后体变开始增加,这是因为经历了

固结阶段,但是试样中还是有可压缩的孔隙. 除了起

始的体变转折点外,体变-轴向应变曲线中锯齿状的

突变均与粘滑震动点(slip 点)相对应.

4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 740 760 780 800 820 840 860 III 偏应力 /kPa 轴向应变/% II I

(a) 前震(I)、主震(II)、余震(III)(σc = 400 kPa)

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 400 600 800 1 000 1 200 1 400 偏应力 /kPa 轴向应变/% Δq Δε (b) 主震应力降幅 Δq 和主震之间的 应变差 Δε(σc = 600 kPa) 图 4 应力-应变曲线中前震、主震和余震 Fig. 4 Foreshock,main shock,and aftershock

in stress-strain graph 0 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Δ q /kPa R2 = 0.997 95 Δq = 1.295 5σc− 34.103 σc/kPa 图 5 偏应力最大降幅与围压的关系 Fig. 5 Maximum deviator drop versus cell pressure

图 8

为偏应力突降与体变突降的关系,可以看

出在应力-轴向应变曲线中,偏应力降低后,立即转

入粘着阶段,偏应力逐渐增加. 但在体变-轴向应变

曲线中,可以明显地观察到,试样在体积突然压缩

后,并没有立即进入膨胀阶段.

图 8

中虚线为滑动震

动结束时,体变突然缩小的界线. 随着偏应力增加,

(5)

体变还会继续减小到最低点 ε

vmin

,然后才会随着偏

应力的增加而增加. 从而证明了一次突发应力降对

应的瞬时滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成

[21]

.

0 100 200 300 400 500 600 700 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 σc/kPa Δε /% Δε = 0.000 8σc + 0.488 8 R2 = 0.913 7 图 6 偏应力降幅应变间隔与围压的关系 Fig. 6 Interval time of strain between

deviator drop versus cell pressure

0 2 4 6 8 10 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 体积应变 /% 轴向应变/% slip 点 图 7 玻璃珠体变与轴向应变关系(σc = 600 kPa)

Fig. 7 Volumetric strain versus axial strain(σc = 600 kPa)

表 3 不同围压下试样由压缩转为膨胀的应变点 Tab. 3 Volumetric strain turning point of glass

beads under different cell pressures %

项目 围压/kPa 30 60 100 200 400 600 最小压缩体变 –0.024 –0.120 –0.056 –0.053 –0.094 –0.140 轴向应变 0.069 0.305 0.145 0.148 0.210 0.340

图 9

表明,体变最大降幅、偏应力最大降幅随着

围压的增加而增大,并且每一次偏应力最大降幅均

对应着最大体变,变化一致性较好.

0 200 400 600 0 200 400 600 800 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Δqd Δεv Δ qd /kPa σc/kPa Δ εv /% 图 9 体变最大降幅、偏应力最大降幅与不同围压的关系 Fig. 9 Maximum volumetric strain drop and maximum

deviator drop versus cell pressure

2.3 粘滑震动过程中试样围压变化特征

图 10

为试样在固结不排水三轴压缩条件下的

围压 σ

c

与轴向应变 ε 的关系(以 100 kPa 和 600 kPa

为例). 可以看出,在围压为 100 kPa 时(

图 10(a)

),围

压随着应变的增加,会出现非常窄而尖的波峰和波

谷,这说明在三轴压缩过程中,试样不仅出现了突然

的轴向应力释放,而且试样的体积会产生突然的压

缩和突然的膨胀.

4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 轴向应变/% 体积应变 /% εvmin −400 −200 0 200 400 600 800 偏应力 /kPa 图 8 偏应力突降与体变突降的关系(σc = 400 kPa)

Fig. 8 Abrupt deviator drop versus abrupt volumetric strain drop

0 2 4 6 8 10 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 围压 /kPa 轴向应变/% slip 点 (a)围压为 100 kPa 0 2 4 6 8 10 570 575 580 585 590 595 600 围压 /kPa 轴向应变/% slip 点 (b)围压为 600 kPa 图 10 试样围压与应变关系 Fig. 10 Cell pressure versus axial strain

(6)

图 11(a)

表明:当围压为 100 kPa 时,随着轴向

应变的增加,偏应力突然释放,这时体变和围压会突

然减小;当应变达到 4.51% 时,体变突然增加,围压

也突然增加,而这时的偏应力在逐渐增加,并没有明

显的应力突变. 由此可以得出,对于颗粒材料粘滑震

动,即使偏应力没有突然变化,其体积也有可能发生

突变. 在低围压条件下,颗粒材料体积滑动震动并不

一定都是由于轴向偏应力释放造成的.

在围压为 600 kPa 时(

图 10(b)

),围压随着应

变的增加,只出现非常窄而尖的波谷,而没有波峰.

这说明在三轴压缩过程中,试样只出现了突然的应

力降低,突然的体积收缩,而并没有突然的体积膨

胀. 如

图 11(b)

所示,当围压为 400 kPa 时,随着轴向

应变的增加,偏应力也会出现突然的释放,这时体变

和围压会突然减小. 除此之外,体变和围压并没有明

显的突变. 当应变达到 5.57%、5.73% 和 5.78% 时,

偏应力-轴向应变曲线出现了 3 次明显的前震,而这

时体变和围压并没有明显的突变. 由此可见,对于颗

粒材料粘滑震动,即使偏应力发生突然变化,其体积

也不一定会发生突然变化,在较高围压条件下,颗粒

材料轴向偏应力滑动震动并不一定会引起材料的

体变.

4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 150 200 250 1.35 1.40 1.45 1.50 98 99 100 101 102 偏应力 /kPa 轴向应变/% 体积应变 /% 围压 /kPa (a)围压为 100 kPa 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 380 200 400 600 800 1 000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 偏应力 /kPa 轴向应变/% 体积应变 /% 390 400 410 围压 /kPa (b)围压为 400 kPa 图 11 偏应力、体变、围压与轴向应变的关系图

Fig. 11 Deviatoric stress,volumetric strain,and cell pressure versus axial strain

2.4 粘滑震动过程中试样表面变化特征

试验结果表明,在相同的剪切速率下,随着围压

的增大,偏应力、偏应力降幅、主震应变间距、体变

等均增大. 从微观的角度来讲,随着围压的增大,颗

粒和颗粒之间的接触面积越大

[22-24]

,其作用的结果

是颗粒之间的静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦增大. 为

了观察颗粒之间的摩擦作用结果,我们将试验前后

的颗粒放在显微镜下观察,如

图 12

所示.

图 12(a)

为 0.6~0.8 mm 的颗粒在试验前的表面形态,比较

光滑,颗粒能均匀反射其顶面 8 颗 LED 灯所发出的

光.

图 12(b)

为颗粒在试验后的表面形态,红色圈出

的表示有明显的划痕和撞击坑.

(7)

(a)试验前

(b)试验后

图 12 三轴试验前后玻璃珠表面特征 Fig. 12 Surface characteristics of glass beads before

and after triaxial test

像玻璃珠类的颗粒材料产生粘滑运动的机理是

由颗粒之间应力链(受到外力作用时,颗粒之间的应

力分布在空间上呈现出不均匀的链状结构)的连续

变形和破坏引起的,如

图 13

所示. 假设

图 13(a)

断层内颗粒的一部分,当对其施加轴向应力 P 后,

颗粒将重新排列,调整相对位置形成应力链,与此同

时,体积会压缩,如

图 13(b)

所示. 随着应力的不断

增加,在达到主震之前,颗粒接触形成的应力表现出

弹塑性的特征(

图 3

),并且应力链中的颗粒处于静

摩擦状态,使颗粒在宏观上表现出膨胀(

图 13(c)

).

随着应力逐渐接近主震极限值,静摩擦力转化为动

摩擦力,滚动着的颗粒找到最小应力平衡点,这时,

整个颗粒体表现出偏应力突降(

图 13(d)

). 当发生

滑动之后,颗粒体积突然收缩,使颗粒受到的压力骤

降. 当压力在短暂时间内恢复到初始水平后,在外力

的作用下,颗粒体中又开始出现新的应力链,新的应

力链在下一个主震发生时,又将破坏,如此周而复

始,地震不断发生.

3 结 论

通过分析粘滑震动特征来解释浅源地震诱发机

制已受到国内外学者广泛关注,本文采用玻璃珠材

料模拟断层带中的颗粒,研究不同压力条件下其粘

滑震动特征,主要结论如下:

(1) 对于固结不排水三轴压缩试验,当轴向应

变速率一定时(0.02 mm/min),干燥玻璃珠材料表现

出粘滑震动的特性,且随着围压的增大,偏应力降幅

亦增大. 说明断层带内颗粒受挤压越强烈,粘滑应力

释放越大.

(2) 在 30 kPa 和 60 kPa 围压条件下,偏应力的

突然滑动相当频繁. 在 100、200、400 kPa 和 600 kPa

围压条件下,第 1 次出现偏应力突降是在偏应力达

到峰值之前,达到峰值后偏应力突降仍比较频繁,此

时塑性破坏逐渐增大. 说明随着断层带内压力增加,

可表现出前震-主震-余震型地震.

(3) 对于玻璃珠类颗粒材料,体变在最初的轴

向应变阶段会减小,表明试样受压固结. 之后,体变

会随着应力的突降而骤然减小(主震条件下). 而在前

震情况下,颗粒的体变似乎并未发生明显的改变. 说

明粘滑震动发生时,断层带内的颗粒体积瞬时减小.

(4) 在 30 kPa 和 60 kPa 围压条件下,随着轴向

应变的增加,围压会同时出现窄而尖的波峰和波谷,

这与颗粒材料的体变密切相关. 在 100、200、400 kPa

和 600 kPa 围压条件下,围压只会出现窄而尖的波

谷,说明随着断层带内颗粒受到压力的增大,颗粒材

料的体积会突然压密.

(5) 通过对三轴压缩试验前后颗粒表面的观

察,说明颗粒材料在发生粘滑震动过程,颗粒之间既

有静摩擦也有转动摩擦,颗粒之间应力链的连续变

形和破坏是引起粘滑震动的根本原因.

参考文献:

马宗晋. 活动构造基础与工程地震 [M]. 北京:地震 出版社,1992:82-83. [ 1 ] 李力刚,黄培华,傅容珊,等. 断层粘滑摩擦增温的理 论分析及其对 TL,ESR 测龄的意义[J]. 地震地质, [ 2 ] (a)初始状态 P P P P (b)压缩状态 应力链形成 应力链断开 新应力链形成 (d)主震发生 体积骤减 (c)临界状态 图 13 颗粒材料中应力链破坏过程 Fig. 13 Schematic of cracking process of force

(8)

1999,21(4): 387-396.

LI Ligang, HUANG Peihua, Fu Rongshan, et al. Frictional heating by stick slip and its significance for TL, ESR dating[J]. Seismology and Geology, 1999, 21(4): 387-396.

崔德山,项伟,陈琼,等. 细颗粒粘滑运动的能量耗散 与释放试验[J]. 地球科学:中国地质大学学报,2016, 41(9): 1603-1610.

CUI Deshan, XIANG Wei, CHEN Qiong, et al. Experiment of energy dissipation and energy release during stick-slip within glass beads[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2016, 41(9): 1603-1610.

[ 3 ]

ADJEMIAN F, EVESQUE P. Experimental study of stick-slip behaviour[J]. International Journal for Nume-rical & Analytical Methods in Geomechanics, 2004, 28(6): 501-530.

[ 4 ]

邵同宾,嵇少丞. 俯冲带地震诱发机制:研究进展综 述[J]. 地质论评,2015,61(2): 245-268.

SHAO Tongbin, JI Shaocheng. Earthquake mechan-isms of subduction zones:a state-of-the-art overview[J]. Geological Review, 2015, 61(2): 245-268.

[ 5 ]

OKAZAKI K, KATAYAMA I. Slow stick slip of antigorite serpentinite under hydrothermal conditions as a possible mechanism for slow earthquakes[J]. Geo-physical Research Letters, 2015, 42(4): 1099-1104. [ 6 ]

王绳祖,张流. 剪切破裂与粘滑——浅源强震发震机 制的研究[J]. 地震地质,1984,6(2): 63-73.

WANG Shengzu, ZHANG Liu. Shear fracture and stick-slip: a study on shock-generation mechanism of strong shallow earthquakes[J]. Seismology and Geology, 1984, 6(2): 63-73.

[ 7 ]

徐锡伟,于贵华,王峰. 1966 年邢台地震群的发震构 造模型——新生断层形成?先存活断层摩擦粘滑?[J]. 中国地震,2004,16(4): 364-378.

XU Xiwei, YU Guihua, WANG Feng, et al. Seis-mogenic model for the 1966 Xingtai earthquakes — nucleation of new-born fault or strick-slip of pre-existing fault?[J]. Earthquake Research in China, 2004, 16(4): 364-378.

[ 8 ]

WILSON B, DEWERS T, RECHES Z E, et al. Particle size and energetics of gouge from earthquake rupture zones[J]. Nature, 2005, 434(7034): 749-52. [ 9 ]

ALBERT I, TEGZES P, ALBERT R, et al. Stick-slip fluctuations in granular drag[J]. Physical Review E: Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2001, 64(1): 031307.

[10]

BOBRYAKOV A P. Stick-slip mechanism in a granular medium[J]. Journal of Mining Science, 2010, [11]

46(6): 600-605.

DOANH T, HOANG M T, ROUX J N, et al. Stick-slip behaviour of model granular materials in drained triaxial compression[J]. Granul Matter, 2013, 15(1): 1-23.

[12]

JOHNSON P A, FERDOWSI B, KAPROTH B M, et al. Acoustic emission and microslip precursors to stick-slip failure in sheared granular material[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(21): 5627-5631.

[13]

LEEMAN J R, SCUDERI M M, MARONE C, et al. On the origin and evolution of electrical signals during frictional stick slip in sheared granular material[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 2014, 119(5): 4253-4268.

[14]

ELKHOLY K N, KHONSARI M M. Experimental investigation on the stick-slip phenomenon in granular collision lubrication[J]. Journal of Tribology, 2008, 130(2): 021302-021308.

[15]

张徐,赵春发,翟婉明. 铁路碎石道砟静态压碎行为 数值模拟[J]. 西南交通大学学报,2015,50(1): 137-143.

ZHANG Xu, ZHAO Chunfa, ZHAI Wanming. Numerical analysis of static crushed behavior of railway ballast[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(1): 137-143.

[16]

BRACE W F, BYERLEE J D. Stick-slip as a mechanism for earthquakes[J]. Science, 1966, 153 (3739): 990-992.

[17]

何昌荣,张流. 用负刚度及变刚度方法研究粘滑[J]. 地震地质,1996,18(3): 199-211.

HE Changrong, ZHANG Liu. A study on the mechanics of stick slip by controlling a linear combination of load and displacement[J]. Seismology and Geology, 1996, 18(3): 199-211.

[18]

王学滨,马冰,吕家庆. 实验室尺度典型断层系统破 坏,前兆及粘滑过程数值模拟[J]. 地震地质,2014, 36(3): 845-861.

WANG Xuebin, MA Bing, LÜ Jiaqing. Numerical simulation of failures, precursors and stick-slip processes for typical fault sturctures at a laboratory scale[J]. Seismology and Geology, 2014, 36(3): 845-861.

[19]

BRUNE J N, HENYEY T L, ROY R F. Heat flow, stress, and rate of slip along the San Andreas fault, California[J]. Journal of Geophysical Research, 1969, 74(15): 3821-3827.

[20]

王贤仁,卢艳清. 澜沧—耿马地震前 FSQ 仪记录到 的粘滑和慢地震及对短临预报探讨[J]. 地震研究, [21]

(9)

1994,17(2): 157-163.

WANG Xianren, LU Yanqing. Stick-slip and slow shocks recorded on FSQ tiltmeters before Lancang-Gengma earthquake and primary study on short-impending earthquake prediction[J]. Journal of Seism-ological Research, 1994, 17(2): 157-163.

李普春,刘力强,郭玲莉,等. 粘滑过程中的多点错 动[J]. 地震地质,2013,35(1): 125-137.

LI Puchun, LIU Liqiang, GUO Lingli, et al. Multi-point dislocation in stick-slip process[J]. Seismology and Geology, 2013, 35(1): 125-137. [22] 井国庆,黄红梅,施晓毅,等. 道砟尖角折断的三轴压 缩试验与离散元数值分析[J]. 西南交通大学学报, 2017,52(2): 216-221. [23]

JING Guoqing, HUANG Hongmei, SHI Xiaoyi, et al. Triaxial test and dem analysis of ballast aggregate with angularity breakage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(2): 216-221.

崔德山,项伟,陈琼,等. 颗粒材料黏滑运动特征与颗 粒黏结试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2016, 35(9): 1924-1935.

CUI Deshan, XIANG Wei, CHEN Qiong, et al. Experimental study on stick-slip behaviour and sintering phenomenon of glass beads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(9): 1924-1935. [24] (编辑:徐 萍)

(上接第 81 页)

方祥位,申春妮,陈正汉,等. 原状 Q2黄土 CT-三轴 浸水试验研究[J]. 土木工程学报,2011,44(10): 98-106.

FANG Xiangwei, SHEN Chunni, CHEN Zhenghan, et al. Triaxial wetting tests of intact Q2 loess by

computed tomography[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(10): 98-106.

[12]

朱宝龙,巫锡勇,李晓宁,等. 合肥地区重塑黏性土细 观结构演化三轴 CT 试验[J]. 西南交通大学学报, 2015,50(1): 144-149.

ZHU Baolong, WU Xiyong, LI Xiaoning, et al. Triaxial CT Tests of meso-structure evolution of remodeled cohesive soil in Hefei[J]. Journal of South-west Jiaotong University, 2015, 50(1): 144-149. [13]

雷胜友,唐文栋. 黄土在受力和湿陷过程中微结构变 化的 CT 扫描分析[J]. 岩石力学与工程学报,2004, 23(24): 4166-4167.

LEI Shengyou, TANG Wendong. Analysis of microstructure change for loess in the process of loading and collapse with CT scanning[J]. Chinese [14]

Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(24): 4166-4167.

罗爱忠,邵生俊. 湿载耦合作用下黄土结构性损伤演 化及本构关系[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(4): 841-847.

LUO Aizhong, SHAO Shengjun. Structural damage evolution and constitutive relation of loess under coupling of stress and moisture[J]. Chinese Journal of Rock mechanics and Engineering, 2012, 31(4): 841-847.

[15]

谢定义. 试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J]. 岩土工程学报,2001,23(1): 3-13.

XIE Dingyi. Exploration of some new tendencies in research of loess soil mechanics[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(1): 3-13. [16]

李晓军,张登良. 路基填土单轴受压细观结构 CT 监 测分析[J]. 岩土工程学报,2000,22(2): 205-209. LI Xiaojun, ZHANG Dengliang. Monitoring change of structure of road foundation soil in uniaxial compression test with CT[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(2): 205-209. [17]

Tab. 1    Peak strengths and friction angles of glass beads under different cell pressures
Tab. 2    Deviator drop and strain of the first stick-slip
Tab. 3    Volumetric strain turning point of glass beads under different cell pressures %
Fig. 11   Deviatoric stress,volumetric strain,and cell pressure versus axial strain

参照

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