基于高速数字图像相关分析的巴西圆盘动态拉伸特性与临界有效应变率研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Revisiting the Brazilian disc test with split Hopkinson pressure bar by high-speed digital image correlation analysis

本研究针对传统巴西圆盘测试在高应变率下应力平衡失效和边界破坏导致数据失真的问题，通过结合分离式霍普金森压杆与高速数字图像相关技术，系统分析了花岗岩的动态拉伸特性。研究发现动态强度增强因子存在三个明显区域，并首次确定了临界有效应变率（CVSr）为75 s-1，为岩石动态拉伸测试的可靠性评估提供了重要依据。

　　

岩石在爆破开挖、地震破裂等动态荷载作用下的力学行为研究一直是岩土工程领域的重点课题。与抗压强度相比，脆性岩石的抗拉强度要低得多，这使得岩石更容易发生拉伸破坏。巴西圆盘测试作为国际岩石力学学会推荐的动态拉伸强度测定方法，其有效性建立在应力平衡、一维应力波传播和中心起裂三个基本假设之上。然而在高应变率条件下，试样往往出现边界压溃破坏，导致测试结果严重偏离材料真实响应。以往研究观察到，当应变率超过特定阈值（约30 s^-1）时，动态强度增强因子（DIF）反而出现下降的反常现象，这引发了学术界对高应变率下巴西圆盘测试有效性的质疑。

为了解决这一难题，中国科学院武汉岩土力学研究所的李小凤、李海波与Giovanni Grasselli合作，在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表了最新研究成果。研究团队创新性地将高速数字图像相关分析技术（DIC）与分离式霍普金森压杆（SHPB）相结合，对花岗岩巴西圆盘试样的动态拉伸过程进行了全方位监测。

研究采用直径50毫米、厚25毫米的花岗岩圆盘试样，通过SHPB装置施加不同速率的冲击荷载，同时利用高速相机以微秒级时间分辨率记录试样表面变形。关键技术包括脉冲整形技术优化应力波、应变片测量与传统三波法对比、DIC算法参数优化（子集尺寸20像素，步长5像素），以及基于Hertz接触理论的理论模型推导。

研究结果方面，应力平衡分析表明，随着应变率升高，试样达到应力平衡的时间窗口显著缩短。当冲击速度达到8.7 m/s时，平衡状态仅能维持25微秒（75-100微秒区间）。DIC参数敏感性研究发现，过小的子集尺寸（10像素）会导致应变场离散，而过大的步长会降低裂纹尖端定位精度。

位移和应变场演化结果显示，裂纹在应力水平达到峰值90%时从圆盘中心起裂，起裂应变为0.32%。DIC测量的实际应变率（最高213 s^-1）远高于应变片测量值（最高77.6 s^-1），证实了传统测量方法在试样与杆件分离后的数据失真问题。裂纹扩展分析表明，裂纹速度在200-600 m/s范围内，且传播呈现不对称性。

动态拉伸强度的率依赖性分析将DIF-应变率关系划分为三个区域：I区（<1 s^-1）率不敏感；II区（1-30 s^-1）DIF从1.0增至7.0；III区（>30 s^-1）出现强度反常下降。通过排除边界失效的无效数据，拟合得到的特征应变率为48.3 s^-1，与理论预测范围（12-62 s^-1）高度一致。

失效模式分类研究识别出四种典型破坏类型：I型（中心劈裂，应变率<24.5 s^-1）为理想失效；II型（中心劈裂伴随端部压碎区）；III型（传递杆端部边界失效）；IV型（不平衡荷载导致的严重破碎）。基于应力平衡要求和Hertz接触理论，推导出临界有效应变率（CVSr）的理论值为75 s^-1，与实验中II型失效模式的最大应变率68.4 s^-1高度吻合。

研究结论明确指出，传统巴西圆盘测试的有效应变率上限为75 s^-1，超过此值将因边界失效导致数据失真。DIC技术能够准确捕捉到0.32%的起裂应变和200-600 m/s的裂纹速度，为动态拉伸行为研究提供了更可靠的数据支持。该研究不仅解决了长期困扰岩石动态拉伸测试的可靠性问题，还为相关实验规范的完善提供了理论依据，对岩土工程安全设计具有重要意义。