Page 108 - 《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

区别 [35] 。这是由于在相同的剪切速率下砂岩结 Re c
构面的水力开度随着初始粗糙度系数的增加而 10 10.0
8.4
增大，因此流体在高粗糙度系数的损伤结构面内 8
6.8
流动更加顺畅，需要更高的雷诺数才能产生非线 6
Re c
性流动。此外，结构面粗糙度系数对 Re 的影响 5.2
c
4
程度随着剪切速率的增加而降低。当剪切速率 0 Decrease 3.6
为 2 1 0 m m / s 时 ， 随 着 结 构 面 粗 糙 度 系 数 由 240 200 Increase 10 8 2.0
160 14 12
120
8.87 增加至 15.60，Re 由 c 8.12 下降至 5.81，下降 v/(mm·s ) 80 18 16 R 0
−1 40 20
幅度仅 28.45%。随着剪切速率的增加，砂岩粗
糙结构面损伤程度加剧，导致裂隙水力开度降 图 18 3 MPa 围压下剪切速度和粗糙度系数对
损伤结构面临界雷诺数的影响
低。因此，高剪切速率作用后的损伤砂岩结构面
间的流体流动阻力更大，较低的雷诺数即可产生 Fig. 18 Influence of shearing velocity v and joint roughness
coefficient R 0 on the critical Reynolds number Re c of damaged
非线性流动。 structural surfaces under confining pressure of 3 MPa

3.2 渗透性演化规律
渗透系数 T 是描述岩体裂隙或裂隙网络水 T/m 4
3.0×10 −11 3.0×10 −11
流能力的重要参数 [33] ，它反映了岩体内部的透水 2.5×10 −11 σ 3 =1.0 MPa 2.5×10 −11
能力，与结构面的形貌特征以及围压条件显著相 2.0×10 −11 2.0×10 −11
关 [30, 38] ： T/m 4 1.5×10 −11 σ 3 =3.0 MPa 1.5×10 −11
1.0×10
−11
−11
µ −11 σ 3 =5.0 MPa 1.0×10
T = − Q (11) 0.5×10 0.5×10 −11
∇pw 0 Decrease 20
40 80 Increase 16 18 0
在剪切作用下，岩石结构面损伤程度受到 120 160 12 14
−1
剪切速率以及结构面粗糙度的显著影响，进而影 v/(mm·s ) 200 240 8 10 R 0
响结构面的渗流特性。不同围压条件下，剪切速 图 19 不同剪切速率和粗糙度耦合下损伤砂岩
率和结构面粗糙度对结构面的渗透系数的影响 结构面渗透系数演化
如图 19 所示。在相同围压条件下，结构面的渗 Fig. 19 Transmissivity evolution of damaged sandstone structural
planes under different shear rates and roughness coupling
透系数随着动态剪切速率的增加而下降，而随着
粗糙度系数的增加而增大：当围压为 5.0 MPa，结构面粗糙度系数 R =12.43 时，随着剪切速率的增加，剪
0
−11
−11
−11
−11
切损伤结构面的渗透系数分别为 1.01×10 、0.87×10 ，0.69×10 、0.67×10 −11 以及 0.62×10 m ，这是由
4
于随着剪切速率的增加，砂岩结构面凸起产生了更为显著的损伤，使得裂隙开度下降，从而降低了结构
面的导水能力；在围压为 3.0 MPa 的条件下，随着粗糙度系数的增加，经过速率为 90 mm/s 的剪切作用
4
−11
−11
−11
后，损伤结构面渗透系数依次为 0.78×10 、1.54×10 、1.68×10 −11 以及 2.09×10 m ，这是由于粗糙度越
大的结构面表面积越大，且微观形貌越复杂，尽管在剪切作用下微观凸起被剪断，结构面上下盘间仍能
够形成较大的渗流通道，因此砂岩结构面渗透性能在粗糙度系数和剪切速率耦合作用下随着粗糙度系
数的增加呈上升趋势。此外，导水系数和围压呈相反的关系，同体积流速条件下，围压越大，导水系数越
小：粗糙度系数为 15.60 的砂岩结构面在经过速率为 170 mm/s 的剪切作用后，结构面的渗透系数随着围
4
压的增加依次为 1.73×10 −11 、1.39×10 −11 以及 0.76×10 −11 m 。3 和 5 MPa 围压条件下的渗透系数相较
1 MPa 的情况分别下降了 19.65% 以及 56.07%。这是因为，增大的围压使岩体裂隙进一步压缩，减少了裂
隙中的有效流通空间，导致水流通道收缩，从而导致导水能力降低 [30] 。

4 结 论

为了探究剪切速率和结构面粗糙度对结构面剪切滑移行为的影响，利用动态恒速剪切仪对不同粗
糙度的砂岩结构面开展了不同剪切速率下的剪切力学试验，并结合 DIC 技术分析了砂岩粗糙结构面的

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