Page 95 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 第 6 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 45, No. 6
2025 年 6 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jun., 2025

DOI：10.11883/bzycj-2024-0417

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 *

1
1,2
1
蔚立元 ，武东阳 ，苏海健 ，袁紫宸 ，鞠明和 1
1
（1. 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室，江苏 徐州 221116；
2. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）
摘要： 为了探究岩石粗糙结构面的动态剪切力学响应以及损伤结构面的渗流特性：首先，采用动态恒速剪切系统
对砂岩粗糙结构面开展不同剪切速率条件下的剪切力学试验，分析了剪切速率以及结构面粗糙度系数对峰值抗剪强
度以及滑移特征的影响；随后，利用三维扫描技术获得动态剪切前后粗糙结构面的损伤特征，并开展不同围压条件下
的损伤结构面渗流试验，探究动态剪切作用后损伤结构面的嗣后渗流特性。动态剪切试验结果表明，砂岩结构面的动
态峰值抗剪强度随着剪切速率的增加而降低，而剪切速率对剪切刚度的影响规律不明显。随着剪切速率由 50 mm/s 增
加至 210 mm/s，粗糙度系数为 12.43 的砂岩结构面峰值抗剪强度由 8.49 MPa 下降至 6.88 MPa。此外，在相同剪切速度条
件下，砂岩结构面的动态峰值抗剪强度随着结构面粗糙度的增加而增大。损伤砂岩结构面高程分布频率均随着剪切
速度的增加而下降。相同粗糙度条件下，结构面损伤程度随着剪切速率的增加总体呈上升趋势，导致裂隙开度降低，
进而影响结构面的渗透性能。渗流试验结果表明，动态剪切作用后的损伤砂岩结构面水力梯度和体积流量关系符合
Forchheimer 方程。此外，在相同的围压条件下，损伤结构面的渗透系数随着剪切速率的增加而降低，而随着粗糙度系
数的增加而升高。
关键词： 动态恒速剪切；砂岩粗糙结构面；剪切速率；峰值抗剪强度；损伤特征；渗流特性
中图分类号： O346; O389 国标学科代码： 13015; 13035 文献标志码： A

Mechanical behavior and subsequent seepage characteristics of rough
structural planes in sandstone under constant shear rate

1,2
1
1
1
YU Liyuan , WU Dongyang , SU Haijian , YUAN Zichen , JU Minghe 1
（1. State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground
Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China;
2. College of Electric Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,
Shandong, China）

Abstract: To investigate the dynamic shear mechanical response and post-damage permeability characteristics of rough
structural planes, a dynamic shear system was utilized to conduct shear tests on rough structural planes of sandstone under
varying shear rate conditions. The effects of shear rate and roughness coefficient on peak shear strength and slip behaviors
were analyzed. After the shear test, the influence of dynamic shear on the damage characteristics of rough structural surfaces
was analyzed using three-dimensional scanning technology. Subsequently, seepage tests were conducted on damaged structural
surfaces under different confining pressures to further investigate the subsequent seepage characteristics of damaged structural
surfaces after dynamic shearing. The results of dynamic shear tests show that the dynamic peak shear strength of sandstone
structural planes exhibits a decreasing trend with the shear rate, and shear rate influence on shear stiffness is insignificant. As

* 收稿日期： 2024-10-01；修回日期： 2025-01-20
基金项目： 国家自然科学基金（52179118, 52274100）
第一作者： 蔚立元（1982－ ），男，博士，教授，yuliyuan@cumt.edu.cn

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