基于图像处理技术的花岗岩动态I/II型加载能量分析与微断裂特征研究

本刊推荐：该研究创新性地运用图像处理技术分析NSCB花岗岩试样的动态断裂能量分配，首次精确计算碎片平动动能(Wtk)和转动动能(Wrk)，并通过SEM测定真实断裂表面积（为名义面积的2.1倍）。结合深度学习定量表征断裂面剪切形态，揭示II型断裂能量略高于I型的机制（剪切形态占比更大），为岩石破碎能量优化提供新视角。

　　

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Experimental methods

采用中国漳州花岗岩作为测试材料，其性能参数见参考文献27。本研究使用带切口半圆弯曲（NSCB）试样，几何尺寸如图1(a)(b)所示。通过调整预制切口与外部载荷方向的夹角(β)，在NSCB试样中实现I型、II型及其混合型断裂。当预制切口平行于加载方向(β=0°)时，裂纹呈现纯I型扩展；当β≠0°时，则诱发II型断裂分量。

Fracture toughness

通过公式(1)和(2)确定I/II型动态应力强度因子(DSIF)，其峰值代表动态断裂韧性(DFT)。DSIF曲线线性段的斜率定义为加载速率(LR)。DFT和LR与对应静态值标准化后的关系显示（图2c），I型和II型断裂韧性均随加载速率增加而线性增长，且II型断裂韧性整体高于I型。

Microscopic fracture surface area measurement

真实断裂表面积的精准测定对计算真实断裂能量(w_f)至关重要。本研究采用垂直切片法（常用于金属材料的表面积测量技术），通过扫描电镜(SEM)对断裂面进行垂直切片并测量剖面长度。剖面粗糙度(R_L)计算显示，NSCB试样的真实断裂表面积是名义表面积的2.1倍，显著影响断裂能量的准确评估。

Dependence of fracture energy on loading rate in mode Ⅰ and mode Ⅱ

图11表明，在相同标准化加载速率下，II型断裂能量略高于I型。这一现象与岩石微观断裂机制相关：深度学习定量分析显示（图15a），II型试样断裂面的剪切形态占比更大，而剪切断裂需消耗更多能量。同时，I型断裂能量对加载速率的变化更敏感，因为随着加载速率提升，I型断裂面剪切形态的增幅略大于II型。

Conclusions

(1) 图像处理技术创新应用于计算NSCB试样碎片的平动动能(W_tk)和转动动能(W_rk)，精准量化了不规则碎片的动能分配；(2) 基于SEM的垂直切片法揭示了真实断裂表面积为名义面积的2.1倍；(3) 深度学习定量表征证实II型断裂面更高的剪切形态占比是其断裂能量(w_f)略高的关键机制。本研究为动态岩石破碎能量优化提供了微观尺度的重要依据。