Page 104 - 《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

图 15(a) 所示，在相同速率条件下，结构面表面退化率随着粗糙度的增加而增加；而在相同粗糙度的条件
下，结构面表面的退化率随着剪切速率的增大而增大：当 R =8.87、v=130 mm/s 时，砂岩粗糙结构面表面
0
退化率为 15.14%，相比相同条件下二维结构面的退化率（8.24%）增大了 6.8%；当 R =12.43 时，剪切速率
0
v=130 mm/s 时结构面表面退化率为 24.91%；当 R 增加至 18.38 时，结构面表面退化率为 44.58%。砂岩粗
0
糙结构面滑移破坏模式主要为剪切破坏，随着剪切速率的增大，结构面的抗剪强度逐渐降低，使得结构

面间的接触更加频繁和剧烈，因此导致粗糙结构面的磨损面积随着剪切速率的增加而增大。定义粗糙
η = [(R 0 −R a )/R 0 ]×100% ，如图 15(b) 所示，粗糙度系数退化率 η 的变化趋势与磨损面积占
度系数退化率
比相似：当剪切速率为 50 mm/s 时，η 退化率总体处于 12% 以下；随着剪切速率增加至 210 mm/s，η 总体
呈线性上升的趋势，处于 15%～27% 之间。此外，在相同的剪切速率下，η 随着 R 的增加而增大。这是
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由于粗糙度较高的砂岩结构面具有更多的微凸体以及更复杂的表面形貌，在动态剪切作用下砂岩表面
形貌更容易发生磨损和破坏，从而导致 η 增加。高粗糙度系数的砂岩结构面的损伤程度显著高于低粗
糙度系数的情况，将对结构面的渗透特性产生显著影响 [30] 。当结构面粗糙度系数相近时，结构面的损伤
程度随着剪切速率的增加而加剧，造成渗流通道开度下降。

90° 90° 90° 90°
1.2 120° 60° Before shear 1.2 120° 60° Before shear 1.2 120° 60° Before shear 1.2 120° 60° Before shear
After shear
After shear
After shear
After shear
Frequency/% 0.8 150° 30° Frequency/% 0.8 150° 30° Frequency/% 0.8 150° 30° Frequency/% 0.8 150° 30°
1.0
1.0
1.0
1.0
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.2 0.4 0.4 0.4
0.2
0.2
0.2
180° 0° 180° 0° 180° 0° 180° 0°
210° 330° 210° 330° 210° 330° 210° 330°
240° 300° 240° 300° 240° 300° 240° 300°
270° 270° 270° 270°
(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 13 典型砂岩结构面剪切前后的坡向变化
Fig. 13 Changes of the surface aspect of typical sandstone structural planes before and after dynamic shearing

v=50 mm/s v=130 mm/s v=210 mm/s v=50 mm/s v=130 mm/s v=210 mm/s
(a) R 0 =8.87 (b) R 0 =12.43

v=50 mm/s v=130 mm/s v=210 mm/s v=50 mm/s v=130 mm/s v=210 mm/s
(c) R 0 =15.60 (d) R 0 =18.38

图 14 砂岩典型损伤结构面二值化计算结果
Fig. 14 Binary calculation results of sandstone typical damage structural planes

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