Page 102 - 《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

构面的抗剪强度最低（图 9(a)），因此在剪应力作用下粗糙表面高应变集中区面积较小。随着剪切速率和
结构面粗糙度的增加，结构面出现不均匀应变的时间缩短，且应变集中程度显著增加。当 R =15.60、
0
v=130 mm/s 时，在剪切荷载作用下，砂岩试样表面出现竖向拉伸裂纹（图 9(c)）。这是由于当结构面粗糙
度较高时，粗糙面凸起部分导致在剪切作用下局部区域会产生拉伸应力，且当剪切速率较高时，剪切应
力的迅速施加可能导致局部应力集中程度加剧，进而使砂岩产生沿垂直于剪切方向的拉伸裂纹。
砂岩粗糙结构面的法向和切向位移关系如图 10 所示。可以看出，在动态剪切过程中砂岩结构面的
法向位移随着切向位移的增加变化趋势可划分为 2 个阶段：先快速上升，后稳定变化。在剪切过程中，
砂岩上盘在切应力作用下发生滑移，其切向位移呈线性增加趋势。然而，由于粗糙结构面的不均匀性，
法向位移呈非线性增加的趋势。当砂岩结构面达到峰值强度后，结构面表面的大量微凸体被磨损或者
剪断，从而形成剪切带，因此法向位移总体呈稳定的趋势。此外，砂岩结构面的法向位移总体随着剪切
速率的增大而逐渐减小：在高速剪切作用下，砂岩结构面微凸体间的接触点更容易被磨损或剪断，从而

减少接触面积，导致法向位移减小；随着剪切速率的增加，产生的热量在一定程度上能够进一步降低结
构面的强度，从而使得结构面的法向位移总体随着剪切速率的增加呈下降趋势。

1.0 1.0

v=50 mm/s v=50 mm/s
v=130 mm/s 0.8 v=130 mm/s
Normal displacement/mm 0.6 Normal displacement/mm 0.6
0.8
v=210 mm/s
v=210 mm/s
0.4
0.4
0.2

0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 7.2 8.4 0.2 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 7.2 8.4
Tangential displacement /mm Tangential displacement /mm
(a) R 0 =8.87 (b) R 0 =12.43

1.0 1.0
v=50 mm/s v=50 mm/s
v=130 mm/s 0.8 v=130 mm/s
0.8
Normal displacement/mm 0.6 Normal displacement/mm 0.6
v=210 mm/s
v=210 mm/s
0.4
0.4
0.2

0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 7.2 8.4 0.2 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 7.2 8.4
Tangential displacement /mm Tangential displacement /mm
(c) R 0 =15.60 (d) R 0 =18.38

图 10 砂岩结构面法向位移随剪切位移增加的变化趋势
Fig. 10 Variation trend of normal displacement of sandstone structural plane with increasing shear displacement

2.3 粗糙结构面损伤特征
动态剪切后的粗糙裂隙面形貌特征对于渗流特性具有显著影响 [31] ，故采用高精度三维扫描进行三
维重构，获得动态恒速剪切作用后的砂岩结构面形貌特征，随后基于 MATLAB 对砂岩粗糙结构面的损
伤进行二值化处理，并统计剪切前后结构面的高程和倾角变化特征，进一步揭示动态恒速剪切作用下剪
切速率对粗糙结构面表面形貌特征的影响。动态剪切后的砂岩粗糙结构面的三维形貌如图 11 所示。

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