Page 98 - 《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

表 1 砂岩物理力学特性
Table 1 Physical and mechanical properties of sandstone

−3
−1
密度/(g·cm ) 波速/(m·s ) 抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°)
2.439 3 472 98.53 10.13 12.22 40.34
试验中采用劈裂法制备三维粗糙面，劈裂过程中通过控制加载速率来获得不同粗糙度的砂岩三维
结构面。随后，将含粗糙结构面的砂岩试样进行切割打磨，制成尺寸为 100 mm×30 mm×70 mm 的剪切试
样，如图 4(a) 所示。砂岩结构面的粗糙度由结构面粗糙度系数 R 表征 [34] ：

(1)
R = 32.2+32.47lgZ 2
ñ ô 1/2
Å ã 2
1 ∑ z i−1 −z i
Z 2 = (2)
M x i−1 − x i
式中：M 为采集点的个数，x 和 i z 分别为二维轮廓线上样本点的水平和垂直方向的坐标。
i
在粗糙结构面上每隔 5.0 mm 提取一条轮廓线，采用各轮廓线上 R 的平均值表征结构面粗糙程度。
根据计算结果，挑选四组不同粗糙度系数的砂岩结构面，试验中采用的砂岩结构面的初始平均粗糙度系
数 R =8.87, 12.43, 15.60, 18.38，如图 4(b) 所示。
0

70 mm
100 90 100
90
z/mm −5 5 0 50 60 70 80 z/mm −5 5 0 50 60 70 80
30 20 30 40 x/mm 30 20 30 40 x/mm
10 0 10 20 R 0 =8.87 y/mm 10 0 10 20 R 0 =12.43
y/mm
100 mm 5 0 60 70 80 90 100 5 0 60 70 80 90 100
30 mm
z/mm
−5
30 20 30 40 50 x/mm z/mm −5 30 20 30 40 50 x/mm
10 10 20 10 10 20
0 R 0 =15.60 y/mm 0 R 0 =18.38
y/mm
Rough structural planes by Cutting and polishing Scanning of rough z/mm
splitting method structural planes −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4
(a) Preparation of rough structural planes (b) Structural planes with different R 0
图 4 不同粗糙度系数 (R 0 ) 的砂岩结构面
Fig. 4 Sandstone structural planes with different joint roughness coefficients (R 0 )

1.3 动态恒速剪切力学试验
试验中砂岩试样的法向荷载设置为 30 kN，并采用了 5 种不同的剪切速率（50、90、130、170 和
210 mm/s），探究不同剪切速率条件下的砂岩粗糙结构面的剪切力学行为。为了降低剪切方向对砂岩结
构面剪切行为的影响，试验过程中确保砂岩结构面由低到高进行剪切试验。此外，试验过程中利用高速
摄像机对砂岩粗糙结构面的动态滑移过程进行拍摄和记录，高速相机采集速率为 10 000 Hz，分辨率为
1 024×1 024（图 2）。

1.4 损伤结构面渗流试验
在剪切试验后，采用高精度三维扫描仪获得剪切后粗糙面的损伤特征。选取不同剪切速率下的三
维结构面试样作为研究对象，在剪切试验后记录砂岩试样的最终剪切位移，并利用垫片将剪切试样错开
至最终剪切位移。通过切割打磨将错开试样制成 100 mm×30 mm×40 mm 的统一规格的长方体，随后将
加工后的试样用垫片包裹制成直径为 50 mm 的圆柱体试样（图 5）。随后采用渗流试验系统测试动态剪
切损伤后的砂岩结构面的渗透性能。在渗透试验中，围压（σ ）分别设置为 1.0、3.0 和 5.0 MPa。通过开
3
展渗流试验获得动态剪切后砂岩损伤结构面的渗流压力，并分析剪切速率、结构面粗糙度及围压对岩石
结构面渗流特性的影响。此外，测试条件为室温 26 ℃，流体性质为不可压缩纯水，密度 ρ=1 000 kg/m ，动
3
力黏度 μ=1.010×10 Pa·s。
−3

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