Page 103 - 《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

100 100
90 5 80 90
80
5
z/mm −5 0 50 60 70 z/mm −5 0 50 60 70
30 40 x/mm 30 40 x/mm
20 30 20 30
10 10 20 10 10 20
0 y/mm 0
y/mm
(a) R 0 =8.87, v=90 mm/s (b) R 0 =12.43, v=130 mm/s

100 100
90 80 90
80
z/mm −5 5 0 50 60 70 z/mm −5 5 0 50 60 70
30 40 x/mm 30 40 x/mm
20 30 20 30
10 10 20 10 10 20
0 y/mm 0
y/mm
(c) R 0 =15.60, v=130 mm/s (d) R 0 =18.38, v=210 mm/s
图 11 动态剪切后砂岩典型结构面形貌
Fig. 11 Typical morphology of sandstone structural planes after dynamic shearing
砂岩结构面剪切前后高程和坡向变化如图 12 和图 13 所示。通过劈裂生成的砂岩结构面高程分布
频率总体符合高斯分布。随着 R 的增加，结构面高程下降幅度总体呈增大趋势：R =12.43 的砂岩结构面
0
0
在剪切速率 v=110 mm/s 作用下，砂岩表面的最高点高程由 2.71 mm 下降至 2.04 mm，说明动态剪切作用
后的结构面变得更加平坦；当 R 增加至 18.38 时，结构面最高点高程经过 v=110 mm/s 的剪切作用后，高
0
程由 4.77 mm 下降至 3.41 mm，降低幅度高达 28.52%。结构面的凸起高度和面积与 R 呈正相关，因此高
0
粗糙度的结构面在剪应力作用下较高的凸起更容易被剪断，造成剪切后的表面高程显著下降。然而，高
速剪切作用对于砂岩结构面倾角分布特征的影响程度有限，这是由于倾角是由结构面的大尺度形态决
定的：在剪切作用下，粗糙度较大的结构面在剪切力作用下凸起被削平或剪断，其中粗糙面的细小凸起
受到的影响最显著，而对整个结构面的较大尺度形态影响有限。

7.5 7.5 7.5 7.5

Before shear 6.0 Before shear 6.0 Before shear 6.0 Before shear
6.0
After shear
After shear
After shear
After shear
Frequency/% 4.5 Frequency/% 4.5 Frequency/% 4.5 Frequency/% 4.5
3.0
3.0
3.0
3.0
1.5
0 1.5 0 1.5 0 1.5 0
−4.5 −3.0 −1.5 0 1.5 3.0 4.5 −4.5 −3.0 −1.5 0 1.5 3.0 4.5 −4.5 −3.0 −1.5 0 1.5 3.0 4.5 −4.5 −3.0 −1.5 0 1.5 3.0 4.5
Height/mm Height/mm Height/mm Height/mm
(a) R 0 =8.87, v=50 mm/s (b) R 0 =12.43, v=90 mm/s (c) R 0 =15.60, v=90 mm/s (d) R 0 =18.38, v=130 mm/s
图 12 典型砂岩结构面剪切前后的高程变化
Fig. 12 Changes of the surface height of typical sandstone structural planes before and after dynamic shearing

不同剪切速率条件下的砂岩粗糙结构面损伤特征的二值化结果如图 14 所示，图中白色部分为结构
面损伤区域，黑色为未损伤区域。从图中可以看出损伤面积与剪切速率呈正相关。粗糙度的增加不仅
增加了微凸体的数量，还会改变剪切应力的分布形态，因此在剪切应力作用下，损伤面积随着粗糙度的
增加而增大。为了定量分析剪切速率和粗糙度对砂岩结构面损伤面积的影响，采用 MATLAB 对磨损面
积与总面积的比值进行了统计分析。定义表面退化率为砂岩结构面磨损面积占总剪切面积的比值。如

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