Page 96 - 《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

the shear rate increases from 50 mm/s to 210 mm/s, the peak shear strength of structural planes with joint roughness coefficient
of 12.43 declines from 8.49 MPa to 6.88 MPa. In addition, the dynamic peak shear strength of structural planes increases with
the roughness under the same shear rate condition. The frequency of height distribution of damaged structural planes decreases
with the shear rate. Under the same roughness condition, the damage degree of the structural plane generally increases with the
shear rate, resulting in a decline in crack opening and thus affecting the permeability properties of the structural plane. The
flow test results indicate that the relationship between the hydraulic gradient and the volumetric flow rate of the damaged
structural plane adheres to Forchheimer’s law. In addition, the transmissivity of the damaged structural plane decreases with
the shear rate under the same confining pressure condition, while increasing with the joint roughness coefficient.
Keywords: dynamic constant velocity shearing; rough structural planes of sandstone; shear rate; peak shear strength; damage
characteristics; flow characteristics

在数万年的地质运动中，地下岩体内部存在厘米至千米尺度的粗糙结构面 [1-3] 。在地下工程建设中，
开挖扰动以及地震等外荷载将打破岩体的初始应力平衡状态，诱发结构面发生不同速度条件下的滑移
和错动 [4-6] 。地下工程中“关键块”的滑移和错动不仅会对硐室造成严重失稳破坏，还可能导通地下水
体与硐室间的渗流通道，进一步加剧地下工程的施工风险 [7-11] 。
为研究岩石结构面的剪切力学特性，学者开展了一系列的室内试验研究，分析了岩石结构面特征和
边界条件等因素对剪切力学参数和破坏特征的影响 [12-16] 。Ban 等 [17] 研究了实际接触节理面的三维分布
特征，分析了剪切速度对岩石节理面峰值抗剪强度的影响。Zhang 等 [18] 研究了不同法向应力和界面粗糙
度条件下的节理面剪切力学行为。Huang 等 [19] 通过开展剪切力学试验分析了裂缝开度、温度以及界面
粗糙度对冻融软化的影响。而在动态剪切力学特性方面，Wang 等 [20] 采用改进的 SHPB (split Hopkinson
pressure bar) 设备开展了动态剪切试验，研究了动荷载作用下节理面的剪切力学特性，结果表明，动荷载
作用下岩石节理面峰值抗剪强度和剪切位移变化特征与静荷载条件下基本一致。此外，在冲击过程中
节理面的滑移位移会出现反弹现象，其值随着节理面粗糙度的增加而增大。已有研究表明，剪切速率对
岩石结构面的剪切力学特性和损伤特征具有显著影响。但目前针对剪切速率的影响主要集中在准静态
条件下，尽管有少量研究基于改进的 SHPB 设备通过应力波对岩石结构面施加剪切荷载，但在动态加载
中无法保持剪切速度保持恒定 [17,21-22] 。故研究动态恒速条件下岩石结构面的剪切力学特性是必要的。

此外，在地下工程建设过程中，施工震动、
爆破等动荷载除了诱发结构面滑移外，还将改变
岩石结构面的开度和连通性，造成隧道涌突水灾
Water
害（图 1） [23-26] 。在岩石裂隙面剪切和渗流特性方
面，夏才初等 [27] 研究了岩石节理面在常刚度条
件下的剪切-渗流耦合特性，分析了法向刚度、渗 Key block
透压以及节理面粗糙度对岩石节理面剪切和渗
流特性的影响。蒋宇静等 [28] 开展了恒定法向应 Rapid shearing
Dynamic
力和恒定法向刚度条件下的岩石节理面剪切-渗 disturbance
流试验，获得了不同剪切位移和受力状态下裂隙 Tunnel
Rough structural plane
开度和渗透特性演化规律。Huang 等 [29] 分析了
节理面粗糙度、剪切位移以及渗流方向对节理 图 1 动力扰动诱发关键块高速滑移导通渗流通道
面渗透特性的影响。但已有研究主要针对裂隙 Fig. 1 Dynamic disturbance induced high-speed sliding of key
面粗糙度以及裂隙开度对渗流特性的影响 [30-33] ， blocks to conduct seepage channels
缺少对动态恒速剪切条件下力学行为的研究，对动态剪切后损伤结构面渗流特性的研究也鲜有报道。
地下工程开挖扰动诱发关键块快速滑移，继而导通地下水体与硐室的渗流通道，从而发生涌突水灾
害 [24-25] 。然而，目前针对岩石剪切-力学特性的研究主要集中在渗流通道形成后的渗流特性，忽略了涌突

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