干模式下顆粒粘滑震動(dòng)試驗(yàn)研究

崔德山 ，陳 瓊 ，項(xiàng) 偉 ,，劉清秉 ，王菁莪 ，黃 偉

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074）

斷層的滑動(dòng)方式有兩種，一種是穩(wěn)定滑動(dòng)，即滑動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有應(yīng)力突降，將這種平穩(wěn)、緩慢的運(yùn)動(dòng)稱為蠕滑；另一種是不穩(wěn)定滑動(dòng)，即滑動(dòng)過(guò)程中伴有周期性的應(yīng)力突降，將產(chǎn)生快速應(yīng)力降的運(yùn)動(dòng)稱為粘滑[1]. 根據(jù)斷層物質(zhì)是否包含流體，可將粘滑分為濕模式和干模式[2]. 當(dāng)斷層沿著斷層面相對(duì)于另一盤產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在摩擦力小于運(yùn)動(dòng)力時(shí)，斷層表現(xiàn)為蠕滑運(yùn)動(dòng)；當(dāng)摩擦力大于運(yùn)動(dòng)力時(shí)，斷層就會(huì)閉鎖，引起應(yīng)力集中；當(dāng)閉鎖段破裂時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生伴有強(qiáng)震發(fā)生的粘滑運(yùn)動(dòng)，為不可逆耗散能與可釋放應(yīng)變能共同作用的結(jié)果[3]，一次粘滑震動(dòng)可以定義為一個(gè)地震循環(huán)[4]. 粘滑作為淺源地震的誘發(fā)機(jī)制已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣為研究[5-8].

研究表明，在花崗巖斷層帶內(nèi)會(huì)形成破碎顆粒物質(zhì)，如圣安德烈亞斯斷層帶中包含粒徑在40～200 000 mm的顆粒[9]. 近年來(lái)，利用斷層產(chǎn)物以及其中的顆粒運(yùn)動(dòng)特征來(lái)研究斷層活動(dòng)，特別是斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，已引起重視，于是國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用均質(zhì)顆粒材料來(lái)研究活斷層的粘滑機(jī)理[10-11]. 國(guó)際上Doanh等[12]采用三軸試驗(yàn)儀，研究均質(zhì)飽和玻璃珠在不排水條件下粘滑運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出當(dāng)粘滑發(fā)生時(shí)，體變會(huì)突然收縮，隨著應(yīng)變速率的增加，粘滑振幅減?。籎ohnson等[13]采用自制的直剪儀進(jìn)行顆粒材料的粘滑試驗(yàn)，觀察在發(fā)生粘滑震動(dòng)時(shí)的聲發(fā)射規(guī)律，從而來(lái)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)；Leeman等[14]采用直剪儀研究在剪切過(guò)程中，顆粒產(chǎn)生電磁信號(hào)，可以通過(guò)該信號(hào)來(lái)進(jìn)行大地震前的預(yù)警；Elkholy等[15]采用環(huán)剪來(lái)研究在較低剪切速率下，剪切盤中間顆粒材料由于粘滑產(chǎn)生的體變特征. 但是國(guó)內(nèi)在研究顆粒材料粘滑震動(dòng)方面才剛剛起步，張徐等[16]揭示了碎石道砟受壓力學(xué)行為與破碎機(jī)理，認(rèn)為當(dāng)?shù)理膬?nèi)部部分應(yīng)力超過(guò)黏結(jié)強(qiáng)度，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致道砟整體破壞，載荷瞬間減小至0. 從1966年Brace等[17]提出粘滑可能是淺源地震的形成機(jī)理以來(lái)，顆粒材料粘滑震動(dòng)機(jī)制研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注. 目前，粘滑震動(dòng)的研究還有許多問(wèn)題，如顆粒材料粘滑震動(dòng)發(fā)生的條件、壓力和滑動(dòng)速率對(duì)粘滑震動(dòng)和應(yīng)力降的影響、接觸面的性質(zhì)對(duì)粘滑震動(dòng)的影響等[18-19]，到目前還沒(méi)有完全解決.

通常認(rèn)為斷層帶中的顆粒所受到的壓力高達(dá)幾個(gè)兆帕，但Brune等[20]通過(guò)對(duì)斷層帶開(kāi)挖探槽，發(fā)現(xiàn)某些斷層帶內(nèi)的剪應(yīng)力并不大. 為了研究在不同的圍壓條件下（本文采用的最高圍壓為600 kPa，而Doanh等[12]采用的最高圍壓為400 kPa），在較低的剪切速率下（本文采用的最低軸向應(yīng)變速率為0.02 mm/min，而Adjemian和Doanh等[4,12]采用的最低軸向應(yīng)變速率為0.2 mm/min和0.083 mm/min），在較高的數(shù)據(jù)采集頻率下（本文采樣時(shí)間間隔為1 s，局部為0.25 s，而Adjemian等[4]數(shù)據(jù)記錄間隔為3 s）顆粒材料的粘滑震動(dòng)特征與機(jī)理，本文采用法國(guó)CVP公司生產(chǎn)的顆粒直徑為0.6～0.8 mm的玻璃珠（soda lime glass beads），在圍壓為30、60、100、200、400 kPa和600 kPa的條件下，開(kāi)展干燥、密實(shí)玻璃珠的固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn). 得出不同圍壓條件下，試樣的粘滑震動(dòng)幅值、間距，及其與實(shí)際地震過(guò)程中前震、主震和余震的劃分. 探討了不同圍壓條件下，第1次粘滑震動(dòng)出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力、體變、圍壓與軸向應(yīng)變的關(guān)系，應(yīng)力突降與體變、圍壓的關(guān)系. 通過(guò)在顯微鏡下對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)前后玻璃珠表面的觀察，得出干模式下玻璃珠類顆粒材料發(fā)生粘滑震動(dòng)的微觀機(jī)理與應(yīng)力鏈破壞模式，為研究淺源地震的誘發(fā)機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本次試驗(yàn)在奧地利維也納農(nóng)業(yè)大學(xué)（BOKU）巖土工程研究所開(kāi)展，所采用試驗(yàn)儀器為德國(guó)Wille-Geotechnik公司生產(chǎn)的靜三軸儀，如圖1所示. 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、控制采集系統(tǒng)和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)組成.操作軟件為GEOsys，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和編程自動(dòng)操作2種方式. 控制采集系統(tǒng)可以進(jìn)行內(nèi)室圍壓和體積測(cè)量、外室圍壓測(cè)量、試樣底部孔隙水壓力和體積測(cè)量、試樣頂部壓力測(cè)量及其產(chǎn)生的孔隙水壓力測(cè)量. 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)由可升降的底座（可對(duì)試樣進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變控制）、壓力腔、軸壓和軸向位移傳感器等組成，但該系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量發(fā)生粘滑震動(dòng)時(shí)的軸向突變位移，所以論文中并未討論顆粒材料發(fā)生粘滑震動(dòng)時(shí)，粘滑位移的大小.

圖1 Wille-Geotechnik靜三軸儀Fig.1 Triaxial testing system of Wille-Geotechnik

試樣的主要礦物成分為SiO2、Na2O、CaO和MgO.玻璃珠磨圓度較好，屬于粒徑比較單一的均勻顆粒，顆粒的粒徑分布和SEM圖見(jiàn)文獻(xiàn)[11]. 根據(jù)ASTM（D4254-14）標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)采用漏斗法將玻璃珠制成直徑為50 mm，高為100 mm的三軸試樣，如圖2所示. 為了保證制成一致的試樣，控制干密度為1.57 g/cm3，孔隙比為0.58. 為了使干燥、密實(shí)玻璃珠圓柱試樣自重條件下在橡皮膜（0.3 mm厚）中能夠自穩(wěn)，對(duì)試樣施加約20 kPa的負(fù)壓力. 將試樣安裝在三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上，接好圍壓、軸壓和軸向位移傳感器. 然后向內(nèi)室和外室分別注滿脫氣水，以1 kPa/s的速度對(duì)試樣施加20 kPa的圍壓，同時(shí)緩慢打開(kāi)孔隙水壓力閥，卸掉真空壓力，使空氣緩慢從排氣閥進(jìn)入三軸試樣，當(dāng)三軸試樣內(nèi)的空氣壓力與大氣壓力相等時(shí)，關(guān)閉排氣閥，從而保證試樣的直徑和高度幾乎不變. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件為Wille公司開(kāi)發(fā)的GEOsys 8.7.8，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 s，為了觀察應(yīng)力應(yīng)變曲線中粘滑震動(dòng)時(shí)間效應(yīng)，局部采樣間隔設(shè)置為儀器最小采樣時(shí)間間隔0.25 s.

圖2 玻璃珠三軸試樣Fig.2 Experimental setup of glass beads

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘滑震動(dòng)過(guò)程中偏應(yīng)力變化特征

因?yàn)檎郴饎?dòng)與顆粒材料的大小和應(yīng)變速率密切相關(guān)，在其他條件相同的情況下，應(yīng)變速率越大，粘滑震動(dòng)幅度越小. 為了能夠更清楚地觀察到玻璃珠的粘滑震動(dòng)現(xiàn)象，本次三軸試驗(yàn)采用應(yīng)變式控制方式，軸向應(yīng)變速率控制在0.02 mm/min. 通過(guò)試樣頂部的軸向壓力傳感器采集試樣的軸向壓力. 試樣安裝完畢后，設(shè)置相同的初始軸壓和圍壓進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行加載. 本次試驗(yàn)采用偏應(yīng)力q進(jìn)行應(yīng)力分析，其值為軸向壓力σa與圍壓σc的差值，q = σa-σc.

試樣在 30、60、100、200、400 kPa和 600 kPa圍壓下的偏應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系如圖3所示. 第1次出現(xiàn)粘滑震動(dòng)的應(yīng)變?yōu)閟first，最大偏應(yīng)力為qmax，最小偏應(yīng)力為qmin. 可見(jiàn)，與普通砂做出的平滑應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，粒徑比較單一的顆粒應(yīng)力-應(yīng)變曲線展現(xiàn)出頻繁的粘滑震動(dòng)，偏應(yīng)力突然下降是由于剛度較高的玻璃珠粘滑震動(dòng)造成的. 表1統(tǒng)計(jì)了不同圍壓條件下，偏應(yīng)力的最大值，并計(jì)算了其內(nèi)摩擦角.

圖3 不同圍壓下玻璃珠偏應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Deviatoric stress versus axial strain under different cell pressures

表1 不同圍壓條件下試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度和摩擦角Tab.1 Peak strengths and friction angles of glass beads under different cell pressures

從圖3可見(jiàn)：在30 kPa和60 kPa的圍壓下，除了應(yīng)力-應(yīng)變曲線中線性增加階段外，偏應(yīng)力的突然滑動(dòng)相當(dāng)頻繁，基本無(wú)規(guī)律可尋；由于圍壓不同，第1 次出現(xiàn)粘滑震動(dòng)的應(yīng)變（sfirst）也不一樣（表 2）. 在30 kPa和60 kPa的圍壓條件下，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到1.17%～1.33%，軸向位移相當(dāng)于顆粒平均直徑（0.7 mm）的1.6～2.0倍時(shí)，發(fā)生第1次粘滑震動(dòng)，第1次粘滑震動(dòng)的降幅較小，只能達(dá)到圍壓的3.93%～5.03%.當(dāng)圍壓在100、200、400 kPa和600 kPa時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到0.67%～0.87%，軸向位移相當(dāng)于顆粒直徑范圍（0.6～0.8 mm）時(shí)，才發(fā)生第1次粘滑震動(dòng). 而這時(shí)，第1次的粘滑震動(dòng)產(chǎn)生的降幅已經(jīng)較大，可以達(dá)到圍壓的38.72%～96.42%.第1次應(yīng)力釋放發(fā)生粘滑不僅與壓力有關(guān)，而且與顆粒的平均直徑密切相關(guān).

表2 不同圍壓下第1次出現(xiàn)粘滑震動(dòng)的應(yīng)變與偏應(yīng)力降幅Tab.2 Deviator drop and strain of the first stick-slip

一次伴隨著較大聲響的粘滑被認(rèn)為是一次實(shí)驗(yàn)室地震[18]. 如果借用地震的分類來(lái)說(shuō)明應(yīng)力-應(yīng)變曲線中滑動(dòng)震動(dòng)的情況，將每一次大的滑動(dòng)震動(dòng)定義為主震（II），其前的微小滑動(dòng)震動(dòng)定義為前震（I），其后的微小滑動(dòng)震動(dòng)定義為余震（III），如圖4（a）所示，主震應(yīng)力的降幅定義為Δq，2個(gè)主震之間的應(yīng)變間隔定義為Δε，如圖4（b）所示. 從圖3可以看出，在30 kPa和60 kPa的圍壓條件下，在偏應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，由于粘滑現(xiàn)象較多且振幅相差不大，前震和主震難以區(qū)分，而在偏應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，前震和主震的區(qū)別才變得越來(lái)越明顯. 粘滑震動(dòng)在30 kPa和60 kPa下發(fā)生于剪切破壞面形成之后.當(dāng)圍壓在100、200、400 kPa和600 kPa時(shí)，在偏應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，前震和主震已經(jīng)很好區(qū)分，其應(yīng)力降幅數(shù)值差別較大. 粘滑是大震前震源體直接傳播出來(lái)的孕震過(guò)程的主要信息[20].

圖5統(tǒng)計(jì)了不同圍壓條件下，主震最大偏應(yīng)力降幅變化趨勢(shì)，隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力最大降幅呈線性增長(zhǎng)，說(shuō)明主震振幅與圍壓相關(guān). 圖6為不同圍壓條件下，最大主震與下一主震的應(yīng)變間隔，當(dāng)圍壓小于200 kPa時(shí)，變化規(guī)律不明顯，但是當(dāng)圍壓大于200 kPa以后，應(yīng)變間隔也在線性增長(zhǎng). 但這并不表示隨著圍壓的增大，主震應(yīng)變間隔會(huì)無(wú)限增大，比如在圍壓為400 kPa和600 kPa時(shí)，0～15%的軸向應(yīng)變內(nèi)發(fā)生主震的次數(shù)均為14次，說(shuō)明當(dāng)圍壓增大到一定程度后，在相同的滑移范圍內(nèi)，發(fā)生主震的頻率相似. 由于儀器圍壓最大允許值的限制，本文只進(jìn)行到了600 kPa，當(dāng)圍壓大于600 kPa以后，主震應(yīng)變間隔需要進(jìn)一步研究.

2.2 粘滑震動(dòng)過(guò)程中試樣體變特征

圖7為試樣在固結(jié)不排水三軸壓縮條件下的體積應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系（以600 kPa為例）.可以看出，在圍壓為100 kPa和600 kPa條件下進(jìn)行固結(jié)后，對(duì)試樣進(jìn)行加載時(shí)，試樣會(huì)在開(kāi)始軸向小應(yīng)變階段（0.069%～0.210%）有小小的壓縮，達(dá)到最小體變點(diǎn)，體變初始轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的應(yīng)變范圍在-0.024～-0.140（表3），然后體變開(kāi)始增加，這是因?yàn)榻?jīng)歷了固結(jié)階段，但是試樣中還是有可壓縮的孔隙. 除了起始的體變轉(zhuǎn)折點(diǎn)外，體變-軸向應(yīng)變曲線中鋸齒狀的突變均與粘滑震動(dòng)點(diǎn)（slip點(diǎn)）相對(duì)應(yīng).

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線中前震、主震和余震Fig.4 Foreshock，main shock，and aftershock in stress-strain graph

圖5 偏應(yīng)力最大降幅與圍壓的關(guān)系Fig.5 Maximum deviator drop versus cell pressure

圖8 為偏應(yīng)力突降與體變突降的關(guān)系，可以看出在應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線中，偏應(yīng)力降低后，立即轉(zhuǎn)入粘著階段，偏應(yīng)力逐漸增加. 但在體變-軸向應(yīng)變曲線中，可以明顯地觀察到，試樣在體積突然壓縮后，并沒(méi)有立即進(jìn)入膨脹階段. 圖8中虛線為滑動(dòng)震動(dòng)結(jié)束時(shí)，體變突然縮小的界線. 隨著偏應(yīng)力增加，體變還會(huì)繼續(xù)減小到最低點(diǎn)εvmin，然后才會(huì)隨著偏應(yīng)力的增加而增加. 從而證明了一次突發(fā)應(yīng)力降對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)滑動(dòng)過(guò)程是由多次更短暫的微小錯(cuò)動(dòng)組成[21].

圖6 偏應(yīng)力降幅應(yīng)變間隔與圍壓的關(guān)系Fig.6 Interval time of strain between deviator drop versus cell pressure

圖7 玻璃珠體變與軸向應(yīng)變關(guān)系（σc = 600 kPa）Fig.7 Volumetric strain versus axial strain（σc = 600 kPa）

表3 不同圍壓下試樣由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹的應(yīng)變點(diǎn)Tab.3 Volumetric strain turning point of glass beads under different cell pressures %

圖8 偏應(yīng)力突降與體變突降的關(guān)系（σc = 400 kPa）Fig.8 Abrupt deviator drop versus abrupt volumetric strain drop

圖9 表明，體變最大降幅、偏應(yīng)力最大降幅隨著圍壓的增加而增大，并且每一次偏應(yīng)力最大降幅均對(duì)應(yīng)著最大體變，變化一致性較好.

圖9 體變最大降幅、偏應(yīng)力最大降幅與不同圍壓的關(guān)系Fig.9 Maximum volumetric strain drop and maximum deviator drop versus cell pressure

2.3 粘滑震動(dòng)過(guò)程中試樣圍壓變化特征

圖10 為試樣在固結(jié)不排水三軸壓縮條件下的圍壓σc與軸向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系（以100 kPa和600 kPa為例）. 可以看出，在圍壓為 100 kPa時(shí)（圖 10（a）），圍壓隨著應(yīng)變的增加，會(huì)出現(xiàn)非常窄而尖的波峰和波谷，這說(shuō)明在三軸壓縮過(guò)程中，試樣不僅出現(xiàn)了突然的軸向應(yīng)力釋放，而且試樣的體積會(huì)產(chǎn)生突然的壓縮和突然的膨脹.

圖10 試樣圍壓與應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Cell pressure versus axial strain

圖11（a）表明：當(dāng)圍壓為100 kPa時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力突然釋放，這時(shí)體變和圍壓會(huì)突然減小；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到4.51%時(shí)，體變突然增加，圍壓也突然增加，而這時(shí)的偏應(yīng)力在逐漸增加，并沒(méi)有明顯的應(yīng)力突變. 由此可以得出，對(duì)于顆粒材料粘滑震動(dòng)，即使偏應(yīng)力沒(méi)有突然變化，其體積也有可能發(fā)生突變. 在低圍壓條件下，顆粒材料體積滑動(dòng)震動(dòng)并不一定都是由于軸向偏應(yīng)力釋放造成的.

在圍壓為 600 kPa時(shí)（圖 10（b）），圍壓隨著應(yīng)變的增加，只出現(xiàn)非常窄而尖的波谷，而沒(méi)有波峰.這說(shuō)明在三軸壓縮過(guò)程中，試樣只出現(xiàn)了突然的應(yīng)力降低，突然的體積收縮，而并沒(méi)有突然的體積膨脹. 如圖11（b）所示，當(dāng)圍壓為400 kPa時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)突然的釋放，這時(shí)體變和圍壓會(huì)突然減小. 除此之外，體變和圍壓并沒(méi)有明顯的突變. 當(dāng)應(yīng)變達(dá)到5.57%、5.73%和5.78%時(shí)，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線出現(xiàn)了3次明顯的前震，而這時(shí)體變和圍壓并沒(méi)有明顯的突變. 由此可見(jiàn)，對(duì)于顆粒材料粘滑震動(dòng)，即使偏應(yīng)力發(fā)生突然變化，其體積也不一定會(huì)發(fā)生突然變化，在較高圍壓條件下，顆粒材料軸向偏應(yīng)力滑動(dòng)震動(dòng)并不一定會(huì)引起材料的體變.

圖11 偏應(yīng)力、體變、圍壓與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖Fig.11 Deviatoric stress，volumetric strain，and cell pressure versus axial strain

2.4 粘滑震動(dòng)過(guò)程中試樣表面變化特征

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的剪切速率下，隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力、偏應(yīng)力降幅、主震應(yīng)變間距、體變等均增大. 從微觀的角度來(lái)講，隨著圍壓的增大，顆粒和顆粒之間的接觸面積越大[22-24]，其作用的結(jié)果是顆粒之間的靜摩擦、滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦增大. 為了觀察顆粒之間的摩擦作用結(jié)果，我們將試驗(yàn)前后的顆粒放在顯微鏡下觀察，如圖12所示. 圖12（a）為0.6～0.8 mm的顆粒在試驗(yàn)前的表面形態(tài)，比較光滑，顆粒能均勻反射其頂面8顆LED燈所發(fā)出的光. 圖12（b）為顆粒在試驗(yàn)后的表面形態(tài)，紅色圈出的表示有明顯的劃痕和撞擊坑.

圖12 三軸試驗(yàn)前后玻璃珠表面特征Fig.12 Surface characteristics of glass beads before and after triaxial test

像玻璃珠類的顆粒材料產(chǎn)生粘滑運(yùn)動(dòng)的機(jī)理是由顆粒之間應(yīng)力鏈（受到外力作用時(shí)，顆粒之間的應(yīng)力分布在空間上呈現(xiàn)出不均勻的鏈狀結(jié)構(gòu)）的連續(xù)變形和破壞引起的，如圖13所示. 假設(shè)圖13（a）為斷層內(nèi)顆粒的一部分，當(dāng)對(duì)其施加軸向應(yīng)力P后，顆粒將重新排列，調(diào)整相對(duì)位置形成應(yīng)力鏈，與此同時(shí)，體積會(huì)壓縮，如圖13（b）所示. 隨著應(yīng)力的不斷增加，在達(dá)到主震之前，顆粒接觸形成的應(yīng)力表現(xiàn)出彈塑性的特征（圖3），并且應(yīng)力鏈中的顆粒處于靜摩擦狀態(tài)，使顆粒在宏觀上表現(xiàn)出膨脹（圖13（c））.隨著應(yīng)力逐漸接近主震極限值，靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力，滾動(dòng)著的顆粒找到最小應(yīng)力平衡點(diǎn)，這時(shí)，整個(gè)顆粒體表現(xiàn)出偏應(yīng)力突降（圖13（d））. 當(dāng)發(fā)生滑動(dòng)之后，顆粒體積突然收縮，使顆粒受到的壓力驟降. 當(dāng)壓力在短暫時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到初始水平后，在外力的作用下，顆粒體中又開(kāi)始出現(xiàn)新的應(yīng)力鏈，新的應(yīng)力鏈在下一個(gè)主震發(fā)生時(shí)，又將破壞，如此周而復(fù)始，地震不斷發(fā)生.

圖13 顆粒材料中應(yīng)力鏈破壞過(guò)程Fig.13 Schematic of cracking process of force chain during granular shear

3 結(jié) 論

通過(guò)分析粘滑震動(dòng)特征來(lái)解釋淺源地震誘發(fā)機(jī)制已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，本文采用玻璃珠材料模擬斷層帶中的顆粒，研究不同壓力條件下其粘滑震動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

（1） 對(duì)于固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)軸向應(yīng)變速率一定時(shí)（0.02 mm/min），干燥玻璃珠材料表現(xiàn)出粘滑震動(dòng)的特性，且隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力降幅亦增大. 說(shuō)明斷層帶內(nèi)顆粒受擠壓越強(qiáng)烈，粘滑應(yīng)力釋放越大.

（2） 在30 kPa和60 kPa圍壓條件下，偏應(yīng)力的突然滑動(dòng)相當(dāng)頻繁. 在100、200、400 kPa和600 kPa圍壓條件下，第1次出現(xiàn)偏應(yīng)力突降是在偏應(yīng)力達(dá)到峰值之前，達(dá)到峰值后偏應(yīng)力突降仍比較頻繁，此時(shí)塑性破壞逐漸增大. 說(shuō)明隨著斷層帶內(nèi)壓力增加，可表現(xiàn)出前震-主震-余震型地震.

（3） 對(duì)于玻璃珠類顆粒材料，體變?cè)谧畛醯妮S向應(yīng)變階段會(huì)減小，表明試樣受壓固結(jié). 之后，體變會(huì)隨著應(yīng)力的突降而驟然減小（主震條件下）. 而在前震情況下，顆粒的體變似乎并未發(fā)生明顯的改變. 說(shuō)明粘滑震動(dòng)發(fā)生時(shí)，斷層帶內(nèi)的顆粒體積瞬時(shí)減小.

（4） 在30 kPa和60 kPa圍壓條件下，隨著軸向應(yīng)變的增加，圍壓會(huì)同時(shí)出現(xiàn)窄而尖的波峰和波谷，這與顆粒材料的體變密切相關(guān). 在100、200、400 kPa和600 kPa圍壓條件下，圍壓只會(huì)出現(xiàn)窄而尖的波谷，說(shuō)明隨著斷層帶內(nèi)顆粒受到壓力的增大，顆粒材料的體積會(huì)突然壓密.

（5） 通過(guò)對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)前后顆粒表面的觀察，說(shuō)明顆粒材料在發(fā)生粘滑震動(dòng)過(guò)程，顆粒之間既有靜摩擦也有轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，顆粒之間應(yīng)力鏈的連續(xù)變形和破壞是引起粘滑震動(dòng)的根本原因.