高維廷，朱哲明，朱 偉，鄒 明

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室，四川 成都 610065）

巖體在構(gòu)造、成巖、風(fēng)化等作用下天然包含許多節(jié)理、裂隙和斷層等缺陷，巖石材料的力學(xué)行為和破壞特征主要受這些缺陷控制[1-3]。在地震、沖擊和爆破等動荷載下，原生裂紋的萌生、擴展和合并會直接影響巖石材料的強度，進而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)的破壞失效。因此，為了更好地評估巖石工程中動荷載下巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究巖石材料在動荷載下的裂紋擴展特征及破壞機理具有重大意義。

動荷載下巖石材料裂紋的擴展是巖石動力學(xué)研究中的熱點和難點。近年來，對動荷載下巖石材料、類巖石材料和混凝土材料的裂紋擴展問題，在實驗和數(shù)值計算上已進行了大量的研究，并取得了階段性的成果。從微觀巖石中天然具有的節(jié)理和裂隙到宏觀巖體中存在的斷層等缺陷，為土木工程、采礦工程和地下洞室建設(shè)等典型巖石工程中存在的裂紋擴展問題，如圖1 所示，影響上述裂紋擴展行為的因素有很多，包括地質(zhì)環(huán)境[4-7]（地下水位、地層溫度、圍壓等因素），荷載條件[8-11]（地震波、沖擊波、爆炸波等）和巖石介質(zhì)[12-14]（巖性成分、晶粒尺寸、各向異性等）。然而，對于巖石材料裂紋擴展行為的動態(tài)測試在業(yè)內(nèi)沒有一個統(tǒng)一的標準和規(guī)范，很大程度上是隨著實驗設(shè)備和測試方法的不斷發(fā)展而完善。本文中，主要對設(shè)計嚴密可靠的巖石材料裂紋擴展的實驗研究進行總結(jié)。

圖1 巖石工程中影響裂紋擴展的各種因素Fig.1 Influencing factors in rock engineering suffering from various dynamic loads

近年來，很多學(xué)者對巖石材料和類巖石材料斷裂行為研究作了綜合評價。Kawamoto 等[15]回顧了1970 年到2000 年間評估隧道在不連續(xù)巖體中穩(wěn)定性的方法，主要包括離散模型和等效連續(xù)介質(zhì)模型，并重點探討了天然巖體中裂紋、節(jié)理和斷層等對隧道穩(wěn)定性的影響。Ba?ant[16]綜述了2000 年前現(xiàn)有的混凝土斷裂模型、斷裂能及其他斷裂特征的測試方法，并提出了巖石斷裂測試與尺寸效應(yīng)之間的關(guān)系。岳中文等[17]綜述了沖擊載荷下巖石材料動態(tài)斷裂韌性測試研究進展，主要介紹了沖擊載荷下巖石動態(tài)斷裂韌性測試技術(shù)研究成就及其優(yōu)缺點。趙洪寶等[18]總結(jié)了具有預(yù)制裂紋的巖石試樣對裂紋擴展規(guī)律的研究，分析了使用預(yù)制裂紋巖石試樣進行實驗研究的適用條件及優(yōu)缺點。隨著實驗技術(shù)的不斷進步，不同荷載條件下的巖石材料的斷裂性質(zhì)均能有效地進行實驗研究，學(xué)者們從加載設(shè)備、實驗原理和實驗結(jié)果等多方面進行了總結(jié)，包括循環(huán)荷載[19-20]、沖擊荷載[21-22]、爆炸荷載[23]。除了考慮荷載因素，巖石材料自身的性質(zhì)和賦存環(huán)境因素也受到了廣泛的關(guān)注，Ju 等[24]綜述了弱界面對巖石或類似脆性材料的裂紋擴展的影響，主要包括弱界面的強度、角度、層間效應(yīng)和荷載類型等因素。Cao 等[25]總結(jié)了含節(jié)理巖石或類巖石材料在不同應(yīng)力條件下的裂紋起裂、擴展和貫通特性，從實驗和數(shù)值方面討論了含節(jié)理巖石的強度、變形和破壞特征。此外，大量的數(shù)值模擬工作推動了巖石材料裂紋擴展的研究，主流的計算方法分為3 類：基于連續(xù)介質(zhì)的方法、離散裂紋的方法和基于塊的方法，結(jié)合高效的損傷模型，數(shù)值手段成為了研究巖石斷裂的有效工具[26-32]。

然而，雖然近年來學(xué)者們廣泛研究了各種因素影響下巖石的破壞機理，但是關(guān)于巖石材料中動態(tài)裂紋擴展的力學(xué)行為機理和影響其裂紋擴展性質(zhì)相關(guān)因素的研究在數(shù)量上和范圍上都相當有限，同時關(guān)于巖石中動態(tài)裂紋擴展的實驗測試技術(shù)研究也未被系統(tǒng)地總結(jié)和比較。因此，本文中，旨在全面回顧目前對動荷載下巖石材料裂紋擴展的實驗研究。首先，回顧實驗研究中巖石材料裂紋擴展的動態(tài)實驗技術(shù)和測試方法；然后，以應(yīng)變率為主線，依次總結(jié)中低應(yīng)變率、高應(yīng)變率和超高應(yīng)變率下巖石內(nèi)裂紋動態(tài)擴展行為的實驗研究；最后，對全文進行簡要總結(jié)，并探討一些前瞻性的研究。

1 動態(tài)實驗的測試技術(shù)

近年來，隨著巖石動力學(xué)的不斷發(fā)展，對于巖石材料動態(tài)力學(xué)特性的測試已經(jīng)成熟，可以實現(xiàn)有效的重復(fù)實驗。為了能夠精準地監(jiān)測巖石材料試樣瞬態(tài)響應(yīng)過程中的應(yīng)變（位移）場和破壞模式，有效的測試技術(shù)是必不可少的，例如裂紋擴展計、數(shù)字圖像相關(guān)法和X 射線計算機斷層掃描技術(shù)等，本節(jié)中對動荷載下巖石裂紋擴展研究中的測試技術(shù)進行總結(jié)。

1.1 X 射線計算機斷層掃描技術(shù)

計算機斷層掃描技術(shù)（computed tomography, CT）可以通過圖像堆棧矢量化重構(gòu)巖石內(nèi)部裂隙模型，并對裂紋特征進行統(tǒng)計分析，進而在一定意義上還原巖石內(nèi)部裂紋擴展的演化過程，定量研究巖石裂紋動態(tài)擴展，如圖2 所示[33-35]。相比傳統(tǒng)二維電鏡掃描技術(shù)，CT 技術(shù)作為一種無損傷觀測方法，可以提供三維微觀裂紋信息，更利于揭示巖石斷裂破壞機制[36]。近年來，CT 技術(shù)已經(jīng)在巖石靜態(tài)測試中廣泛應(yīng)用[37-40]，在動態(tài)實驗中由于加載率過高，巖石試樣在動荷載下破碎往往比較嚴重，目前大多對有側(cè)向圍壓限制的實驗或者漸進加載實驗進行了事后掃描分析。Huang 等[33]對花崗巖的動態(tài)壓縮累積損傷性質(zhì)進行了探究，對巖樣進行掃描得到了內(nèi)部三維微裂紋網(wǎng)絡(luò)，探究了微裂紋隨加載應(yīng)變的演變規(guī)律。Li 等[34]采用三軸霍普金森桿系統(tǒng)對具有不同角度層理面的煤樣進行了動-靜耦合實驗，同時采用CT 對重復(fù)沖擊下煤樣的損傷情況進行了掃描，可以直觀顯示煤在反復(fù)沖擊作用下的遞進破壞和裂紋形態(tài)。Xing 等[35]采用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）對缺口半圓彎曲（notched semi-circular bend,NSCB）試件進行了沖擊實驗，研究了巖石材料斷裂過程區(qū)中裂紋的演化規(guī)律，并使用CT 還原了斷裂過程區(qū)的裂紋分叉現(xiàn)象。王偉等[41]采用動靜組合式SHPB 對砂巖試樣進行了沖擊實驗，利用CT 建立了砂巖試樣不同橫截面的損傷情況及裂紋分布，此外，在SHPB 系統(tǒng)中采用X 射線放射成像技術(shù)進行原位測試已經(jīng)實現(xiàn)，可以對加載過程中試件截面破壞情況進行實時還原[42-43]。

圖3 數(shù)字圖像相關(guān)原理[46]Fig.3 The digital image correlation principle[46]

1.2 數(shù)字圖像相關(guān)法

1.3 焦散線實驗方法

焦散線實驗方法可以很便捷地測量裂紋尖端位移、應(yīng)變及應(yīng)力，在透明材料的動態(tài)斷裂測試中應(yīng)用廣泛[55-56]。然而，巖石材料作為一種不透明材料并不適用于一般的焦散斑系統(tǒng)，通常采用聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethyl methacrylate, PMMA）等透明脆性材料代替巖石定性探究巖石材料的動態(tài)性質(zhì)。反射式動態(tài)焦散線測試系統(tǒng)可以很好地解決巖石材料不透明的問題，如圖4 所示[57]，反射式動態(tài)焦散線系統(tǒng)由4×4 矩陣排布的多火花高速攝像機、場景和半反鏡組成。在試樣準備階段，將試件表面打磨平整，然后在玻璃表面采用真空蒸鍍法鍍上鋁膜，轉(zhuǎn)貼至試件表面，這樣不透明的巖石材料也能具有鏡面性質(zhì)，并且鋁膜和環(huán)氧膠的厚度很薄，對巖石斷裂的影響可以忽略[57-58]。通過高速攝像機記錄下的焦散斑圖像，可以還原裂紋的生長過程，進而計算得到裂紋擴展長度和裂紋擴展速度。此外，根據(jù)焦散斑圖像理論，可以通過焦散斑圖像計算裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強度因子，可表示為[59]：

圖4 反射式焦散線法原理示意圖[57]Fig.4 Schematic diagram of the reflection caustic method[57]

式中：F(v)與裂紋速度相關(guān)；Z0為高速攝像機焦平面與試件之間的距離；d為試件的厚度；c為材料的應(yīng)力-光學(xué)常數(shù)；應(yīng)力強度因子的比例系數(shù) μ 可由(Dmax-Dmin)/Dmax的取值確定，Dmax和Dmin分別為混合型裂紋尖端焦散斑橫向直徑的最大值和最小值； 若裂紋斷裂模式為純Ⅰ型，則μ= 0。

1.4 高速紅外熱成像法

紅外熱成像法將物體在電磁譜的紅外頻段散發(fā)的熱能轉(zhuǎn)化為可見圖像。根據(jù)紅外熱成像原理，Salami 等[60]發(fā)現(xiàn)粒子粉碎會在高應(yīng)力狀態(tài)下消耗掉大部分輸入能量，這種能量耗散通過熱交換發(fā)生。利用紅外熱成像技術(shù)可以實時觀測斷裂試樣表面的溫度場，確定裂紋擴展時裂尖端產(chǎn)生的熱量，如圖5所示[60]。但是因為技術(shù)限制，即使采用高速紅外熱成像相機依然無法追蹤裂紋擴展，最終只能根據(jù)熱產(chǎn)生過程定性分析巖石材料斷裂性質(zhì)[60]。紅外熱成像的特性在巖石斷裂研究中具有巨大的潛力，但是由于缺乏成熟的技術(shù)及理論支撐，使得這一技術(shù)仍然沒有得到充分的利用[61]。

圖5 石灰?guī)r試樣斷裂過程的熱成像圖像[60]Fig.5 Thermographic images of the fracture process in a limestone specimen[60]

1.5 導(dǎo)電碳膜測試方法

為了測量強腐蝕-高溫-高圍壓環(huán)境下的巖石斷裂性質(zhì)，一種采用防水-防腐的導(dǎo)電碳膜測量裂紋擴展速率的新方法被提出[62]。如圖6 所示[62]，在加載前將導(dǎo)電碳膜粘貼在巖樣的預(yù)制裂紋尖端。加載過程中，隨著裂紋擴展，試件表面的碳膜也將被撕裂，而電流將會沿電阻最小的路徑流動（A→C→B），即隨著裂紋的不斷生長，電流的路徑會不斷變長，因此通過導(dǎo)線測量A和B間電壓值會變大。并且碳膜的電阻值是均勻分布的，所以根據(jù)電壓信號的變化即可得到裂紋擴展速率。

圖6 導(dǎo)電碳膜對巖石材料裂紋擴展速度的測試原理[62]Fig.6 Test schematic diagram of crack propagation speed in rock material by using a conductive carbon film[62]

1.6 裂紋擴展計

裂紋擴展計（crack propagation gauge, CPG）主要用來測試裂紋起裂時間和裂紋擴展速度，由一定數(shù)量的電阻絲平行并聯(lián)組成，每2 根相鄰電阻絲之間的距離為2 mm，根據(jù)需要測試的斷裂范圍大小選定不同長度的型號，20～100 mm 不等。如圖7 所示[63-64]，CPG 一般粘貼在具有預(yù)制裂紋的試件上使用，粘貼前對試件進行打磨，力求試件平整，粘貼時第1 根電阻絲緊貼在預(yù)制裂紋尖端，以保證測試起裂時間的精確性。同時在CPG 測試系統(tǒng)中除了裂紋擴展計還包括計算機、示波器、2 枚電阻及恒壓電源。當裂紋沿CPG 擴展時，平行的電阻絲會依次斷開從而導(dǎo)致電路中的電阻值不斷增大。如圖6(b)所示[62]，由于電阻值增大會導(dǎo)致電壓信號跳躍，對電壓信號求導(dǎo)即可得到電壓信號的激變時刻，即電阻絲斷裂時刻，進而可以得到裂紋起裂時刻和裂紋擴展速度[65-67]?？傮w來說，因為CPG 是一種電測法測試元件，相比依賴于高速攝像機的光學(xué)測試方法，可以連續(xù)測量裂紋擴展速率，而測試區(qū)域小、同時需要與試件相接觸是這種方法的不足。CPG 作為一種基于電測法對表面裂紋擴展過程的測試方法，其最大的優(yōu)勢就是采集頻率高、采集系統(tǒng)容易搭建，但是隨著高速攝像機的快門幀率不斷提高，DIC 技術(shù)的不斷發(fā)展，在動態(tài)實驗中，CPG 測試系統(tǒng)將會逐步被取代。

圖7 裂紋擴展計測試系統(tǒng)及其測試結(jié)果[63-64]Fig.7 The crack propagation gauge (CPG) test system and its test result[63-64]

1.7 聲發(fā)射

巖石在受力過程中彈性波的性質(zhì)會發(fā)生變化，會以彈性波形式釋放應(yīng)變能，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission, AE）[68]。巖石聲發(fā)射蘊含著巖石內(nèi)部破壞過程的許多信息，可用于巖石內(nèi)部損傷的檢測和破壞機理的研究[69-71]，同時在巖石斷裂的監(jiān)測中也應(yīng)用廣泛[72-74]。在巖石斷裂力學(xué)的發(fā)展中，AE 技術(shù)主要針對宏觀裂紋出現(xiàn)前的微裂紋監(jiān)測，通過巖石材料釋放特定頻率的彈性波去還原破壞過程和斷裂模式。目前在巖石靜態(tài)斷裂測試中應(yīng)用廣泛且測試技術(shù)成熟[75]，而在動態(tài)測試中，一方面，巖石破壞伴隨極大的動荷載擾動，另一方面，瞬時加載形式對聲發(fā)射采集頻率和探頭敏感性要求更高，導(dǎo)致聲發(fā)射在動態(tài)斷裂實驗中應(yīng)用較困難。如圖8 所示，Li 等[76]和Wang 等[77]在巖石動態(tài)劈裂實驗中將AE 測試系統(tǒng)加入SHPB 動態(tài)加載系統(tǒng)中，采用采樣率為20 MHz 的瞬態(tài)記錄系統(tǒng)TraNET EPC 對聲發(fā)射信號進行采集，試件前后各選用2 個鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate, PbZrxTi1-xO3，PZT）傳感器（諧振頻率為1 MHz，直徑為10 mm，質(zhì)量為1.2 g），同時搭配信號衰減器以避免沖擊能量過大超出儀器量程，結(jié)合聲發(fā)射結(jié)果揭示了動態(tài)破壞中各相異性裂紋的萌生和擴展。

圖8 SHPB-AE 系統(tǒng)原理圖[76-77]Fig.8 Schematic diagram of the SHPB-AE system[76-77]

1.8 小結(jié)

對目前廣泛應(yīng)用于巖石材料裂紋擴展的測試技術(shù)進行了綜述，包括改進的接觸式電測方法、基于高速攝像的光學(xué)測試方法及X 射線CT 掃描技術(shù)等，對本節(jié)中提到的測試方法進行總結(jié)，見表1。

表1 動荷載下巖石裂紋擴展測試技術(shù)總結(jié)Table 1 Summary of techniques for testing rock crack growth under dynamic load

2 不同應(yīng)變率條件下巖石裂紋擴展性質(zhì)

應(yīng)變率是影響巖石動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的最重要的參數(shù)，在不同應(yīng)變率下，巖石材料的力學(xué)行為差異很大。如圖9 所示[78]為按照應(yīng)變率高低分類的典型巖石動力學(xué)問題分類及加載方法，在研究巖石材料動態(tài)裂紋擴展問題中落錘、分離式霍普金森壓桿和爆破為主要加載手段。

圖9 以應(yīng)變率劃分的巖石動力學(xué)問題及對應(yīng)的實驗方法[78]Fig.9 Rock dynamics problems divided by strain rate and the corresponding experimental methods[78]

2.1 中低應(yīng)變率下巖石裂紋擴展性質(zhì)

在中低速的巖石動態(tài)沖擊實驗中，落錘是一種有效的加載系統(tǒng)。落錘沖擊裝置是通過一個已知重量和下落高程的沖擊錘對巖石試件施加沖擊荷載，通過計算沖擊錘的動量來控制試件變形和破壞模式。目前，落錘沖擊實驗中巖石試樣的應(yīng)變率在1～100 s-1。圖10 所示[79]為傳統(tǒng)實驗室落錘裝置，通常被用來對一些標準巖樣進行沖擊實驗，測試巖石試樣的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)。近年來，很多學(xué)者使用落錘裝置對巖石材料的動態(tài)斷裂性質(zhì)進行了研究，包括動態(tài)斷裂韌度、動態(tài)斷裂能、裂紋擴展模式及動態(tài)破碎機理等[79-83]。

圖10 傳統(tǒng)實驗室落錘裝置[79]Fig.10 A traditional laboratory drop-hammer device[79]

然而，傳統(tǒng)落錘沖擊裝置大多為錘頭在自身重力作用下直接與試件發(fā)生撞擊從而引起試件破壞，在分析巖樣的變形和破壞過程時存在精度不高的缺陷。為了實現(xiàn)兼顧試件大尺寸和沖擊實驗的高精度，周磊等[84]根據(jù)SHPB 原理開發(fā)了落錘沖擊裝置，如圖11 所示[64]。該沖擊裝置主要由落錘、入射板、透射板和紅外測速儀組成，在落錘與入射板撞擊端粘貼黃銅片作為整形器，以減弱高頻振蕩并延長加載時間。實驗過程中通過超動態(tài)應(yīng)變儀和示波器采集入射端和透射端的電壓信號，并且由下式計算可得作用于試樣的應(yīng)力波形[66,84]：

圖11 落錘沖擊加載裝置[64]Fig.11 The drop-hammer impact loading device[64]

式中：E為入射板和透射板的彈性模量，εi(t)、εr(t)和εt(t)分別對應(yīng)為入射波、反射波和透射波的時程曲線。圖12 所示[85]為落錘沖擊系統(tǒng)下的典型波形，F(xiàn)i(t)和Ft(t)分別為試件上下兩端部所受的力,Fr(t)為試件上端反射波對應(yīng)的力。

圖12 落錘沖擊下的典型波形[85]Fig.12 Typical waveforms under a drop-hammer impact[85]

落錘沖擊裝置可以選擇尺寸更大的試樣進行實驗，以此為巖石試樣中裂紋擴展提供充足的空間，充分研究裂紋擴展的全過程包括起裂、擴展及止裂。并且可以在試樣中加入不同形狀的缺陷及洞室以研究裂紋與空腔結(jié)構(gòu)之間的交互作用，同時可以改變試樣和透射板的形狀研究不同邊界條件對裂紋擴展的影響。此外，結(jié)合數(shù)值手段，采用實驗-數(shù)值相結(jié)合的方法，求解沖擊荷載下巖石的裂紋擴展行為，包括擴展路徑、動態(tài)起裂韌度、動態(tài)擴展韌度及止裂等問題[66-67,86-87]。

如圖13 所示，Dong 等[85]采用一種新型側(cè)開變角度單裂紋三角形（variable angle single cleavage triangle, VASCT）構(gòu)型來探究巖石在沖擊荷載下的動態(tài)裂紋擴展行為。VASCT 構(gòu)型可以采用落錘沖擊裝置進行動態(tài)沖擊實驗，大尺寸可以減小邊界反射波對裂紋擴展的影響，更便于分析應(yīng)力波作用下巖石中裂紋起裂、擴展和止裂全過程。當裂紋傾斜角α=0°時，試件裂紋擴展模式為Ⅰ型，在裂紋動態(tài)擴展過程中，裂紋速度是不斷波動的，并且會發(fā)生止裂現(xiàn)象，加載率越低，裂紋越容易止裂且止裂時間越長。同時采用實驗-數(shù)值法對裂紋起裂韌度、擴展韌度及止裂韌度進行計算，結(jié)果表明，起裂韌度和止裂韌度均高于擴展韌度，但起裂韌度和止裂韌度差別不大?？傮w來看，動態(tài)裂紋擴展韌度和裂紋擴展速度成反比[8,66,88]；當α＞0°時，試件裂紋擴展模式為Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型，隨著裂紋傾角α 從0°到20°的變化，動態(tài)起裂時間、裂紋擴展速度及Ⅰ型動態(tài)斷裂韌性大幅降低，而Ⅱ型動態(tài)斷裂韌性不斷增強。隨著裂紋傾斜角從20°增大至60°，上述動態(tài)斷裂參數(shù)的變化有輕微的上下波動[85]。

圖13 SCT 試件示意圖及加載形式[85]Fig.13 Schematic diagram of the SCT specimen and the loading mode[85]

應(yīng)力波在傳播至不同波阻抗的界面時，會產(chǎn)生透射波和反射波，其性質(zhì)與材料以及界面的形狀有很大的關(guān)系，尤其是不同性質(zhì)的反射波對裂紋擴展行為影響巨大。Wang 等[89]和Lang 等[90-91]發(fā)現(xiàn)V 形邊界和弧形邊界產(chǎn)生的反射波對裂紋生長有抑制作用，并采用落錘沖擊裝置探究了沖擊荷載下不同邊界的裂紋止裂技術(shù)，如圖14 所示[90-91]?；⌒芜吔绾蚔 形邊界都對反射應(yīng)力波有聚焦的作用，當反射應(yīng)力波匯聚于運動中的裂紋尖端時對裂紋有明顯的止裂作用?；⌒芜吔缰?20°止裂效果最好，V 形邊界中也為120°止裂效果最好，弧形相比V 形止裂效果更好。

圖14 不同形狀邊界的裂紋止裂技術(shù)[90-91]Fig.14 Crack arrest techniques for different shape boundaries[90-91]

除了考慮邊界形狀對裂紋擴展行為的影響，當裂紋擴展過程中遇到空腔和裂隙等缺陷時，裂紋擴展路徑、擴展模式、擴展速度及擴展韌度均會發(fā)生變化。Zhou 等[92]采用落錘沖擊裝置研究了裂紋在擴展過程中與裂隙之間的相互作用，Ⅰ型裂紋與傾斜裂隙相遇時會相互吸引并最終在傾斜裂隙尖端搭接，傾斜裂紋的擴展模式為Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型，并且隨著兩裂紋間距離的增大，Ⅰ型應(yīng)力強度因子不斷減小，Ⅱ型應(yīng)力強度因子不斷增大，如圖15 所示[92]。Yang 等[93]采用動態(tài)焦散線系統(tǒng)研究了沖擊荷載下孔洞對裂紋擴展行為的影響，孔洞缺陷的存在會降低裂紋擴展速度及動態(tài)應(yīng)力強度因子，此效應(yīng)受孔洞直徑影響，適當?shù)目讖娇梢詢Υ娓嗟膽?yīng)變能，從而在很大程度上限制裂紋的擴展。

圖15 裂隙尖端動態(tài)應(yīng)力強度因子隨時間變化[92]Fig.15 Dynamic stress intensity factors at the tip of the fracture over time[92]

如圖16 所示[94]，鄧帥等[94]在落錘沖擊裝置中加入了側(cè)向加壓設(shè)備，以模擬賦存于地底深處巖體的應(yīng)力狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，原巖應(yīng)力對裂紋的擴展有明顯的阻礙作用，在裂紋動態(tài)擴展過程中需要克服原巖應(yīng)力做功，需要的能量更大，能量的積累過程消耗的時間變長，導(dǎo)致起裂時刻滯后，裂紋擴展速度降低，且只有部分能量被用于裂紋擴展，裂紋擴展長度變短。

圖16 落錘沖擊實驗裝置及側(cè)向加壓設(shè)備[94]Fig.16 A drop-hammer impact experimental device and lateral pressure equipment[94]

2.2 高應(yīng)變率下巖石裂紋擴展性質(zhì)

目前，在高應(yīng)變率巖石動態(tài)實驗中，SHPB 是使用最廣泛的加載設(shè)備。SHPB 系統(tǒng)主體部分由充氣倉、沖擊桿、入射桿、透射桿和吸能桿組成，根據(jù)實驗需求可以加入高速攝像模塊和多軸加載模塊等，如圖17 所示。當沖擊桿撞擊入射桿時，產(chǎn)生壓縮脈沖并向試件傳播，當該壓縮脈沖到達入射桿與試件之間的界面時，一部分應(yīng)力脈沖穿過試件，然后作為壓縮脈沖傳輸?shù)酵干錀U中，而其余部分作為拉伸脈沖反射回入射桿中。應(yīng)變計通常安裝在沿入射桿和透射桿長度的中點上，以記錄試件兩端的應(yīng)力波。

圖17 傳統(tǒng)分離式霍普金森壓桿示意圖Fig.17 Schematic diagram of the traditional split Hopkinson pressure bar

Zhang 等[22]和Xia 等[95]對近年來SHPB 在巖石動力學(xué)測試中的技術(shù)發(fā)展進行了總結(jié)，包括脈沖整形技術(shù)、多軸加載技術(shù)、動量陷阱技術(shù)和應(yīng)變控制技術(shù)。在表2 中總結(jié)了巖石動態(tài)斷裂測試中SHPB 主要發(fā)展進程，包括主流的斷裂參數(shù)測試方法和SHPB 設(shè)備的改進與創(chuàng)新。

表2 分離式霍普金森壓桿在巖石動態(tài)斷裂測試中的主要發(fā)展Table 2 Main developments of split Hopkinson pressure bars in rock dynamic fracture tests

王蒙等[107]設(shè)計了一種側(cè)開半圓開口壓縮（single cleavage semicircle compression, SCSC）試件，并采用SHPB 系統(tǒng)探究了高速沖擊下巖石裂紋擴展性質(zhì)。如圖18 所示[107]，當x=0 時，裂紋擴展為純Ⅰ型；當x＞0 時，裂紋擴展為Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型。SCSC 構(gòu)型可以通過調(diào)節(jié)裂紋到試件中軸線的距離，來研究不同復(fù)合程度的裂紋問題，并且試件擴展路徑較長，便于對裂紋快速擴展的路徑進行分析，同時，可以通過路徑判斷裂紋在擴展過程中的止裂點[107,116-118]。Gao 等[67]和Wang 等[119]基于SCSC 試件，探究了孔洞缺陷對巖石裂紋擴展行為的影響，發(fā)現(xiàn)孔洞會影響裂紋尖端附近的應(yīng)力分布，進而改變裂紋生長路徑及斷裂模式。

圖18 SCSC 試件構(gòu)型示意圖[107]Fig.18 Schematic configuration of the SCSC specimen[107]

礦物成分及晶粒尺寸的不同是巖石呈各向異性的重要原因，但是以上對巖石裂紋擴展影響程度不大，分析宏觀裂紋擴展行為更多地應(yīng)該考慮裂隙、節(jié)理等強不均勻因素。如圖19 所示[120]，王興渝等[120]和Wang 等[121]探究了不同節(jié)理傾角頁巖中裂紋動態(tài)擴展性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在主裂紋生長過程中會沿層理面開裂，進而產(chǎn)生次生裂紋并且次生裂紋更偏向于在裂紋擴展速度減緩區(qū)產(chǎn)生。頁巖層理會使裂紋擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種作用隨著加載率的增大而減小。相同加載率下，節(jié)理傾斜角為60°的頁巖動態(tài)斷裂韌度更低，裂紋擴展速度更高。除了巖石材料中天然存在的節(jié)理面，在巖土工程中廣泛存在巖石和混凝土相接的界面。圖20(a)[122]所示為沖擊荷載下預(yù)制裂紋穿透砂漿-巖石界面的情形，預(yù)制裂紋能否穿透界面與兩種材料剛度差異及界面粗糙度有關(guān)，材料差異越小，界面粗糙度越大，裂紋越容易穿過界面，而且當巖石與砂漿材料剛度差異過大時，裂紋會沿巖石-砂漿界面擴展。裂紋擴展韌度在界面過渡區(qū)隨著加載率的提高而增大[122]。圖20(b)[109]所示為沖擊荷載下預(yù)制裂紋沿巖石-砂漿界面擴展的情形，巖石-砂漿界面裂紋擴展性質(zhì)與界面粗糙度有很大關(guān)系，裂紋擴展速度與界面粗糙度成反比，裂紋擴展韌度與界面粗糙度成正比。早期沿巖石-砂漿界面破裂主要受拉應(yīng)力驅(qū)動，后期由于應(yīng)力波在2 種材料間傳播的不平衡會造成剪切破壞帶[109]。

圖19 不同節(jié)理傾角頁巖試件在沖擊作用下的裂紋擴展規(guī)律[120]Fig.19 Crack propagation law of shale specimens with different joint inclination angles under impact[120]

圖20 巖石-砂漿界面在沖擊作用下的破壞規(guī)律[109,122]Fig.20 Failure law of rock-mortar interface under impact[109,122]

2.3 超高應(yīng)變率下巖石裂紋擴展性質(zhì)

對于超高應(yīng)變率巖石動態(tài)實驗，爆炸實驗被廣泛用來研究巖石的破碎及斷裂破壞，應(yīng)變率為102～104s-1[123]。相對SHPB 加載，爆炸加載有4 點不同：(1)在SHPB 加載過程中，試件處于動力平衡狀態(tài)，并且可以得到穩(wěn)定的加載波，裂紋擴展相比爆炸加載更可控；(2)爆炸加載產(chǎn)生的應(yīng)力波波長更短；(3)爆炸加載下應(yīng)變率遠高于SHPB 加載；(4)在爆炸實驗中往往沒有標準的構(gòu)型測試巖石的動態(tài)性質(zhì)，大多基于工程背景或者爆炸波特性設(shè)計相應(yīng)的設(shè)備及試樣進行實驗，如圖21 所示。近年來，許多學(xué)者對爆炸荷載下巖石動態(tài)斷裂性質(zhì)進行了研究。王偉等[124]借助有限元軟件，研究了爆炸波作用下巖石中Ⅰ型裂紋的動態(tài)擴展，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波的上升沿持續(xù)時間和峰值壓力對巖石中Ⅰ型裂紋的擴展有很大影響。圍巖在首次爆破后會形成復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)，Liu 等[125]對初始爆破損傷下復(fù)雜圍巖在爆炸荷載作用下的裂紋發(fā)育特征進行了研究。He 等[126]建立了一種雙軸圍壓與中心爆炸荷載耦合的新型實驗裝置，結(jié)合DIC 技術(shù)測試了不同雙軸圍壓下巖石中裂紋的擴展過程。由于炸藥的使用受到嚴格管控，Peng 等[127]和閆廣亮等[128]用金屬絲電爆炸模擬爆炸荷載，探究了在爆炸波作用下巖石、類巖石材料的應(yīng)變動態(tài)演化及裂紋擴展過程。

圖21 實驗室?guī)r石爆破加載裝置 [23,126,128]Fig.21 Laboratory rock blasting loading devices[23,126,128]

爆炸應(yīng)力波作用下，巖石等脆性材料的動態(tài)擴展韌度也被廣泛研究，但由于沒有推薦的構(gòu)型進行測試，很多學(xué)者考慮到爆炸應(yīng)力波傳播、自由邊界影響、空腔及洞室等因素設(shè)計了相關(guān)構(gòu)型，研究了裂紋擴展過程及斷裂韌度[129-132]。通過焦散線方法可以將膨脹波、剪切波及反射波以不同條紋形狀表現(xiàn)出來，進而可以探究應(yīng)力波對裂紋擴展行為的影響，不同性質(zhì)的應(yīng)力波從不同方向作用于裂紋，對裂紋的應(yīng)力強度因子、擴展速度及擴展路徑等均會產(chǎn)生影響[133-136]。Qiu 等[137]采用焦散線方法研究了垂直向和水平向的反射爆炸應(yīng)力波對擴展中裂紋的影響，結(jié)果表明，垂直反射的膨脹波會使裂紋應(yīng)力強度因子及擴展速度降低，導(dǎo)致裂紋止裂；水平向反射的膨脹波使裂紋應(yīng)力強度因子和擴展速度升高，促進裂紋張開。如圖22 所示，Xu 等[138]采用動態(tài)光彈測試系統(tǒng)研究了爆炸應(yīng)力波對爆生裂紋擴展行為的影響。結(jié)果表明，在爆炸波與反向傳播的裂紋相互作用過程中，膨脹應(yīng)力波抑制裂紋擴展，而剪切應(yīng)力波促進裂紋擴展。這些結(jié)果對于確定合理的鉆孔間延遲時間、精確控制裂縫擴展行為具有重要意義。幾何形狀不規(guī)則的小尺寸試件中存在應(yīng)力波邊界反射行為，并會干預(yù)裂紋的擴展，因此，邊界的反射拉伸波會對實驗結(jié)果的準確性產(chǎn)生不可忽略的影響。劉瑞峰等[139]和Liu 等[140]設(shè)計了一種內(nèi)部單裂紋圓盤（single internal crack circular disc, SICCD） 試件 ，可以用來研究爆炸荷載下I 型裂紋的擴展行為，如圖23(a)所示[140]。SICCD 構(gòu)型的尺寸可以避免爆炸應(yīng)力波傳遞至試件邊界產(chǎn)生的反射拉伸波對裂紋擴展的影響，在反射爆炸波到達裂紋尖端時，裂紋在監(jiān)測區(qū)域已經(jīng)完成擴展進而避免了反射拉伸波的影響。此外，結(jié)合CPG 測試系統(tǒng)和實驗-數(shù)值計算方法可以測試巖石材料在爆炸應(yīng)力波作用下的動態(tài)斷裂參數(shù)，包括起裂時間、起裂韌度、擴展韌度和止裂韌度。測試結(jié)果表明，巖石材料起裂韌度高于擴展韌度，相比于裂紋的起裂，裂紋在動態(tài)擴展時所需的驅(qū)動力相對較小。而引起裂紋在擴展過程中止裂的因素有很多，包括動荷載類型、試件構(gòu)型及尺寸、裂紋長度等因素，所以對于止裂韌度的測試還需要在未來研究中進一步探究。Wan 等[131]在試件邊緣設(shè)置了一系列平行的缺口，制造了垂直于裂紋擴展方向的自由邊界（rectangle plate with a crack and edge notches, RPCEN），改變了反射拉伸波的運動方向，從而避免了反射應(yīng)力波對裂紋擴展行為的影響，提高了對斷裂韌度測試的精準性，如圖23(b)所示。

圖22 爆炸應(yīng)力波與裂紋相互作用的光彈性實驗結(jié)果[138]Fig.22 Photoelasticity experimental results during the blast wave-crack interaction[138]

圖23 爆炸應(yīng)力波下巖石動態(tài)斷裂參數(shù)的2 種測試構(gòu)型[131,140]Fig.23 Two test configurations of rock dynamic fracture parameters under explosive stress waves[131,140]

孔洞、節(jié)理、層理等缺陷對爆炸應(yīng)力波傳播有很大影響，從而會影響爆生裂紋的擴展行為。如圖24所示，李盟等[132]研究了爆炸荷載下孔洞對裂紋動態(tài)擴展行為的影響，發(fā)現(xiàn)當裂紋在2 個空孔之間擴展時，裂紋可能分叉成2 條與這2 個孔相連的裂紋，也可能停在這2 個孔之間，也可能穿過這2 個孔。當兩孔間距小于一定值時，產(chǎn)生垂直于擴展裂紋的應(yīng)力在止裂過程中起著關(guān)鍵作用，增大了裂紋的擴展韌度，降低了裂紋的擴展速度。這種止裂原理解釋了隧道光面爆破中輪廓孔對巖體破碎的抑制作用，起到平整隧道爆破面的作用[129-132]。Xu 等[141]研究了不同角度未填充節(jié)理對爆生裂紋擴展行為的影響，結(jié)果表明：垂直節(jié)理產(chǎn)生的反射波抑制裂紋動態(tài)應(yīng)力強度因子，并降低了裂紋速度；斜節(jié)理產(chǎn)生的反射波增大了擴展裂紋的應(yīng)力強度因子，使裂紋以Ⅰ/Ⅱ混合型方式擴展，誘發(fā)裂紋偏轉(zhuǎn)。

圖24 孔洞對爆生裂紋擴展行為的影響[132]Fig.24 Effect of holes on propagation behaviors of burst cracks[132]

3 結(jié)論與展望

在巖石動態(tài)斷裂測量技術(shù)中，主要的監(jiān)測手段分為非接觸式的光學(xué)方法和接觸式的電測法。隨著高速攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸的光學(xué)方法將巖石動態(tài)斷裂測試提升到了新的高度，通過將高頻率的光學(xué)信息進行轉(zhuǎn)換，可以得到高精度、多維度、大測試范圍和長時間尺度的力學(xué)信息。其中X 射線CT 重構(gòu)法可以還原巖石內(nèi)部裂紋擴展的演化過程，提供三維裂紋信息，定量研究巖石裂紋動態(tài)擴展；焦散線法可以實時觀測裂紋的生長過程，進而計算得到裂紋擴展長度和裂紋擴展速度，并且根據(jù)焦散斑圖像理論，可以直接計算得到裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強度因子；數(shù)字圖像相關(guān)法可以獲得高應(yīng)變率實驗中高分辨率全場應(yīng)變信息，進而可以定量分析裂紋擴展過程和機理。接觸式的電測法相對光學(xué)測試方法而言更便捷，獲取數(shù)據(jù)的頻率更高，其中CPG 和導(dǎo)電碳膜可通過電路中電信號的變化獲得裂紋的起裂時間和擴展速度，但是測試范圍小，獲取的信息也較單一。

應(yīng)變率是動態(tài)實驗中的重要參數(shù)，落錘沖擊裝置、SHPB 系統(tǒng)和爆炸實驗分別廣泛應(yīng)用于中低應(yīng)變率、高應(yīng)變率和超高應(yīng)變率實驗中。

在中低應(yīng)變率中多采用落錘裝置對巖石試樣進行沖擊實驗，相比傳統(tǒng)實驗室落錘裝置，落錘沖擊裝置根據(jù)SHPB 原理設(shè)計，對巖石試件施加應(yīng)力波以探究動態(tài)裂紋擴展行為。在落錘沖擊裝置中可以選擇尺寸更大的試樣進行實驗，以此為巖石試樣中裂紋擴展提供充足的空間，研究裂紋擴展的全過程，包括起裂、擴展及止裂。聯(lián)合實驗-數(shù)值相結(jié)合的方法可以對起裂韌度、擴展韌度及止裂韌度進行求解。在落錘沖擊裝置下，帶有預(yù)制裂紋的側(cè)邊開口試件可以很好地研究不同擴展模式、不同邊界條件的裂紋擴展問題。此外，在落錘沖擊裝置中還可以加入被動測壓裝置以研究原巖應(yīng)力下巖石裂紋動態(tài)擴展性質(zhì)。

近年來，隨著SHPB 技術(shù)的高速發(fā)展，脈沖整形技術(shù)和動量陷阱技術(shù)可以保證試件在加載過程中達到應(yīng)力平衡狀態(tài)且為單脈沖加載。在此基礎(chǔ)上，巖石的各種基本動態(tài)力學(xué)參數(shù)都能得到標準化的測試，包括動態(tài)抗壓強度、動態(tài)抗拉強度和動態(tài)剪切強度。在動態(tài)斷裂韌度方面，NSCB、CCNBD 和CCNSCB為當下主流的3 種量化方法。對于動態(tài)裂紋擴展問題而言，由于SHPB 配套加載技術(shù)和測試手段不斷完善，不同荷載條件（單軸、雙軸、三軸），不同環(huán)境條件（高溫、低溫、高滲），不同擴展模式（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型），不同巖石因素（節(jié)理、界面、缺陷）均受到了廣泛的關(guān)注。

在超高應(yīng)變率中的巖石裂紋擴展問題，主要總結(jié)了幾種在爆炸應(yīng)力波作用下對裂紋擴展性質(zhì)的研究方法。根據(jù)爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律和爆生裂紋擴展原理，SICCD 試件通過確定合適的爆心位置和幾何尺寸來避免反射爆炸波對裂紋擴展行為的影響，RPCEN 試件則巧妙地設(shè)置了自由邊界以改變反射波的路徑進而減少了反射波對裂紋擴展的影響。以上構(gòu)型結(jié)合實驗-數(shù)值法可以獲得裂紋動態(tài)起裂韌度、擴展韌度和止裂韌度。

雖然動荷載下巖石材料裂紋擴展實驗研究已經(jīng)取得了豐碩的結(jié)果，在實驗方法和測試技術(shù)方面取得了長足的發(fā)展，但仍有待進一步完善。現(xiàn)在大部分巖石動力實驗研究集中于常規(guī)尺度和常規(guī)環(huán)境下展開，并且裂紋擴展行為大多在二維平面下進行討論。進一步探究巖石斷裂機理需要考慮其地質(zhì)環(huán)境條件，在多維度、多尺度、多物理場耦合等條件下進行實驗探究，目前相關(guān)研究鮮有涉及，需要進一步深入研究：

(1)巖石是一種非均質(zhì)、各向異性的多礦物相材料，從不同尺度剖析其斷裂過程可以更深入地理解其斷裂機理。目前更多關(guān)注的是宏觀尺度的巖石斷裂實驗，對于微觀尺度的巖石動力學(xué)研究基本處于起步階段。需要進一步開發(fā)新的實驗技術(shù)和精細化測量儀器去捕捉微觀尺度的巖石斷裂行為，完善相關(guān)理論。

(2)在動荷載下，巖石體的斷裂行為往往是貫穿式的，而目前絕大多數(shù)測量方法都是針對二維平面進行監(jiān)測的，對于巖石體內(nèi)部三維裂紋的實時高頻監(jiān)測還不能實現(xiàn)。高速攝像機和X 射線計算機斷層掃描等技術(shù)已經(jīng)對巖石斷裂領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，未來需要聯(lián)合多種設(shè)備實現(xiàn)對巖石體的多維度測量，例如高速攝像機與高能X 射線的結(jié)合[142-144]。

(3)傳統(tǒng)的動態(tài)巖石斷裂實驗主要涉及高速沖擊或爆炸加載，這些加載形式往往不能反映巖石體真實歷程，未來可以開發(fā)新的測試方法以實現(xiàn)更真實的加載條件，例如地震波和采礦作業(yè)動荷載等。

(4)環(huán)境因素對巖石斷裂行為的影響十分重要，包括地應(yīng)力、溫度和流體流動等因素。未來研究需要考慮這些環(huán)境因素對裂紋擴展行為的影響，開發(fā)新的模型預(yù)測和控制不同環(huán)境下的裂紋生長。