双轴压缩下组合裂纹的动态扩张实验研究

本文运用动态光弹性技术，实验研究了几种与地震孕育构造背景相近的组合裂纹在双轴压缩下的扩展规律，对裂纹扩展路径、稳定性作了分析，并与单轴压缩情况进行了对比，同时还研究了摩擦力对裂纹扩展的影响。通过上述研究，得出了压剪应力场中裂纹稳定扩展等结论。     

断层三维扩展过程的实验研究

实验研究三维断层的形成和扩展对于理解实际断层作用过程具有重要意义．在双轴压缩条件下开展了断层三维扩展过程的实验研究,利用多通道数字化高密度应变观测和基于可见光图像分析的数字散斑相关测量技术对岩石样品应变场的详细结构进行了动态观测和分析,同时利用多通道声发射全波形三维定位系统对样品内部微破裂的发育过程进行了观测．实验结果表明,断层在三维空间的扩展模式与二维明显不同,表现出更复杂的空间展布形态和变形机制．断层的三维扩展过程可以划分为3个基本阶段：第一裂纹扩展阶段——翼裂纹扩展阶段、转换阶段——花瓣裂纹活动阶段和第二裂纹扩展阶段——贝壳断面形成阶段．不同阶段具有不同的主导裂纹扩展方式,并对应不同的变形场和微破裂分布．其中,花瓣裂纹活动阶段在三维断层的发育过程中至关紧要,它是从表面似二维扩展向三维扩展转换的关键,也是三维断层扩展区别于二维断层的核心所在。     

用超小型压力机研究裂纹的稳态与非稳态扩展

本文利用显微镜观察记录了玻璃中预制小裂纹稳态与非稳态扩展的全过程。当对玻璃加载到初始压力P和压缩量u时,停止加载,并观察稳态扩展过程,测量破裂扩展的速度。根据测量结果,发现在预制裂纹稳态扩展时,扩展速度随着时间在增长,而初始压力P和压缩量u却保持不变。但是一旦非稳态扩展出现,初始压力P和压缩量u便突然下降。实验中的应力降和地震中的应力降在数量级上是相同的。最后我们讨论了稳态扩展过程中P和u不变的原因。我们认为:Griffith的破裂准则应用到破裂过程时不是十分完善的,需要作适当的修正。     

受压剪应力作用闭合裂纹的光弹性研究

文中给出了受压剪应力作用闭合裂纹端部应力场的断裂力学解.提出了一种预制闭合裂纹的新方法.对闭合裂纹做了新的光弹性研究.分析了应力强度因子(SIF)及闭合裂纹表面摩擦力的变化.探讨了压剪闭合共线双裂纹之间奇异应力场的相互作用.用有限元法对压剪闭合裂纹SIF所做的计算说明,本文实验结果合理.最后,讨论了本文结果在震源研究中的某些应用.      

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

裂纹系微破裂集结和动态扩展的实验研究

研究了裂纹系的动态破裂,重点考察了裂纹系相互作用.选用大理石、玻璃为实验材料,将其加工成薄板状,并在板内预制各种不同形态的裂纹系,在单轴压下用可见光透视观察裂纹系动态相互作用的破裂过程.实验中发现,岩石的动态破裂过程和玻璃有很大差别,岩石的裂纹系动态相互作用后期是通过微破裂演化来实现的,而在玻璃中观察不到.裂纹系的不均匀应力场分布是破裂演化的初始原因.通过实验,给出大理石材料中各种不同形态裂纹系的动态破裂演化的全场过程图像,直观地揭示了含裂纹系岩石变形破坏的实质.实验显示了不同几何形态的裂纹系的破裂发育过程有明显区别.在微破裂集结时,周围的破裂部分闭合.因此,用二维模型描述的微破裂图像和实际有很大出入.为了消除这个差距,必须研究三维破裂.本文的实验结果表明,裂纹(断层)不能起到阻碍破裂扩展的作月;裂纹(断层)作为障碍体,和预存裂纹之间存在强烈的相互作用,使得样品的强度降低几乎一个量级.讨论了上述结论对于认识地震(包括矿震)断层行为的意义.     

震源区的断层构造与震源应力积累过程关系的实验研究

本实验研究了地壳内对压组合构造和对张组合构造中垂断层蠕滑,破裂错动时对主震断层(底断层)应力积累过程的影响,并结合实际地震活动中的一些现象进行了讨论。所得结论如下: 1.当垂断层蠕滑时,对压组合构造中垂直于底断层的压应力增大,它可以延迟主震发生但增大发震的能量;对张组合构造中垂直于底断层的压应力减小,剪应力略有增大,因而可以促使主震发生。2.如果垂断层某一部分为原来锁住的愈合断层或为完整介质,当其突然破裂错动时,可以使对张组合构造中的底断层的剪应力突然增大,同时压应力减小,因此前震序列中这类垂断层上的较大前震可看作底断层上主震即将来临的信号。3.由垂断层破裂前后单轴压力不变和位移不变的实验结果说明了地壳中主震断层应力集中的过程。4.底断层的主震破裂可以使处于引张状态的垂断层上余震发育甚至发生强余震。本文还应用实验结果对前震活动的条带现象进行了解释,这将有助于判定对压组合构造中主震的断层面。     

非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响

运用岩石破裂过程分析ＲＦＰＡ２Ｄ系统,通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟,研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响．数值模拟再现了受压试样在裂纹扩展过程中逐步演变的应力场和应变场,以及与岩石非均匀性有关的声发射和断裂扩展模式的“岩桥”现象．模拟结果说明,岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响．     

倾斜椭圆形裂纹的三维始裂状态

基于断裂力学理论,采用最大拉应力准则分析了压剪和拉剪应力状态下倾斜椭圆形裂纹的三维始裂状态.研究结果表明:(1)椭圆形裂纹的三维始裂位置受周边应力场的影响:在拉剪状态下,原生裂纹的始裂位置始终在裂纹短轴端部,而与原生裂纹的几何形状(b/a)和材料泊松比(v)无关,而在压剪状态下则受b/a和v的共同影响,并随b/a和v的...     

在围压条件下切口岩石破裂过程的实验研究

本文根据地震的断层说观点在室温、围压600—1,200巴条件下研究了具切口的花岗闪长岩、辉长岩和大理岩试件的破裂发展过程。在连续增加的差应力作用下观测到:切口内部充填的软弱夹层首先发生剪切变形和破裂,接着在切口端部一侧扩展张性裂纹,然后在切口前缘方向扩展剪切裂纹,最后发生贯通试件的剪切和张裂-剪切主破坏。张裂纹扩展长度受到围压的强烈抑制。岩石的切口结构和岩性变化对破裂迹线的空间展布和主破坏机制有重要影响。讨论了实验结果在断层扩展型地震的形成过程及其在预报预测方面的意义