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遥感-岩石力学(Ⅵ)——岩石摩擦滑移特征及其影响因素分析
2011-07-22
以花岗闪长岩和辉长岩为例,结合遥感-岩石力学基础实验研究,研究了双轴加载条件下岩石摩擦滑移特征, 重点对影响岩石摩擦滑移特征的5 个重要因素,即正应力、岩性、摩擦表面粗糙度、含水性及摩擦速率进行了实 验分析。研究表明:(1) 正应力越大,越容易出现粘滑,粘滑时应力降越大,且重复粘滑的间隔周期越长。(2) 相 同边界条件下,辉长岩的粘滑性比花岗闪长岩强。(3) 摩擦表面粗糙度对岩石的粘滑性能有较大影响,重复摩擦会 增加粘滑的不稳定性。(4) 含水后岩石摩擦面的摩擦强度会降低,但摩擦过程中水份随产热蒸发,其摩擦强度会逐 渐恢复。(5) 低速率摩擦时岩石主要表现为粘滑,而高速率摩擦时则主要...
第 23 卷 第 8 期 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 23(8): 1247~ 1251 April, 2004 2 004 年 4 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 遥 感 -岩 石 力 学 (Ⅵ )— — � 岩 石 摩 擦 滑 移 特 征 及 其 影 响 因 素 分 析 1 , 2 1 1 1 1 李 永 强 刘 善 军 吴 立 新 王 金 庄 吴 育 华 2 1 ( 中 国 矿业大 学 (北 京校 区 )3S 与 沉 陷 工 程 研 究 所 北 京 100083) ( 河 北 理 工 学 院 资 源 系 唐 山 063009) 摘 要 以 花 岗 闪长 岩 和 辉 长 岩 为 例 , 结 合 遥 感 -岩 石 力 学 基 础 实 验 研 究 , 研 究 了 双 轴 加 载 条 件 下 岩 石 摩 擦 滑 移 特 征 , 重 点 对 影 响岩 石 摩 擦 滑 移 特 征 的 5 个 重 要 因 素 , 即 正 应 力 、 岩 性 、 摩 擦 表 面 粗 糙 度 、 含 水 性 及 摩 擦 速 率 进 行 了 实 验 分 析 。 研 究 表 明 : (1) 正 应 力 越 大 , 越 容 易出 现 粘 滑 , 粘 滑 时 应 力 降 越 大 , 且 重 复 粘 滑 的 间 隔 周期 越 长 。 (2) 相 同 边 界条 件 下 , 辉 长 岩 的 粘 滑 性 比 花 岗 闪长 岩 强 。 (3) 摩 擦 表 面 粗 糙 度 对 岩 石 的 粘 滑 性 能有 较 大 影 响, 重 复 摩 擦 会 增 加 粘 滑 的 不 稳 定 性 。 (4) 含 水 后 岩 石 摩 擦 面 的 摩 擦 强 度 会 降 低 , 但 摩 擦 过 程 中 水 份 随 产 热 蒸 发 , 其 摩 擦 强 度 会 逐 渐 恢 复 。 (5) 低 速 率 摩 擦 时 岩 石 主 要 表 现 为 粘 滑 , 而 高速 率 摩 擦 时 则 主 要 表 现 为 稳 滑 。 关 键 词 分 类 号 遥 感 -岩 石 力 学 , 岩 石 粘 滑 , 摩 擦 滑 移 , 构 造 地 震, 影 响因 素 + TU 459 .2 文 献 标 识码 A 文 章 编 号 1000-6915(2004)08-1247-05 REMOTE SENSING-ROCK MECHANICS(Ⅵ )— — FEATURES OF ROCK FRICTION-SLIDING AND ANALYSIS ON ITS INFLUENCE FACTORS 1 , 2 1 1 1 1 Liu Shanjun , Wu Lixin , Wang Jinzhang , Wu Yuhua , Li Yongqiang 1 ( Institute of RS/GPS/GIS and Subsidence Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083 China) 2 ( Department of Resource, Heibei Institute of Technology, Tangshan 063009 China) Abstract The rock friction-sliding features in condition of bi-axial loading are experimentally studied with gabbro and granodiorite as examples. The five important influence factors, that is, normal stress, rock property, roughness of the friction surface, aqueousness and sliding rate, are experimentally studied and analyzed. It is revealed that (1) the higher the normal stress is, the easier the stick-slip is and the longer the period is between two consecutive stick-slippings, (2) if the boundary conditions are the same, stick-slip potentiality of gabbro is bigger than that of granodiorite, (3) the roughness of the friction surface has much influence on the stick-slip property, and the repeated frictions will increase the instability of stick-slip, (4) the friction strength of aqueous rock is to decrease, but it will recover gradually with the heat production and the water evaporation in the process of friction-sliding, and (5) in condition of low friction rate, the rock friction-sliding is chiefly stick-slip, while in condition of high friction rate, the rock friction-sliding is chiefly stable slip. Key words remote sensing-rock mechanics,rock stick-slip,friction-sliding,tectonic earthquake,influence factor 最典 型 的 就 是 断 层 的 滑 动 , 其 中 , 断 层 的 粘 滑 被 认 1 引 言 为 是 构 造 地 震中 的 主 要 形 式 之 一 。 为 探 索断 层 粘 滑 过 程 力 学 机 制 及 运动 规 律 , 许 多学 者进 行 了 岩 石 摩 [1] 岩 石 间 的 摩 擦 是 自 然 界中 的 一 种 常见 现 象 , 而 擦 滑 移 的 室 内 模 拟 研 究 。 Byerlee 经 过 多年 搜集 了 2 * 003 年 6 月 1 日 收 到 初 稿 , 2003 年 7 月 20 日 收 到 修 改 稿 。 全 国 优 秀 博 士 学 位 论 文 专 项 基 金(200046)和 北 京市自 然 科 学 基 金重 点 项 目 (8001003)联 合 资 助 课题 。 作者 刘 善 军 简 介 : 男 , 1966 年 生 , 1988 年 毕 业于 河 北 理 工 学 院 采矿系 , 现 任 副 教授 , 现 为 中 国 矿业大 学 (北 京校 区 )博 士 研 究 生 , 主 要 从 事 遥 感 -岩 石 力 学 与 地 震遥 感 基 础 实 验 方 面 的 研 究 工 作。 E-mail: liusjdr@263.net。 • 1248 • 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2004年 许 多岩 石 摩 擦 实 验 的 数 据 , 研 究 总 结 出 了 Byerlee 成分 为 斜 长 石 (52%)、 石 英 (23%)、 普 通 角 闪石 (8%)、 黑 云 母 (7%)、 正 长 石 及 微 斜 长 石 (8%), 其 余 为 磁 铁 矿及 磷灰 石 。 [1] 定 律 。 围 绕 岩 石 摩 擦 的 影 响因 素 及 摩 擦 特 性 , 文 [ 2, 3]总 结 提 出 了 两 种 摩 擦 本 构 定 律 ; 文 [4]对 两 种 摩 擦 本 构 定 律 分 别 在不 同 条 件 下 进 行 了 讨 论 ; 文 [5] 利 用 摩 擦 本 构 定 律 讨 论 了 地 震成因 、 地 震耦 合 、 地 震类 型 和 地 震周期 问 题 。 以 上 研 究 成果 为 岩 石 结 构 失 稳 及 地 震机 制 研 究 提 供 了 指 导 , 但 对 于 全 面 解 释 岩 石 摩 擦 滑 移 的 复 杂 特 征 尚 显 不 足 。 压 力 机 型 号 为 INSTRON 8506 的 真 三 轴 四 立 柱 液 压 伺 服 系 统 , 轴 向 最大 载 荷 3 000 kN, 水 平 最大 载 荷 2 000 kN。 实 验 方 法 为 : 首 先 , 将 水 平 侧 压 (正 应 力 σ)加 到 预 定 值 ; 然 后 , 以 等 位 移 速 率 逐 渐 加 载 竖 向 应 力 (剪 应 力 τ ), 使 试 块 1 相 对 于 试 块 2 和 3 产 生 摩 擦 滑 移 。 实 验 中 , 除 在考 虑 加 载 速 率 影 响时 对 本 文 结 合 遥 感 -岩 石 力 学 基 础 实 验 研 究 , 以 首 都 圈 构 造 地 震遥 感 监 测 预 报 基 础 实 验 研 究 为 背 景 , 对 首 都 圈 地 区 两 类 典 型 地 壳 岩 石 的 摩 擦 滑 移 特 征 进 行 实 验 研 究 , 重 点 分 析 影 响其 粘 滑 特 征 的 有 关 因 素 及 其 影 响规 律 。 加 载 速 率 有 所 调 整 外 , 一 般 情 况下 加 载 速 率 均 为 mm/min。 压 力 机 的 数 据 采集 系 统 自 动 记 录 岩 石 摩 擦 滑 移 过 程 中 剪 应 力 、 位 移 及 时 间 等 数 据 。 5 3 实 验 结 果 分 析 2 实 验 设 计 图 2 为 正 应 力 为 24 MPa 时 辉 长 岩 试 件 加 载 过 岩 石 摩 擦 实 验 的 常用 方 法 有 直 剪 实 验 、 双 剪 实 程 中 的 剪 应 力 -时 间 曲 线 。 从 图 2 可 见 , 加 载 初 期 (0~ 43 s), 由 于 岩 块 及 垫 块 之 间 存 在缝 隙 , 试 块 及 压 机 球 面 座 需 要 调 整 , 因 而 剪 应 力 上 升 比 较 缓 慢 ; 当 岩 块 被 压 实 后 , 剪 应 力 增 加 的 幅 度 加 大 。 当 达 到 摩 擦 面 的 抗 剪 强 度 时 , 试 块 1 发 生 第 一 次 粘 滑 , 随 即 产 生 第 一 次 应 力 降 。 之 后 , 应 力 又 进 一 步 上 升 , 发 生 第 二 次 粘 滑 和 第 二 次 应 力 降 ;继 续 重 复 此 过 程 。 验 和 三 轴 实 验 。 三 轴 实 验 应 用 最为 广 泛 , 但 存 在一 些 缺 陷 , 如 主 应 力 面 与 摩 擦 面 存 在交 角 、 摩 擦 面 的 面 积 在摩 擦 过 程 中 会 动 态 变 化 、 滑 动 位 移 不 能直 接 [6] [6~ 9] 测 量 等 , 因 此 , 一 般 采用 双 剪 实 验 进 行 , 本 次 研 究 也 采用 岩 石 双 剪 摩 擦 滑 移 方 法 。 如 图 1 所 示 ,实 验 中 采用 3 块 岩 石 试 件 的 组 合 , 两 侧 试 块 的 尺 寸 相 同 , 为 50 mm基 50 mm基 100 mm, 中 间 试 块 的 尺 寸 为 50 mm基 70 mm基 150 mm, 两 个 3 0 2 25 摩 擦 面 的 接 触 面 积 都 为 50基 100 mm 。 除 特 殊 要 求 2 0 外 , 所 有 的 岩 石 试 块 都 进 行 了 打 磨 处 理 , 摩 擦 面 及 与 之 平 行 的 面 的 不 平 行 度 小 于 0.1 mm。 15 10 5 τ 0 试 块 试 块 试 块 0 100 200 300 400 500 σ t/s 2 1 3 图 2 辉 长 岩 试 件 加 载 过 程 中 剪 应 力 -时 间 曲 线 Fig.2 Shear stress-time curve of gabbro sample 3.1 正 应 力 的 作 用 图 1 岩 石 双 剪 摩 擦 滑 移 加 载 示 意 图 Fig.1 Diagram of bi-shear friction sliding experiment (1) 正 应 力 对 摩 擦 系 数 的 影 响 经 典 物 理 学 中 的 摩 擦 问 题 遵 守 阿 莫 顿 定 律 ,即 : 实 验 中 主 要 使 用 了 采自 首 都 圈 地 区 的 两 种 典 型 岩 石 , 分 别 为 : (1) 辉 长 岩 (采自 保定 易县 ): 矿物 成 分 为 斜 长 石 (53%)、普 通 辉 石 (20%)、紫苏 辉 石 (10%)、 黑 云 母 (10%)、 石 英 (2%), 此 外 , 含 有 少 量 的 黄 铁 矿 及 磷灰 石 。 (2) 花 岗 闪长 岩 (采自 北 京房山 县 ), 矿物 摩 擦 面 上 的 剪 应 力 等 于 正 应 力 与 摩 擦 系 数 的 乘 积 , 而 摩 擦 系 数 是 一 个 与 正 应 力 无 关 的 常数 , 只 与 摩 擦 面 的 性 质 有 关 。 Byerlee 在摩 擦 实 验 资 料 基 础 上 , 分 析 发 现 岩 石 的 摩 擦 系 数 并 非 与 正 应 力 无 关 。 岩 石 沿 某 一 滑 动 面 发 生 滑 动 的 条 件 是 该 面 上 的 第 23 卷 第 8 期 刘 善 军 等 . 遥 感 -岩 石 力 学 (Ⅵ )— — 岩 石 摩 擦 滑 移 特 征 及 其 影 响因 素 分 析 • 1249 • 正 应 力 σ与 剪 应 力 τ之 间 满 足 : τ = 0.85σ (σ < 200 MPa ) τ = 50 MPa + 0.6σ (σ≥ 200 MPa) 3 2 2 1 1 0 5 0 5 0 σ = 32 MPa σ = 24 MPa 为 进 一 步 弄 清 摩 擦 系 数 与 正 应 力 的 关 系 , 作者 进 行 了 其 他 条 件 相 同 而 正 应 力 不 同 的 岩 石 摩 擦 实 验 , 结 果 见 表 1(其 中 , 摩 擦 系 数 为 静 摩 擦 系 数 )。 σ = 8 MPa 5 表 1 岩 石 不 同 正 应 力 所 对 应 的 摩 擦 系 数 00 100 200 300 400 500 Table 1 Rock friction factors with different normal stresses t/s a) 花 岗闪 长 岩 岩 性 样 品 编 号 摩 擦 强 度 /MPa 正 应 力 /MPa 静 摩 擦 系 数 ( 2 2 T5 T3 4.27 9.30 4 10 16 24 32 8 1.06 0.93 0.91 0.90 0.87 1.16 0.92 0.86 3 2 0 5 辉 长 岩 2T1 14.56 22.13 27.90 9.30 σ = 32 MPa σ = 24 MPa 2 2 5 T2 T4 T5 20 1 1 5 0 σ = 16 MPa 花 岗 闪长 岩 5T2 T4 22.18 27.54 24 32 σ = 10 MPa 5 5 σ = 4 MPa 00 100 200 300 400 500 由 表 1 可 见 , 辉 长 岩 随 着 正 应 力 由 4 MPa 增 加 到 32 MPa, 静 摩 擦 系 数 从 1.06 降 低 到 0.87, 平 均 递 减 幅 度 为 0.007/MPa; 花 岗 闪长 岩 随 着 正 应 力 由 8 MPa 增 加 到 32 MPa, 静 摩 擦 系 数 从 1.16 降 低 到 t/s (b) 辉 长 岩 图 3 在不 同 正 应 力 下 岩 石 的 剪 应 力 -时 间 曲 线 对 比 Fig.3 Comparison between shear stress-time curves with different normal stresses 0.86, 平 均 递 减 幅 度 为 0.012 5/MPa。 这 说 明 随 着 正 应 力 的 增 大 , 静 摩 擦 系 数 会 变 小 , 与 文 [10, 11]的 结 果 一 致 。 将 实 验 结 果 类 比 于 构 造 地 震, 可 以 推 知 , 受 较 大 正 应 力 挤 压 的 活 动 断 层 , 其 重 复 粘 滑 的 间 隔 周期 相 对 较 长 , 且 发 生 大 震的 可 能性 更 大 ; 而 正 应 力 小 的 活 动 断 层 其 重 复 粘 滑 的 间 隔 周期 相 对 较 短 , 且 发 生 大 震的 可 能性 小 。 ( 2) 正 应 力 对 粘 滑 特 征 的 影 响 图 3 为 不 同 正 应 力 条 件 下 岩 石 摩 擦 滑 移 过 程 中 的 剪 应 力 -时 间 的 关 系 曲 线 对 比 图 。 由 图 3 可 见 , 在 其 他 摩 擦 条 件 相 同 的 情 况下 , 随 正 应 力 增 加 , 剪 应 力 -时 间 曲 线 波 动 的 幅 度 增 加 , 但 波 动 频率 减 小 。 (1) 对 于 辉 长 岩 , 当 正 应 力 为 4 MPa 时 , 其 重 复 粘 滑 的 间 隔 周期 为 0.5~ 2 s, 粘 滑 时 的 应 力 降 为 0.5~ 1.5 MPa; 而 当 正 应 力 增 加 到 32 MPa 时 , 其 粘 滑 间 隔 周 期 增 加 到 15~ 20 s,粘 滑 时 的 应 力 降 达 到 7~ 8 MPa。 3.2 岩 性 的 影 响 摩 擦 界面 的 物 质 组 成是 决 定 摩 擦 面 性 质 的 一 个 重 要 因 素 。 物 质 成分 不 同 , 其 物 理 、 力 学 性 质 就 不 同 , 因 而 会 影 响摩 擦 特 征 。 图 3(a)和 (b)所 示 分 别 为 花 岗 闪长 岩 和 辉 长 岩 在不 同 正 应 力 情 况下 的 剪 应 力 ( 2) 对 于 花 岗 闪长 岩 , 正 应 力 为 8 MPa 时 , 近 似 为 - 时 间 曲 线 。 比 较 两 者可 以 发 现 , 二 者的 静 摩 擦 系 数 光 滑 直 线 (尤 其 是 前 半 段 ), 表 明 岩 石 的 滑 动 近 似 为 稳 滑 (或 蠕 滑 ); 而 当 正 应 力 增 加 到 32 MPa 时 , 曲 线 的 波 动 性 明 显 增 加 , 粘 滑 间 隔 周期 达 到 3~ 5 s, 粘 滑 时 的 应 力 降 达 到 2~ 3 MPa。 虽 然 相 差 不 大 , 但 花 岗 闪长 岩 的 曲 线 比 较 平 滑 , 而 辉 长 岩 曲 线 的 波 动 较 大 。表 明 在同 等 正 应 力 条 件 下 , 辉 长 岩 更 容 易发 生 粘 滑 , 且 粘 滑 的 幅 度 较 花 岗 闪长 岩 为 大 。 实 验 表 明 , 正 应 力 的 增 加 使 得 岩 石 重 复 粘 滑 的 间 隔 周期 增 长 , 但 每 次 粘 滑 时 产 生 的 应 力 降 也 随 之 增 大 。 这 与 文 [12]的 研 究 结 果 一 致 : 文 [12]对 辉 长 岩 在不 同 围 压 下 的 摩 擦 滑 动 进 行 了 实 验 , 发 现 应 力 降 幅 度 随 围 压 升 高而 增 加 。 此 外 , 花 岗 闪长 岩 在通 过 最大 静 摩 擦 力 之 后 曲 线 基 本 趋 于 水 平 , 动 摩 擦 系 数 没 有 降 低 ; 而 辉 长 岩 则 在σ = 16 和 24 MPa 时 ,曲 线 在通 过 最大 静 摩 擦 力 之 后 发 生 下 降 , 即 存 在位 移 弱 化 现 象 , 动 摩 擦 系 数 不 断 降 低 。 • 1250 • 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2004年 3 .3 摩 擦 面 性 状 的 影 响 的 水 分 被 摩 擦 生 热 逐 渐 蒸 发 掉 , 湿 摩 擦 面 变 成干摩 擦 面 , 两 条 曲 线 在后 半 段 又 重 合 在一 起 。 ( 1) 粗 糙 度 对 摩 擦 性 质 的 影 响 实 验 发 现 , 摩 擦 面 的 粗 糙 度 对 摩 擦 系 数 的 影 响 不 含 水 摩 擦 面 2 5 不 大 , 但 对 剪 应 力 -时 间 曲 线 却 有 显 著 影 响。 当 摩 擦 面 被 打 磨 过 时 , 摩 擦 过 程 中 的 剪 应 力 -时 间 曲 线 的 波 幅 变 化 不 大 , 比 较 平 稳 ; 而 当 摩 擦 面 未 经 过 打 磨 时 , 上 述 曲 线 会 随 着 时 间 的 推 移 波 幅 逐 渐 变 小 , 即 由 不 稳 定 滑 动 趋 向 稳 定 滑 动 , 如 图 4 所 示 。 20 1 1 5 0 含 水 摩 擦 面 光 滑 摩 擦 面 粗糙 摩 擦 面 5 1 1 6 2 00 100 200 300 400 500 t/s 图 5 摩 擦 面 含 水 与 不 含 水 的 摩 擦 性 质 比 较 8 4 0 Fig.5 Comparison of friction properties for the friction surface with and without water 重 复 实 验 3 .4 加 载 速 率 的 影 响 0 100 200 300 400 500 图 6 为 摩 擦 面 都 为 打 磨 情 况下 , 正 应 力 为 16 t/s MPa 时 两 种 加 载 速 率 的 滑 动 位 移 -剪 应 力 曲 线 的 比 较 。 由 图 6 可 见 : (1) 由 静 摩 擦 转 变 为 动 摩 擦 时 , 两 者的 滑 动 位 移 相 等 , 均 5 mm。 (2) 加 载 速 率 高的 曲 线 (图 6(a))在静 摩 擦 过 后 (B 点 之 后 ), 开 始 阶 段 波 图 4 摩 擦 面 粗 糙 度 的 影 响 Fig.4 Influence of roughness of friction surface on friction-sliding action 1 1 1 1 8 6 4 2 为 了 解 已 摩 擦 过 的 摩 擦 面 的 性 质 , 还 对 一 部 分 已 进 行 过 摩 擦 的 试 件 按 相 同 的 条 件 重 复 加 载 实 验 。 图 4 中 ,“ 重 复 实 验 ” 曲 线 为 “ 光 滑 摩 擦 面 ” 曲 线 的 重 复 实 验 结 果 。 由 图 中 看 出 , 重 复 实 验 试 件 的 静 摩 擦 强 度 减 小 , 即 由 静 摩 擦 向 动 摩 擦 转 化 所 需 的 剪 应 力 减 小 ; 同 时 , 由 静 摩 擦 向 动 摩 擦 转 化 过 程 中 出 现 较 大 的 应 力 降 的 几 率 显 著 增 加 。 分 析 认 为 , 这 是 由 于 重 复 实 验 的 试 件 的 摩 擦 面 在实 验 前 已 含 有 大 量 前 次 实 验 中 已 被 压 碎 压 实 的 粉 末 状 颗 粒 , 这 些 颗 粒 被 挤 压 成很 光 滑 的 “ 镜面 ”, 其 作用 相 当 于 断 层 中 的 断 层 泥 , 它 的 存 在使 得 粘 滑 前 所 需 的 应 力 积 聚 减 小 , 同 时 , 粘 滑 时 释 放 的 地 震能量 加 大 。 类 比 天 然 构 造 地 震, 可 以 想 象 , 当 断 层 富 含 大 量 断 层 泥 , 且 这 些 断 层 泥 因 断 层 的 频繁活 动 (如 活 动 断 层 )而 变 得 光 滑 时 , 发 生 地 震的 可 能性 增 大 。 B 10 8 6 A 4 2 0 0 10 20 d/mm (a) 加 载 速 率 为 20 mm/min 30 40 1 1 1 1 6 4 2 0 8 6 ( 2) 含 水 性 对 摩 擦 性 质 的 影 响 4 天 然 断 层 一 般 都 富 含 水 , 为 此 作者进 行 了 摩 擦 面 含 水 与 不 含 水 情 况的 比 较 实 验 , 发 现 二 者的 摩 擦 性 能有 明 显 差 别 。 图 5 是 在正 应 力 为 24 MPa、 加 载 速 率 为 5 mm/min 条 件 下 摩 擦 面 含 水 与 不 含 水 的 摩 擦 性 质 比 较 。 由 图 5 可 见 , 湿 摩 擦 面 的 曲 线 在开 始 加 载 时 明 显 低 于 干摩 擦 面 , 表 明 摩 擦 面 含 水 导 致 了 初 始 摩 擦 强 度 的 减 小 ; 而 随 着 摩 擦 的 进 行 , 摩 擦 面 2 00 2 4 6 8 d/mm ( b) 加 载 速 率 为 0.5 mm/min 图 6 不 同 加 载 速 率 时 滑 移 量 -剪 应 力 曲 线 比 较 Fig.6 Comparison of sliding movement-shear stress curves with different loading rates 第 23 卷 第 8 期 刘 善 军 等 . 遥 感 -岩 石 力 学 (Ⅵ )— — 岩 石 摩 擦 滑 移 特 征 及 其 影 响因 素 分 析 • 1251 • 动 较 小 , 往 后 波 动 加 大 , 而 加 载 速 率 低 的 曲 线 则 不 明 显 。 (3) 加 载 速 率 高的 曲 线 波 动 频率 要 比 加 载 速 率 低 的 曲 线 波 动 频率 低 , 表 明 加 载 速 率 对 滑 动 的 稳 定 性 有 影 响, 即 加 载 速 率 越 高, 滑 动 越 稳 定 , 而 加 载 速 率 越 低 , 则 滑 动 越 不 稳 定 , 越 容 易发 生 粘 滑 。 文 [13]就 断 层 滑 动 速 率 对 滑 动 稳 定 性 的 影 响进 行 了 研 究 , 认 为 滑 动 速 率 增 加 可 能导 致 周期 性 粘 滑 向 稳 定 滑 动 转 化 , 而 速 率 减 小 可 能使 稳 定 滑 动 转 化 为 周 期 性 粘 滑 。 本 次 实 验 结 果 与 此 一 致 。 石 的 磨 削 切 除 机 制 。 实 验 发 现 , 磨 粒 在磨 削 辉 长 岩 时 , 其 切 除 机 制 主 要 为 塑 性 变 形 和 微 切 削 作用 ; 而 在磨 削 石 英 、 长 石 时 , 其 切 除 机 制 主 要 为 断 裂 机 制 。 由 于 岩 石 矿物 成分 不 同 , 因 而 摩 擦 时 产 生 的 摩 擦 机 理 会 不 同 , 从 而 影 响其 滑 动 性 质 。 (3) 摩 擦 面 的 粗 糙 度 对 岩 石 粘 滑 性 能有 较 大 影 响, 重 复 摩 擦 会 增 加 粘 滑 的 不 稳 定 性 。 (4) 岩 石 摩 擦 面 含 水 后 摩 擦 强 度 会 降 低 , 但 随 水 份 的 摩 擦 生 热 蒸 发 , 其 摩 擦 强 度 可 以 得 到 恢 复 。 ( 5) 加 载 速 率 对 滑 动 的 性 质 有 一 定 影 响, 摩 擦 4 结 论 与 讨 论 滑 动 在低 速 率 情 况下 主 要 表 现 为 粘 滑 , 而 在高速 率 情 况下 则 主 要 表 现 为 稳 定 滑 动 。 ( 1) 岩 石 摩 擦 滑 动 特 征 与 正 应 力 密 切 相 关 。 正 致 谢 双 轴 加 载 实 验 得 到 清 华 大 学 水 利 系 李 庆 斌 教 授 、 张 翠 英 老 师的 支 持 和 配 合 , 特 致 谢 意 ! 应 力 增 大 , 相 应 静 摩 擦 系 数 会 减 小 , 岩 石 摩 擦 越 容 易出 现 粘 滑 , 粘 滑 时 应 力 降 越 大 , 且 粘 滑 间 隔 周期 越 长 。 参 考 文 献 岩 石 摩 擦 需 要 克 服 4 个 方 面 的 阻 力 :① 两 个 摩 擦 面 之 间 的 粘 附 力 , 它 与 摩 擦 表 面 的 张 力 有 关 。 ② 凹凸 颗 粒 间 的 相 互 越 过 时 遇 到 的 阻 力 , 它 与 摩 擦 面 的 粗 糙 度 有 密 切 关 系 , 粗 糙 度 越 大 , 摩 擦 阻 力 越 大 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Byerlee J D. Friction of rocks[J]. Pure and Applied Geophysics,1978, 16: 615~ 620 1 Ruina A L. Slip instability and state variable friction laws[J]. J. Geophys. Res., 1983, 88: 10 359~ 10 370 ③ 凹凸 颗 粒 相 互 剪 切 时 遇 到 的 阻 力 ,它 与 颗 粒 的 抗 Dieterich J H. Modeling of rock friction: 1. experimental results and constitutive equations[J]. J. Geophys. Res., 1979, 84: 2161~ 2168 何 昌 荣 . 两 种 摩 擦 本 构 关 系 的 对 比 研 究 [J]. 地 震地 质 , 1999,21(2): 137~ 146 剪 强 度 有 关 , 剪 切 强 度 越 高, 该 阻 力 越 大 。 当 摩 擦 面 突 起 的 颗 粒 被 剪 掉 时 , 在摩 擦 面 上 会 留 下 半 圆 形 的 凹坑, 地 质 上 称 为 “ 阶 步 ”。 ④ 凹凸 颗 粒 间 相 互 刨 削 (刻 划 )时 遇 到 的 阻 力 , 它 与 颗 粒 间 的 相 对 硬 度 有 关 , 相 对 硬 度 相 差 越 大 , 该 阻 力 越 大 。 当 摩 擦 面 被 硬 度 大 的 颗 粒 刨 削 时 , 会 在摩 擦 面 上 留 下 平 行 摩 擦 方 向 的 犁 沟 , 地 质 上 称 为 “ 擦 痕 ”。 Scholz S H. Earthquake and friction laws[J]. Nature, 1998, 391(1): 3 7~ 42 李 纪 汉 , 刘 晓 红 , 郝 晋 升 等 . 岩 石 摩 擦 滑 动 的 声 发 射 b 值 [J]. 西 北 地 震学 报 , 1987, 9(4): 34~ 38 耿 乃 光 , 郝 晋 升 , 李 纪 汉 等 . 应 力 途 径 与 岩 石 的 摩 擦 滑 动 [J]. 地 震 学 报 , 1987, 9(2): 201~ 207 当 正 应 力 较 低 时 , 摩 擦 阻 力 主 要 为 来 自 第 ② 方 面 的 阻 力 。 此 时 随 着 摩 擦 面 粗 糙 度 的 不 同 , 岩 石 的 摩 擦 系 数 会 发 生 大 范 围 的 变 化 。 文 [1]提 供 的 低 围 压 岩 石 摩 擦 资 料 表 明 : 摩 擦 系 数 的 变 化 范 围 为 0.3~ 马 文 涛 , 马 瑾 , 马 胜 利 等 . 岩 石 摩 擦 滑 动 中 声 发 射 的 多普 勒 效 应 [J]. 地 震地 质 , 1995, 17(4): 311~ 317 刘 晓 红 . 岩 石 摩 擦 滑 动 失 稳 前 断 层 区 的 波 速 变 化 [J]. 中 国 地 震, 10, 摩 擦 系 数 与 粗 糙 度 关 系 极大 。 当 正 应 力 增 大 时 , 1 997, 13(1): 82~ 87 情 况比 较 复 杂 。 但 总 体来 看 , 正 应 力 足 够 大 以 后 , 摩 擦 阻 力 将 相 对 减 小 , 即 摩 擦 系 数 相 对 减 小 。 1 1 1 0 1 2 陈 禺 页 . 地 壳 岩 石 的 力 学 性 能[M]. 北 京: 地 震出 版 社 , 1988 所 波 列 夫. 震源 物 理 与 地 震预 报 [M]. 北 京: 地 震出 版 社 , 1997 Brace W F, Byerlee J D. Stick-slip as a mechanism for earthquakes[J]. Science, 1966, 153: 999~ 992 ( 2) 岩 石 摩 擦 滑 动 的 性 质 与 岩 性 有 关 , 相 同 边 界条 件 下 , 辉 长 岩 的 粘 滑 性 比 花 岗 闪长 岩 强 。 岩 石 的 矿物 成分 、微 结 构 等 决 定 了 岩 石 的 性 质 , 包括 力 学 性 质 和 物 理 化 学 性 质 , 这 些 性 质 会 影 响岩 石 摩 擦 滑 动 的 特 点 和 方 式 。 13 何 昌 荣 , 马 胜 利 , 黄 建 国 . 断 层 滑 动 速 率 变 化 对 滑 动 稳 定 性 的 影 响[J]. 地 震地 质 , 1998, 20(1): 54~ 62 14 周长 民 , 戴 宝 刚 , 陈 亚明 等 . 花 岗 石 及 其 矿物 的 磨 削 机 理 [J]. 山 东 建 材, 1999, (4): 6~ 7 文 [14]借 助 反 光 显 微 镜和 扫 描 电 镜研 究 了 花 岗
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