【摘 要】
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断层内流体压力、固结或未固结破碎带的厚度、地应力(如正应力)在发震断层的漫长演化过程中可能会发生变化。为了研究这三个因素对断层滑动特性的影响,本文在三种法向应力条件下,改变裂隙渗流水压的大小和断层泥的充填厚度,突破岩石摩擦滑动和渗流兼容的技术难点和瓶颈,采用自行研制的三轴摩擦-渗流试验系统,对小尺寸玄武岩岩心进行了应力条件下玄武岩裂隙摩擦滑动试验。通过劈裂玄武岩岩心的速度步长(VS)试验和滑动-控
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断层内流体压力、固结或未固结破碎带的厚度、地应力(如正应力)在发震断层的漫长演化过程中可能会发生变化。为了研究这三个因素对断层滑动特性的影响,本文在三种法向应力条件下,改变裂隙渗流水压的大小和断层泥的充填厚度,突破岩石摩擦滑动和渗流兼容的技术难点和瓶颈,采用自行研制的三轴摩擦-渗流试验系统,对小尺寸玄武岩岩心进行了应力条件下玄武岩裂隙摩擦滑动试验。通过劈裂玄武岩岩心的速度步长(VS)试验和滑动-控制-滑动(S-H-S)试验,探索摩擦强度的大小及其速度依赖性和时间依赖性。主要研究内容和成果如下:(1)应力条件下玄武岩裂隙摩擦强度随正应力的增大而降低。通过对滑动前后裂隙面表面形貌分析,表明在有效正应力较低时,裂隙面的摩擦强度主要由粗糙倾角引起的摩擦角或膨胀控制,随着有效正应力的增大,摩擦逐渐以裂隙面上微凸体破坏为主,导致摩擦角逐渐减小,摩擦强度逐渐下降。裂隙的摩擦强度也随渗流水压和充填厚度的增大而降低,光面玄武岩裂隙的摩擦强度大于含动水渗流或充填的裂隙面的摩擦强度。相较于仅充填断层泥的裂隙,动水渗流含充填断层泥的裂隙面其摩擦强度要更低,即水的存在会削弱充填裂隙的摩擦强度。(2)对应力条件下玄武岩裂隙摩擦强度的速度依赖性研究表明:在较低的滑动速度(1μm/s)时,强度-位移曲线出现准静态振荡,随着滑动速度的增大,强度-位移曲线振荡衰减,当滑动速度增大到30μm/s时,曲线趋于相对平稳。同时,随着有效正应力的增大,速度依赖性参数a-b降低,强度-位移曲线存在由相对平稳向加剧振荡的转变,裂隙的摩擦滑动方式由速度强化向速度中性发展。另外,玄武岩裂隙摩擦强度的速度依赖性参数a-b随裂隙渗流水压和裂隙充填厚度的增大而降低,即随着渗流水压和充填厚度的增大,裂隙面的稳定滑动状态被削弱,裂隙面的滑动方式由速度强化向速度中性转变。同时,相较于光面玄武岩裂隙,充填和动水渗流玄武岩裂隙摩擦强度的速度依赖性参数要更低。(3)对应力条件下玄武岩裂隙摩擦强度的时间依赖性研究表明:裂隙的摩擦强度在控制阶段内显著下降,再次滑动后强度逐渐恢复到稳定值。摩擦强度的降低量和愈合量都随控制时长的增加而增加,也都随正应力的增大而减小。同一正应力下控制裂隙面相同的时长,裂隙面滑动速度越大其摩擦强度降低量和愈合量也更大;同时,光面玄武岩裂隙摩擦强度的降低量要高于充填玄武岩裂隙摩擦强度的降低量,光面裂隙相较充填裂隙具有更高的摩擦强度愈合值和愈合率,这也表明光面裂隙在控制阶段比充填裂隙稳定性更强。
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