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Large-scale Biaxial Friction Experiments Using a NIED Large-scale Shaking Table: Design of Apparatus and Preliminary Results

机译:使用NIED大型振动台进行的大规模双轴摩擦实验:设备设计和初步结果

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摘要

To investigate the scale dependency of friction and the characteristics of dynamic rupture propagation, we developed a large-scale biaxial friction apparatus using the large-scale shaking table (15 m×14.5 m) at the National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention in Japan. We carried out a series of large-scale friction experiments using this apparatus in the spring of 2012. In the apparatus, the actuators of the shaking table were used as the engine of the constant speed loading force applied to a pair of specimens made of Indian gabbro. A1.5-m-long quadrangular prismatic specimen overlaid on a 2-m specimen was used. Their height and width were 0.5 m. The lower 2-m-long specimen moves with the shaking table and the upper 1.5-m-long specimen is fixed to the basement of the shaking table by a reaction force bar. The shaking table can generate a maximum displacement of 0.4 m with a velocity ranging between 0.025 mm/s and 1m/s. Before the series of experiments, the sliding surface was flattened with less than 0.01 mm undulation using a large-scale surface grinder. However, the surface roughness evolved with the subsequent experiments. Normal stress was applied up to1.3 MPa. The stiffness of this apparatus was measured experimentally and was of the order of 0.1GN/m. We measured the coefficients of friction under a constant loading velocity between 0.025 and 100 mm/s. The coefficient of friction was about 0.75 under the normal stress between 0.13 and1.3 MPa for the loading velocity of 0.1mm/s and1mm/s. As the loading velocity increased, the coefficient of friction decreased. The obtained coefficient of mction was consistent with those obtained by previous studies using smaller specimens. We then monitored the stick-slip events by observing the shear stress change evolution measured by strain gauges as well as by the high-frequency wave emission measured by piezoelectric transducers. These sensors were attached at the edge of the slipping area. We found that there were many stick-slip events that nucleated inside the sliding surface but did not reach the edge of the sliding surface until the termination of slip. The locations of these high-frequency events correspond to the place where the slip was nucleated. We found that these locations were on the edge of the grooved surfaces that were created in the previous experiments.%岩石摩擦のサイズ依存性と破壊伝播の詳細を調べるため,大型二軸摩擦試験機を開発し,2012年の 春に,防災科学技術研究所所有の大型振動台(テーブルサイズ15 m ×14.5 m)を用いて,大型摩擦実 験を行った.この実験においては,振動台の起震機を利用して岩石試料間に一定の食い違い速度を与 えた.岩石試料は,インド産斑糲岩を用い,長さ1.5 mの四角柱試料を長さ2 mの試料に重ねて実験に 用いた.各試料の高さと幅はそれぞれ0.5 mである.下側試料は振動台に固定されており,振動台とと もに動く.上側試料は反カバーを介して振動台基礎と接続されている.振動台は,最大変位0.4 m, 0.025 mm/sから1m/sの速度を出す事ができる.実験に先立って,岩石試料のすべり面は,大型研削盤を用 いて凹凸が0.01 mm以下になるように整形した.しかしながら,実験回数を重ねるに従い,すべり面 の荒さは進化していった.垂直応力は,1.3 MPaまでかけて実験を行った.試験機の強度を実験中に測 定を行い,0.1GN/mであった.スティックスリップが顕著に発生しない0.1mm/s-1 mm/sの載荷速度 における摩擦係数を測定したところ,法線応力が0.13〜1.3 MPaの間において,約0.75であり,この 値は,小さいサイズの岩石試料を用いた実験で得られた値とほぼ一致する値であった.さらに,ステイツ クスリップイベントの破壊伝播をひずみゲージアレイを用いて調べ,破壊がすべり面中央部から始ま り岩石試料の両端に達しないイベントが多数発生している事がわかった.これらのイベントは,すべ り面が摩耗してできた溝の端から始まっている事がわかった.
机译:为了研究摩擦的尺度依赖性和动态破裂传播的特性,我们在美国国家地球科学与灾难预防研究所开发了一种使用大型振动台(15 m×14.5 m)的大型双轴摩擦装置。日本。我们在2012年春季使用此设备进行了一系列的大型摩擦实验。在设备中,振动台的执行器被用作恒速加载力的引擎,该力施加于一对印度制造的样品上长袍使用覆盖在2 m标本上的1.5 m长的四边形棱柱标本。它们的高度和宽度为0.5 m。下部2米长的样品随振动台移动,而上部1.5米长的样品通过反作用力杆固定在振动台的基座上。振动台可产生0.4 m的最大位移,速度范围介于0.025 mm / s和1m / s之间。在进行一系列实验之前,使用大型平面磨床以小于0.01 mm的起伏将滑动表面弄平。然而,表面粗糙度随着随后的实验而发展。施加正应力至1.3 MPa。该装置的刚度是通过实验测量的,约为0.1GN / m。我们在0.025和100 mm / s之间的恒定加载速度下测量了摩擦系数。在加载速度为0.1mm / s和1mm / s的情况下,在0.13至1.3 MPa的法向应力下,摩擦系数约为0.75。随着加载速度的增加,摩擦系数减小。所获得的摩擦系数与先前使用较小标本进行的研究所获得的一致。然后,我们通过观察由应变仪测量的切应力变化演变以及由压电换能器测量的高频波发射,来监测粘滑事件。这些传感器安装在滑动区域的边缘。我们发现,有许多粘滑事件在滑动表面内部成核,但直到滑动终止才到达滑动表面的边缘。这些高频事件的位置对应于滑移成核的位置。我们发现这些位置在先前实验中创建的带槽表面的边缘。%岩石摩擦のサイズ依存性と破壊伝播の详细を调べるため,大型二轴摩擦试験机を开発し,2012年の春に,防灾科学技术研究所所有の大型振动台(テーブルサイズ15 m×14.5 m)を用いて,大型摩擦実行験を。この実験においては,振动台の起震机を利用して岩石试料间に一定の食い违い速度を与えた。岩石试料は,インド产斑粝岩を用い,长さ1.5 mの四角柱试料を长さ2 mの试料に重ねて実験に用いた。各试料の高であると幅はそれぞれ0.5 mである。下侧试料は振动台に固定されており,振动台とともに动く。上侧试料は反カバーを介して振动台基础と接続されている。振动台は,最大変位0.4 m,0.025 mm / sから1m / sの速度を出す事ができる。実験に先立って,岩石试料のすべり面は,大型研削盘を用いて凹凸が0.01 mm以下になるように整形した。しかしながら,実験回数を重ねるに従い,すべり面の荒さは进化していった。垂直応力は,1.3 MPaまでかけて実験を行った。试験机の强度を実験中に测定を行い,0.1GN / mであった。スティックスリップが顕着に発生しない0.1mm / s-1 mm / sの直径速度における摩擦系数を测定したところ,法线応力が0.13〜1.3 MPaの间において,约0.75であり,このさらに,小さいサイズの岩石试料を用いた実験で得られた値とほぼ一致する値であった。さらに,ステイツクスリップイベントの破壊伝播をひずみゲージアレイを用いて调べ,破壊がすべり面中央部が始まま岩石试料の両端に达にいイベントが多个が生している事がわかった。これらのイベントは,すべ面が摩耗してできた沟の端から始まっている事がわかった。

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