《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Mode-I fracture characteristics of reef limestone under quasi-static and dynamic loading
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摘要：生物成因沉积形成的珊瑚礁灰岩（coral reef limestone，CRL）是远海岛礁广泛分布的关键地质材料。受成岩过程中孔隙结构、矿物组成与胶结程度差异影响，CRL具有显著非均质性。为揭示其Ⅰ型（张开型）断裂行为，研究人员对两类代表性岩性——珊瑚砂
摘要：生物成因沉积形成的珊瑚礁灰岩（coral reef limestone，CRL）是远海岛礁广泛分布的关键地质材料。受成岩过程中孔隙结构、矿物组成与胶结程度差异影响，CRL具有显著非均质性。为揭示其Ⅰ型（张开型）断裂行为，研究人员对两类代表性岩性——珊瑚砂屑灰岩（coral calcarenite limestone，CCL）与珊瑚格架灰岩（coral framework limestone，CFL）——开展带缺口半圆弯曲（notched semi-circular bend，NSCB）准静态与动态加载试验。结果表明：准静态断裂韧性平均值CCL为0.587 MPa·m1/2，CFL为1.470 MPa·m1/2；随加载率升高，两类岩性动态断裂韧性、裂纹扩展速度与断裂能均提高。CCL动态响应表现出更强率依赖性与离散性；其拉伸应变局部化更早、更弥散，而CFL局部化带更窄、更集中。CCL疏松骨架与弱界面促进分布式微开裂与裂纹偏转；CFL致密胶结骨架抑制裂纹扩展、提升抗断能力。两类岩性吸收能均以耗散能为主。研究还发现，孔隙与织构非均质性对Ⅰ型断裂的影响随加载率升高被削弱，裂纹路径趋于更直接。
研究背景与问题提出
珊瑚礁灰岩（CRL）是岛礁平台与近海基础设施的核心地质材料，在钻进、爆破、地震与冲击等短时扰动下表现为与准静态截然不同的断裂响应。已有研究多关注其强度与变形，但对动态Ⅰ型断裂中“孔隙—胶结—岩性”耦合机制认识不足：孔隙结构如何控制裂纹起裂与路径、加载率如何改变裂纹运动学与能量分配、不同岩性间差异如何量化，均缺乏系统实验证据。该类基础参数直接关系岛礁地下工程抗爆、抗震与动力稳定性设计，因此亟需针对完整岩样在受控条件下建立断裂尺度认知。
研究人员以南海远海礁岛钻孔岩芯为样本来源，选取高孔疏松的珊瑚砂屑灰岩（CCL）与低孔致密的珊瑚格架灰岩（CFL）两类端元岩性，采用NSCB几何试样，系统开展准静态与分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）动态断裂实验，并结合二维数字图像相关（2D digital image correlation，2D-DIC）与X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，CT）重构，解析断裂过程。
主要技术方法（概括）
研究人员从南海远程礁岛钻孔岩芯中筛选CCL与CFL两类代表性层位样本，制备直径50 mm、厚25 mm的NSCB试样并预制缺口；通过准静态电液伺服加载获取基线断裂韧性，利用SHPB装置配合橡胶波形整形器实现动态力平衡与率控冲击；采用高速相机与2D-DIC提取全场应变、裂纹开口位移（crack opening displacement，COD）与裂纹扩展速度；借助CT与扫描电镜（scanning electron microscopy，SEM）表征孔隙网络与微结构，并基于一维弹性波理论进行入射、反射、透射能量及吸收能、耗散能分配计算。
研究结果
3.1 准静态试验结果
通过NSCB准静态位移控制加载获取载荷—位移曲线与应力强度因子。CCL峰值载荷低、预峰锯齿状变形明显，反映疏松多孔介质中局部微裂与孔隙塌陷；CFL刚度高、峰后陡降。计算得其平均Ⅰ型断裂韧性分别为0.587与1.470 MPa·m1/2，证明岩石化程度与胶结密度是准静态抗裂能力的主控因素。
3.2 SHPB动态试验结果
3.2.1 动态断裂韧性
基于动态应力强度因子历史定义起裂韧性。两类岩性动态断裂韧性随加载率近似线性增长，CFL基线更高且离散度小；CCL斜率与散射更大，表明其率敏感性强、局部缺陷主导裂纹尖端过程区。归一化韧性对比显示，多孔 quasi-brittle 材料动态增韧来源于分布微裂、偏转与摩擦耗能。
3.2.2 应变场演化
2D-DIC竖向应变场显示：CCL高应变带弯曲、侧向扩散、不对称，局部异质区引导应变；CFL高应变核窄而连续，紧邻主裂纹。加载率升高使两类岩性由弥散拉伸更快转为集中局部化，但空间形态仍由孔隙与胶结结构调控。
3.2.3 裂纹形核与扩展
高速影像表明CCL裂纹更早可见、路径曲折、分叉偏离；CFL路径稳定、少偏转。随加载率增加，裂纹轨迹趋直，孔隙织构诱导偏转被抑制。虚拟引伸计法测得裂纹速度随加载率近似线性上升，CCL更敏感且同率下速度更高；波形表观应力传播速度始终快于可见裂纹速度，说明应力波先建立驱动场、裂纹滞后起裂。CCL的Vf/Vapp比更高，反映弱胶结低阻通道更易激活扩展。
3.2.4 能量分配
由入射、反射、透射波积分得输入能与吸收能，扣除碎块平动与转动残余动能得耗散能。两类岩性吸收能远大于残余动能，耗散能占主导；同率下CCL吸收与耗散更多，机制包括孔壁断裂、颗粒破碎、摩擦滑移与分布微裂。动态平均断裂能随率增大。
讨论与结论翻译
讨论指出，CRL动态Ⅰ型断裂不能仅用孔隙率解释，而须耦合孔隙架构与碳酸盐骨架胶结状态：CCL以分布损伤为主，CFL以主裂纹集中损伤为主；加载率通过加快裂纹尖端驱动力建立、缩短起裂滞后来增强表观韧性，并在高率下压制岩性非均质对路径的扰动。
结论如下：珊瑚砂屑灰岩与珊瑚格架灰岩的Ⅰ型断裂行为呈显著岩性依赖；准静态韧性CFL约为CCL的2.5倍；动态加载下两者韧性、裂纹速度与断裂能均率增强，其中CCL率敏感性、路径曲折度与耗能离散性更高；拉伸应变局部化形态由微结构决定，而加载率决定其时空收敛速度；耗散能为吸收能主要去向；孔隙与纹理非均质性对断裂路径的影响随加载率升高趋于弱化，裂纹倾向于更直接向失稳方向扩展。该研究为岛礁完整岩体在冲击与地震工况下的抗断设计提供了试样尺度参数与机制依据。
论文核心机制已经明确，接下来可以选择一个方向继续深化：
