Page 100 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 蔚立元，等： 动态恒速剪切下砂岩粗糙结构面的力学行为及嗣后渗流特性 第 6 期

线性增大的趋势。峰后阶段：当达到剪切峰值应力后，剪切应力-位移曲线迅速跌落。残余阶段：跌落后
的剪应力-位移曲线下降趋势放缓，并缓慢趋于稳定。在峰后阶段，砂岩结构面的峰值应力出现先下降后
上升的趋势。这是由于在峰后阶段，结构面上的凸起被剪断，剪切应力下降。但随着剪切位移的增加，
新的接触面积出现增大趋势，导致剪切应力在经过最低点后出现回升现象。此外，砂岩粗糙结构面的峰

值抗剪强度受到粗糙度和剪切速率（v）的显著影响，砂岩结构面粗糙度系数越大，峰值抗剪强度越大。
动态剪切试验结果见表 2。

表 2 动态剪切试验结果
Table 2 Dynamic shear test results

−1
−1
试样 R 0 v/(mm·s ) τ/MPa k τ /MPa s τ /mm R a 试样 R 0 v/(mm·s ) τ/MPa k τ /MPa s τ /mm R a
A-V1 8.87 50 6.24 2.19 7.87 8.49 C-V1 15.60 50 8.95 4.01 9.90 14.20
A-V2 8.87 90 6.06 2.65 7.75 8.2 C-V2 15.60 90 8.24 3.47 8.84 13.35
A-V3 8.87 130 5.61 2.66 11.88 8.02 C-V3 15.60 130 7.22 4.62 7.96 12.85
A-V4 8.87 170 5.47 2.48 7.81 7.64 C-V4 15.60 170 7.19 3.41 8.01 12.34
A-V5 8.87 210 5.16 2.17 8.82 7.19 C-V5 15.60 210 6.89 3.57 10.90 11.80
B-V1 12.43 50 8.49 2.66 10.13 11.48 D-V1 18.38 50 10.37 3.37 9.23 16.26
B-V2 12.43 90 7.76 2.96 7.87 11.27 D-V2 18.38 90 9.41 4.04 7.85 15.37
B-V3 12.43 130 7.60 3.51 7.79 10.83 D-V3 18.38 130 8.52 3.27 7.67 15.02
B-V4 12.43 170 7.14 3.18 8.02 10.26 D-V4 18.38 170 8.34 4.34 8.74 14.20
B-V5 12.43 210 6.88 3.16 9.79 9.57 D-V5 18.38 210 7.81 3.45 10.96 13.52
注：v为剪切速度，τ为平均抗剪强度，k τ 为平均剪切刚度，s τ 为最终剪切位移，R a 为剪切后平均结构面粗糙度系数.

岩石结构面的峰值抗剪强度与剪切速率及粗糙度密切相关，是评估结构面稳定性的关键力学参
数。如图 7 所示，随剪切速率的增加，砂岩结构面峰值抗剪强度呈指数下降趋势。剪切速率为 50 mm/s
时，粗糙度系数为 12.43 的砂岩结构面峰值抗剪强度为 8.49 MPa；随着剪切速度增加至 130 mm/s 时，砂岩
结构面峰值抗剪强度下降至 7.60 MPa，下降幅度为 10.48%；当剪切速度增加至 210 mm/s 时，结构面峰值
抗剪强度进一步下降至 6.88 MPa：这是由于动态剪切作用下，砂岩结构面在剪切过程中由于摩擦产生的
热量，导致砂岩结构面材料的局部发生软化以及热膨胀，降低材料间的摩擦力；并且结构面之间的微小
颗粒能够起到一定的润滑作用，进一步减少摩擦阻力，因此砂岩结构面的峰值抗剪强度随着剪切速率的
增加而下降 [21] 。峰值抗剪强度曲线随着结构面粗糙度系数的增加而上升，说明粗糙度系数能够显著提
高砂岩结构面的峰值抗剪强度：在剪切速率为 130 mm/s 条件下，粗糙度系数为 8.87 的砂岩结构面峰值
抗剪强度为 5.61 MPa；随着粗糙度系数增加至 15.60 时，峰值抗剪强度增加至 7.22 MPa，增加幅度为
28.70%；而当结构面粗糙度系数为 18.38 时，峰值抗剪强度增加幅度快速增加至 51.87%。故在动态恒速

剪切条件下，砂岩结构面粗糙度系数对峰值抗剪强度的影响程度超过剪切速率。
岩石结构面的剪切刚度是评估岩石结构面稳定性的重要参数，较高的剪切刚度意味着结构面在剪
切作用下更稳定，不易发生滑动或破坏。动态恒速剪切下剪切速率对砂岩结构面剪切刚度的影响如图 8
所示。不同粗糙度的砂岩结构面剪切刚度总体处于 2.0 和 5.0 MPa 之间。剪切刚度随着剪切速率增加的
变化规律不明显，随着粗糙度系数的增加呈上升的趋势。当剪切速率为 130 mm/s 时，粗糙度系数为
8.87 的砂岩结构面剪切刚度为 2.66 MPa；随着粗糙度系数增加至 18.38，剪切刚度增至 3.27 MPa，增加幅
度为 22.93%。这是由于随着粗糙度的增加，岩石结构面的表面形貌变得更加复杂，使得结构面在剪切过
程中具有更大的实际接触面积，从而增加了结构面抵抗剪切变形的能力。

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