PMMA材料粘滑剪切破坏机理的实验研究

发布时间：2020-10-24 17:08

　　 粘滑失稳机理的研究对于浅缘地震的发生机制以及工程实践和科学研究中很多其他与粘滑有关的力学问题的理解具有重大意义。本文重点针对粘滑动态过程中的粘滞阶段和滑动阶段这两个阶段展开研究工作,通过PMMA材料预制断层摩擦面,利用特定的粘滑实验系统,采用多通道高频采集系统来实现对粘滑动态过程的实时捕捉,高速记录的剪应力和滑移位移清楚地表明了粘滑破坏的成核及传播过程和局部破坏时的滑移弱化过程。通过粘滑过程中沿断层面应力场、位移场的演化规律,描述了Ⅱ型破裂条件下粘滑的失稳机制:启裂于成核区的破裂,再向外扩展,最终贯穿断层摩擦面从而发生失稳。从成核区破裂开始,破裂速度有一个明显的加速过程,最终破裂速度加速至剪切波速水平或者超过剪切波速。当裂纹破裂长度超过临界裂纹长度时,动态破裂开始。依据临界破裂长度,将断层划分为成核区与动态破裂区。裂纹尖端附近的局部破裂过程是一个滑移弱化的过程,利用剪应力、滑移位移、滑移速度、滑移加速度之间的相互关系,揭露了裂纹尖端附近的局部破裂过程的动态特征,建立了成核位置附近与动态破裂区的局部破裂本构模型。此外,预制断层面粗糙度不同的三组试件组(试件组Ⅰ,最大静摩擦系数1(28)0.50s?;试件组Ⅱ,最大静摩擦系数2(28)0.38s?;试件组Ⅲ,最大静摩擦系数3(28)0.31s?),分别作用2MPa-4MPa的轴压,研究了正应力、断层粗糙度对粘滑剪切破坏特征的影响。试验结果表明:(1)大多数情况下,随着轴压的增加,临界裂纹长度越小,裂纹尖端传播速度加速过程更短,加速更快,更快进入稳定破裂阶段,能达到的终端速度也更大;断层面越光滑(s?越小),临界裂纹长度也越小,裂纹加速到动态破裂区段的过程越短,加速越快,且稳定破裂时的终端速度越大。(2)滑移弱化的过程中出现的局部应力降可以分为两种:局部动态应力降(0(35)(28)-d r???)和局部破坏应力降((35)(28)-b p r???)。轴压越大,局部动态应力降和局部破坏应力越大;断层面越光滑,局部动态应力降和局部破坏应力降越大。(3)轴压不影响局部破坏过程中的临界滑移弱化位移;而断层面越光滑,临界滑移弱化位移越小。(4)局部断裂能随着轴压的增加而增加,而断层面越光滑,断裂能越小。本文的主要创新点:(1)针对粘滑孕育过程局部各位置变形小、相对位移小的特点,采用金属应变片斜跨两试块的方式测量相对位移。(2)大尺寸的试件,由于记录距离远及受影响的因素较多,对于粘滑孕育成核及传播过程缺乏分辨率。本文利用小尺寸的PMMA材料试件,捕捉到了粘滑过程中由成核到动态破裂的全过程,并揭露了裂纹尖端附近的局部破裂过程的动态特征,成核位置附近与动态破裂区均有四个明显不同的阶段,建立了成核位置附近与动态破裂区的局部破裂本构模型。(3)选取断层面粗糙度不同的三组PMMA试件组,分别作用在不同的轴压下,系统性研究了轴压、断层粗糙度对粘滑过程的影响,并首次研究了轴压、断层粗糙度对粘滑剪切破坏过程中裂纹尖端扩展加速过程、局部破坏应力降和临界裂纹长度的影响,研究了最大静摩擦系数与粘滑相关参数间的函数关系。(4)本文假定裂纹尖端破裂速度开始加速至瑞利波速或者剪切波速水平(本实验中取为1000m/s~1500m/s)意味着动态破裂的开始,以此来划分成核区与动态破裂区,并通过临界裂纹长度的计算结果表明,依据破裂速度来判断成核区与动态破裂区在本实验精度条件下是合理的。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P315.8
【部分图文】：

景 12 日发生在四川汶川的 Ms 8.0 级大地震带来了失，诸如此类大地震的发生对人类社会造成了灾是当前对人类社会威胁最大，造成的损失也最大种危害巨大的自然灾害，当然会引起众多学者对，旨在得到一种有效的预测办法，对地震进行震带来的危害。的基本组成形式，断层的突然错动产生了地震。荷载作用下断层破裂（错动）的动态传播，因此关重要的作用[3]。一般来说，我们认为断层面之两种形式：一种是缓慢平稳地滑动，称这种稳态是断层突然摩擦滑动，之后锁住，然后又开始滑的滑动为粘滑[4]。Byelee和 Brace[5]于 1966 年提出因是断层面间的粘滑运动。很多研究也表明[5~8]粘滑过程中能量释放区更大，因此，破坏性更大

依赖的摩擦本构关系（“Rate and State” laws）。两接触面在均匀剪力 作用下以速率0v 稳定滑动，依赖于滑移速度和摩擦面的演变特性（，剪切强度的变化凸显了滑移速率和状态关系模型[34,36]。从 PMMA[37]等脆性材料到粒状材料[38]很大一个材料范围，这类模型成功地为其提括。这些规律准确地描述了记忆效应对滑动速率和正应力变化的响应[ 了 摩 擦 由 静 止 到 运 动 状 态 的 一 个 逐 渐 变 化 过 程 ， 有 效 取ntons–Coulomb 中原有的从静态“立即”转为动态摩擦描述。滑移速率和状态关系模型中，摩擦运动仍视为两个无限刚体之间的并不考虑沿分离面上的空间自由度。摩擦界面通过微接触而牵制住，触点破裂之前不会发生相对运动。如图 1.3 所示，在材料内部，一般认可能的断裂模式[43]。在摩擦界面处，粘合强度要低于材料强度，摩擦在于沿着摩擦面的微接触点破裂的破裂贯穿，结合结构受力特性，摩制类似于Ⅱ型破裂[26]。最近的实验[44~48]也已经证明利用 Crack-like 模现在摩擦不稳定性的开始阶段的触点破裂机制再到滑动的过渡状态具价值。

2 PMMA 材料粘滑摩擦实验总体设计摩擦动态过程具有变形小和速度快的特点，常规的静态或者动一般在 10ks/s 以下，对粘滑摩擦过程中应力波的动态捕捉精现出粘滑过程中应力波的变化特征。为了研究粘滑摩擦动态过道高频应变采集系统（采样率 100ks/s）来对粘滑动态过程进实验系统及实验手段进行介绍。验对象验采用聚甲基丙烯酸甲酯（简称 PMMA，俗称有机玻璃）作MA 试件。参照相关文献，拟采用直剪模型进行实验，由上 形 试 件 构 成 ， 上 方 块 尺 寸 ： 200×120×10mm ； 下 方10mm。试件布置如图 2.1 所示。
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本文编号：2854746