Page 107 - 《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

结构面的不规则性使得流体流动过程中受到的阻力显著增大。随着剪切速率的增加，流体流动的阻力
也急剧上升，导致线性系数 a 增长幅度显著增加。此外，随着剪切速率的增加，结构面中的微凸体更多
地被磨损剪断，导致结构面的裂隙开度下降，使得结构面内的流体流动的非线性程度更高，惯性力的影
响更加明显。因此，非线性系数 b 同样随着剪切速率的增加逐渐增大。

9.0 6.0

R 0 =8.87, σ 3 =5.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =5.0 MPa R 0 =15.60, σ 3 =5.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =5.0 MPa
R 0 =8.87, σ 3 =3.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =3.0 MPa R 0 =15.60, σ 3 =3.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =3.0 MPa
7.5 R 0 =8.87, σ 3 =1.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =1.0 MPa 5.0 R 0 =15.60, σ 3 =1.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =1.0 MPa
4.0
a (10 5 s 2 ·m −6 ) 6.0 a (10 5 s 2 ·m −6 ) 3.0
4.5

3.0 2.0
1.0
1.5
0
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Shear velocity/(mm·s ) Shear velocity/(mm·s )
−1
−1
(a) Linear coefficient a
12 6.0
R 0 =8.87, σ 3 =5.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =5.0 MPa R 0 =15.60, σ 3 =5.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =5.0 MPa
R 0 =8.87, σ 3 =3.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =3.0 MPa R 0 =15.60, σ 3 =3.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =3.0 MPa
10 8 R 0 =8.87, σ 3 =1.0 MPa R 0 =12.43, σ 3 =1.0 MPa 5.0 R 0 =15.60, σ 3 =1.0 MPa R 0 =18.38, σ 3 =1.0 MPa
4.0
b (10 11 s 2 ·m −6 ) 6 4 b (10 11 s 2 ·m −6 ) 3.0

2.0

2 1.0
0 0
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Shear velocity/(mm·s ) Shear velocity/(mm·s )
−1
−1
(b) Non-linear coefficient b
图 17 系数 a 和 b 随剪切速率增加变化趋势
Fig. 17 Variation trends of coefficients a and b with increasing shear velocity

雷诺数 Re 是描述裂隙岩体中流体流动特性的关键参数，通常被用来量化流体非流动状态的开始，
其计算公式如下 [35] ：
ρQ
Re = (8)
µw
为了进一步定量分析岩体裂隙渗流中非线性程度，提出了非达西效应因子 E。非达西效应因子
E 是结构面非线性流动所引起的水力梯度与总水力梯度的比 [35-36] ：
bQ 2
E = (9)
aQ+bQ 2
根据式 (9)，非达西效应因子 E 越大，说明结构面内的非线性流动效应越明显。一般将 E=0.1 的情况
作为区分结构面内线性流动和非线性流动的界限。因此，临界雷诺数也可以表示为 [36-37] ：
aρE aρ
Re c = = (10)
bµw(1− E) 9bµw
图 18 为不同速度剪切作用后的损伤结构面的临界雷诺数。在 3 MPa 的围压条件下，砂岩损伤结构
面的 Re 总体处于 2～9 之间，且随着粗糙度系数的增加而增大，随着剪切速率的增加呈下降趋势。高粗
c
糙度的砂岩结构面在低速剪切作用下具有更大的 Re ，与未剪切的岩石结构面 Re 的变化趋势存在显著
c
c

061422-13