断层摩擦实验中的应力状态及摩擦强度

在实验室内进行了辉长岩的摩擦实验。由实验所得的摩擦强度-位移曲线可以看出,岩样变形过程可分为 3个变形阶段:开始时为弹性变形,中间为弹塑性变形过渡阶段,最后为剪切塑性变形阶段或稳态应变强化阶段。断层带外主应力大小和方向由实验控制;而在断层带内部,由于断层泥物质的库仑塑性变形导致其应力状态的变化,不同的变形阶段具有不同的应力状态特点。通过对变形过程中的应力状态及摩擦强度变化的研究,分析了断层带内应力主轴方向发生旋转,最终达到简单剪切变形状态的过程。

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.

计算机在摩擦实验测试中的应用

结合具体实例 ,论述利用微型计算机进行摩擦实验的过程监控、信号数据采集与处理技术 ,详述了传感器选择、系统配制及要求、软件界面设计、多通道采样与控制技术 ,以及混合信号处理技术 ,通过合理选配和编程 ,可实时定量显示摩擦学数据、监测摩擦状态 ,最大限度地减少人工干预 ,提高实验的准确性、可靠性和重复精度 .

岩石高速摩擦实验的进展

文中简述了地震动力学国家重点实验室近年来在岩石高速摩擦实验方面的进展.为了深化断层与地震力学研究,实验室建设了一套旋转剪切低速-高速摩擦实验装置,可开展滑动速率介于板块运动速率（cm/a量级）至地震滑动速率（m/s量级）的岩石摩擦实验,其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白.以此为依托,围绕汶川地震断层带力学性质研究,开展了一系列高速摩擦实验.结果表明,龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性,其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程,包括凹凸体急速加热弱化和热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5～ 10s内恢复0.4,断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一.基于对实验装置现状和现有成果的分析,展望了近期实验室岩石高速摩擦的发展方向.

辉长岩摩擦实验中断层泥的剪切组构及成因

模拟断层泥的摩擦实验对地震的成核及断层带变形组构的研究具有重要意义。文中对辉长岩摩擦实验中的断层泥变形组构及形成机理进行了研究 ,以期从实验室角度来理解地壳深部断层活动的性质和特点。断层泥剪切组构中的边界剪切带 ,R1,Y剪切面比较发育 ,T裂隙次之 ;R2 ,P ,X剪切面不发育。R1面与边界面的夹角较小 ,平均在 1 1°左右 ,为单剪变形过程中达到破裂极限状态时形成的 1组库仑破裂面。分析表明R1面密度随正应力的增加而明显增高。而在相同的正应力下 ,随温度的增高 ,R1面的密度也有增加的趋势。当温度高于 5 0 0℃时 ,断层带内的斜长石出现塑性变形特征 ,R1剪切面与矿物的压性面理组成典型的S

重载自润滑材料的有限元设计及摩擦实验

利用ANSYS有限元软件对重载自润滑复合材料进行设计,通过摩擦磨损实验测定了其摩擦磨损曲线。结果表明这种自润滑复合材料的承载能力达到100MPa,摩擦因数小于0.14;在承载能力为80MPa、摆动频率为8次/min及摆角为±30°的条件下,这种自润滑复合材料的磨损率低,使用寿命长。可见这种新型复合材料适合于制造低速、重载与耐磨条件下的自润滑轴承。

露天矿多煤层软岩复合边坡底摩擦实验研究

以新疆某露天矿设有排土场的东帮复合边坡为研究对象,采用正交设计法设计实验方案,研究利用底摩擦实验相似模拟边坡的破坏过程。4种典型露天矿生产状态模型的底摩擦实验全面反映了露天矿多煤层软岩复合边坡的破坏过程,实验结果表明:21煤底板弱层是边坡滑动的关键因素,结合监测点位移变化规律分析得复合边坡的潜在滑移面具有4种形态,直线形、斜直线形、折线形、圆弧曲线形,通过分析实验现象得出边坡的破坏模式有2种,沉降、蠕滑-拉裂。讨论了弱层、时间和排土场对边坡稳定的影响以及底摩擦实验需要改进的地方,提出了提高边坡稳定性的合理加固时间,上覆排土场对边坡稳定性具有的两面性,它与弱层共同控制了潜在滑体的规模,以及合理制作底摩擦模型的重要性。

岩石高速摩擦实验与地震物理过程

简述了最近20年来国内外岩石高速摩擦实验研究领域的进展和动态:岩石高速摩擦实验技术的发展实现了对高滑动速率、大位移的地震过程的实验模拟;其结果揭示了岩石和断层泥在地震滑动速率下的力学性状,深化了对断层滑动弱化机制、临界滑动距离、以及地震发生过程的认识和理解;实验在假玄武玻璃成因方面取得了重要进展,并提出了断层发生地震滑动可能留下的其它地质证据,可望为研究断层滑动性状与地震物理过程提供新的思路和信息。岩石高速摩擦实验今后的发展方向主要包括:发展具有加温系统和孔隙压系统的岩石高速摩擦实验装置,研究水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状;室内实验和地震资料分析相结合研究断层滑动和地震机制;室内实验和野外地质调查相结合探索断层发生地震错动的地质证据等等。

一种多功能摩擦实验台的设计及实验

介绍了一种多功能摩擦实验台的原理、性能和实验结果。该实验台通过显微镜和CCD图像传感器可以放大拍摄两接触面间的接触情况,同时可通过力传感器测量摩擦力,解决了研究面面接触时,难以观察表面接触情况的问题。实验结果表明,所研制的实验台具有较好的实用性和可靠性,满足面面接触摩擦研究的需要。

剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动,研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现出较为规则的粘滑;当在剪切方向叠加位移扰动后,随扰动振幅的增加,粘滑发生时间与扰动的相关性增大,粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa;粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显,而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大;扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着,地震引起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化,也可能引起地震强度的变化。

应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究

利用中尺度岩石摩擦实验开展了应力扰动对断层摩擦滑动过程中声发射活动影响的实验研究,据此讨论同震应力变化引起的小震活动特征及其预测意义。实验结果表明方波状应力扰动对粘滑失稳前的声发射活动有明显影响,即触发了一些声发射事件,使得粘滑发生前声发射活动增强并使出现的时间提前。这种影响随平均正应力的提高和扰动振幅的增大而增强,其中剪应力扰动(增加)比正应力扰动(减小)对声发射活动的影响更明显。从统计角度,未叠加应力扰动时声发射事件一般开始在临近粘滑前应力积累达～90%以上时;叠加应力扰动后声发射事件提前至应力积累达到～70%时,甚至更早。结果意味着同震应力变化能否对区域内的强震活动产生显著影响主要取决于断层的绝对应力是否已临近失稳强度。而小震活动的变化能够在一定程度上反映断层的应力状态,因此综合考虑同震应力变化和小震活动分析强震危险性更为合理。同时也需充分考虑其中的不确定性。

侧向应力扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双向伺服控制装置,对含有与最大主压应力σ1呈45°夹角的预切面的花岗闪长岩标本进行了摩擦实验,结果表明,在σ1方向位移速率恒定、侧向应力σ2恒定的条件下,粘滑间隔随滑动面上正应力的增加而增加,粘滑应力降也随滑动面上正应力的增加而呈线性增加。但当σ2叠加了高频小振幅的正弦波扰动时,这种相关性发生了明显的变化,应力降大小和粘滑间隔的离散度均显著提高,特别是应力降可能会大幅度增加。与σ1扰动的实验结果相比,σ2扰动对断层粘滑的影响更为显著,这主要归因于正应力变化使滑动面的非均匀性加剧。

三轴实验中斜向摩擦面积、应力的修正法

采用圆形含斜向破裂面样品进行三轴摩擦实验时 ,由于摩擦面的实际接触面积随轴向位移而逐渐减小 ,使得记录到的应力 -应变曲线产生失真。给出了修正方法 。

岩石和断层泥摩擦特性的现场大尺度试件实验研究

为了研究岩石与断层泥的摩擦特性,在远安断裂带附近的灰岩体中开挖试洞、制作试体,进行大尺度试件的现场实验研究.实验用直剪法进行.试体的尺度为50×60×30cm^3.试体与岩体间的摩擦面积为3000cm^3.摩擦面分为天然断层面、软弱夹层面和节理裂隙面三种.测得的摩擦系数平均值是:(1)天然断层面——0.48;(2)软弱夹层面——0.41;(3)节理裂隙面——0.84.与室内小试件实验结果进行对比,发现现场断层泥的摩擦系数与室内实验结果相近.现场岩石的摩擦系数与室内粗糙岩石的实验结果相近.由于摩擦面积的增大,摩擦面上各点介质屈服的时间有明显的差别.部分摩擦面上介质的较早屈服可作为预报整体失稳的前兆.

用可编程数字化测力计改进小学科学摩擦力实验

不同版本的小学科学教材关于探究摩擦力大小的实验存在诸多不足之处,如难使物体匀速运动、读数难准确、器材操作不方便等。文章采用可编程的数字化测力计作为测力工具,利用二力平衡原理,改进小学科学教材中关于摩擦力的两个重要实验。实验装置具有简单、操作容易、测量结果可靠、成本低、功能可拓展性强等特点。

白云母对岩盐断层带摩擦速度依赖性影响的实验研究

为更好地理解层状硅酸盐对断层强度、滑动速度依赖性及地震活动特征的影响,利用双轴摩擦实验对含白云母岩盐断层带在干燥及含水条件下摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构。实验结果表明,干燥条件下含白云母岩盐断层带在0.1～100μm/s的速度范围内表现为黏滑和速度弱化,增大σ2会使断层带从速度弱化向速度强化转化,速度依赖性转换出现在0.1μm/s,其中断层滑动表现为稳滑或应力释放时间较长的黏滑事件;含水条件下含白云母岩盐断层带在0.05～0.01μm/s的速度范围内表现为速度强化,0.1～10μm/s的速度范围内表现为速度弱化,50～100μm/s的速度范围内又转换为速度强化行为。含白云母岩盐断层带在干燥条件下一次黏滑伴随一个或一丛声发射事件,而在含水条件下与稳滑相对应,滑动过程中并未记录到声发射事件。显微结构观察表明,速度弱化域的主要变形机制是岩盐颗粒的脆性破裂和局部化的滑动;干燥条件下,速度强化域的主要变形机制是岩盐颗粒的均匀破裂;含水条件下2个速度强化域对应不同的微观机制,高速域的速度强化受控于岩盐颗粒在白云母相互连结形成的网状结构上的滑动及其均匀碎裂作用,而低速域的速度强化还受岩盐的压溶作用控制。通过与岩盐断层带摩擦实验结果对比可知,白云母的存在对干燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响,而在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定。实验结果为分析含层状硅酸盐断层的强度和稳定性提供了依据。此外,在速度依赖性转换域上观察到的应力缓慢释放的现象进一步证实了在岩盐断层带摩擦滑动过程中观察到的现象,这对慢地震机制研究具有参考意义。

摩擦实验机数据采集系统的研制与实验

基于LabVIEW图形化编程语言设计了多用途摩擦传动实验机实时信号数据采集系统,实现参数设置界面和结果曲线显示界面,包括转速、扭矩、振动和温度等信号的采集和同步显示,摩擦系数、vonMises应力、接触压力和油膜厚度等参数的计算和显示,后台以一定格式实时存储数据。通过试验验证该测试系统各项功能运行良好,能够满足采集基础信号需求,并有效解决摩擦学测试中缺少应力和润滑状态监测的现状,对摩擦学实验数据采集具有较广泛的适应性和应用价值。

一种模拟热成形工况的高温摩擦试验机的设计及探讨

销-盘摩擦试验机是摩擦学领域的标准摩擦实验设备,但是面对热成形过程中的摩擦过程,销-盘摩擦试验机中的往复摩擦引起磨屑在轨道内快速堆积,与热成形实际工况并不一致。提出一种新的高温滑移摩擦试验机设计方案,该方案控制模具钢销在板料滑条上单向长距离滑移,用以实现对连续热成形摩擦过程的模拟。通过分析销-盘摩擦试验机和高温滑移摩擦试验机的实验结果,发现后者的实验过程更接近热成形的实际工况,利于展开对摩擦磨损机制的定性定量分析。

多功能摩擦传动实验机研制与实验研究

针对目前摩擦学实验台接触形式单一、实验范围狭窄及边界条件不统一等问题,设计了一种新型多功能摩擦传动实验机。通过采用两个可在径向载荷作用下作可控相对运动的独立电机驱动主轴,实现多种接触形式的试件装卡,从而在高度统一的边界条件下进行摩擦磨损、传动性能测试及疲劳寿命检测等多种实验。实验结果表明:该实验机可为滑滚接触条件下典型零部件的摩擦与润滑机理研究、传动系统性能检测与动力学分析等提供可靠的实验平台,满足设计要求。

倾斜基底排土场边坡变形破坏底面摩擦模型实验研究

某露天铁矿废弃排土场高134 m,基底为粉质黏土,平均厚度为12.65 m,基底坡度前缓后陡,后部坡度达16°。运用底面摩擦模型实验,研究基底在天然状态和饱水状态下的排土场边坡的变形破坏特征,并对排土场边坡潜在破坏的演化过程和诱因进行了探讨。基底天然状态下排土场边坡整体稳定,仅在下部边坡发生局部破坏。基底饱水排土场边坡沿粉质黏土层发生整体滑动。排土场的潜在破坏模式为滑塌—牵引—推移复合破坏模式,首先是排土场前缘一级边坡失效,沿基底粉质黏土层剪出;然后是边坡前缘侧向支撑力降低导致二级边坡临空面加大,潜在滑面逐渐扩展至二级边坡水平;最后是排土场边坡出现整体滑移,后缘张裂牵引排土场顶部,并沿张拉裂缝下挫至二级边坡,并继续推移下级边坡滑移,最终形成前部鼓胀后缘下挫的稳定状态。