Page 97 - 《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

水灾害发生前关键块滑移形成渗流通道这一关键诱因。因此，为了探究动态恒速剪切条件下岩石粗糙
结构面的力学响应及嗣后渗流特性，本文中，采用恒速剪切试验系统探究恒定法向刚度条件下岩石粗糙
结构面剪切力学特性的加载率效应，分析不同动态剪切速率下的峰值抗剪强度以及结构面损伤特征；随
后基于损伤结构面开展不同围压条件下的渗流试验，探究砂岩结构面剪切滑移后的渗流特性。

1 试验设备及试验流程

1.1 动态恒速剪切试验系统
采用岩石结构面恒速动态直剪试验系统开展动态剪切力学试验，该直剪系统由主体框架、加载系
统、剪切盒和控制系统构成（图 2）。法向荷载由法向液压系统实现，最大法向力为 100 kN。水平液压伺
服系统由伺服电机及数字控制器组成，剪切速度范围为 40～220 mm/s，最大行程为 150 mm，可对试样提
供恒定速度的切向力加载。液压系统主要由油箱系统、调节阀组、蓄能器、快速油缸、二级油缸、三级
油缸和数字控制器组成。调节阀组由换向阀、节流阀与溢流阀组成，换向阀通过改变高压油的通路来实
现开始和结束过程的往返运动，通过改变节流阀大小调节油体流量来控制剪切运行速度。系统由伺服
电机与快速油缸相连形成伺服控制，伺服电机将电信号转换为角位移输出，并在伺服控制阀的作用下精
确地完成快速油缸的恒速位移。

Loading system
Shear table

Control system

Normal pressure
Light sensor

High-speed
camera
Tangential pressure sensor
Image acquisition system Data acquisition system
图 2 动态恒速剪切试验系统
Fig. 2 Dynamic constant velocity shear test system

1.2 砂岩粗糙结构面制备 Preparation of rough structural planes
由于粗糙面特征具有显著的随机性和空间 by splitting method
分布各向异性，因此为探究砂岩粗糙结构面的通 Reconstruction and selection of
structural planes
用剪切力学特性和损伤特征随剪切速度增加的
变化规律，本文对具有相近粗糙度、凹凸分布随 Shear tests under constant shear rate Comparison and
analysis
机的粗糙面开展动态恒速剪切试验，试验流程如
Scanning and analysis of damaged
图 3 所示。试验中采用的砂岩来自山东济宁，自 structural planes
然状态下呈灰白色，其物理力学特性见表 1。根 Subsequent flow tests on damaged
structural planes
据 X 射线衍射（X-ray diffraction, XRD）结果可
知，砂岩矿物成分（质量分数）为石英（58%）、钠 图 3 剪切和渗流试验流程
长石（39%）和方解石（3%）。 Fig. 3 Shear and seepage experiment procedure

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