Z形中心裂纹直接剪切方法在岩石动态II型断裂韧性测试中的评估

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Evaluation of the Z-shaped center-cracked direct shear method for dynamic mode II fracture toughness testing in rock

　　摘要：由于在冲击载荷下难以实现以剪切为主的裂尖条件，岩石的动态模式II断裂韧性仍未能得到充分理解。本研究通过理论分析和实验研究，评估了Z形中心裂纹直剪（ZCCDS）试样在分裂霍普金森压力棒（SHPB）系统中用于动态模式II断裂韧性测试的适用性。理论上阐明了真实模式II断裂的特征，并通过数值分析和准静态载荷下的裂纹路径及数字图像相关性观察，首次确定了最接近真实模式II断裂的ZCCDS配置。在此基础上，进行了不同加载率和几何参数下的动态ZCCDS-SHPB测试。结果表明，当偏移比为0.25且裂纹比为0.3时，ZCCDS砂岩试样最接近真实动态模式II断裂，其特征是裂纹沿原始裂纹平面几乎共面扩展，以及裂尖附近的位移向量主要由平面内相对滑动主导。在这种情况下，砂岩的动态模式II断裂韧性随加载率的增加而从12.27 MPa·m^0.5增加到28.08 MPa·m^0.5，动态峰值剪切载荷也显著增加。此外，微观断裂特征的定量分析表明，这种增加与裂纹向以剪切为主的晶间损伤和晶粒滑动/压碎的转变密切相关。这些发现为评估ZCCDS方法在动态模式II断裂测试中的适用性提供了实验证据，并揭示了岩石模式II断裂行为对加载率的依赖性。

引言：近年来，人们对岩石在冲击载荷下的动态断裂特性和开裂行为的兴趣大大增加，因为这些特性直接应用于大多数岩石工程中大型岩石结构的设计，特别是那些经常承受各种动态工程干扰的结构[1]、[2]。模式II（平面内剪切）断裂韧性是岩石力学中的一个基本属性，因为在工程实践中，岩石断裂材料的破坏经常涉及以剪切为主的开裂[3]、[4]。已经对不同加载率下岩石的动态混合模式I/II和模式I断裂行为进行了大量研究[5]、[6]、[7]、[8]。尽管动态模式II断裂韧性也是一个重要且更普遍的问题，但对其理解仍然不足。因此，开发一种适当的测试方法来研究模式II断裂行为的加载率效应至关重要，这对于岩石结构的设计和维护至关重要。过去几十年中，已经提出并使用了多种试样和测试配置来研究准静态载荷下岩石的模式II断裂韧性（KIIC），包括裂纹贯穿的巴西圆盘（CSTBD）测试[4]、[9]、半圆形弯曲（SCB）测试[10]、剪切盒（SB）测试[11]、边缘裂纹短梁（ECSB）测试[12]、Z形中心裂纹直剪（ZCCDS）测试[13]、双刃缺口巴西圆盘（DNBD）测试[14]、冲穿剪切（PTS）测试[15]、[16]、短梁压缩（SBC）测试[17]、[18]、反称四点弯曲（AFPB）测试[19]、双刃缺口矩形柱（DNRC）测试[20]，如图1所示。Ko和Kemeny[21]发现，槽分离比为0.2的几何形状对于确定KIIC最为有利。Bahrami等人[22]研究了试样尺寸对使用DNBD测试方法测定岩石KIIC的影响。Meng等人[23]研究了热处理对SCB盐岩试样中模式II开裂和表面粗糙度的影响。Shi等人[24]研究了热冲击后双刃缺口立方体花岗岩试样的模式II断裂特性。Liu等人[25]研究了岩石试样与加载装置之间的部分分离对SB测试中KIIC的影响。Luo等人[26]发现了KIIC与砂岩SBC试样尺寸之间的关系。显然，岩石的KIIC对试样几何形状和加载配置非常敏感。大多数现有研究旨在通过最小化缺口尖端的拉伸（模式I）应力影响来实现以模式II为主的断裂，即接近纯模式II断裂。一种常见的方法是施加围压或垂直于裂纹平面的压缩应力，这有助于抑制拉伸开缝并促进以剪切为主的断裂[27]。然而，应当注意的是，这种约束也会增强岩石对剪切裂纹起始和扩展的抵抗能力，可能会导致KIIC的高估[28]、[29]。虽然许多现有方法可以在准静态载荷下提供近似的KIIC，但对于岩石在动态载荷下的模式II断裂行为的研究仍然有限。

幸运的是，分裂霍普金森压力棒（SHPB）技术的发展为测试动态KIIC提供了一种新的方法[30]。然而，这种装置可能对试样几何形状有特殊要求，以满足动态力平衡的条件[31]。一些研究使用SHPB系统来研究岩石在动态载荷下的模式II断裂行为。目前，有四种方法被广泛用于动态模式II断裂测试，即动态裂纹贯穿的扁平巴西圆盘测试[32]、动态PTS测试[33]、双刃缺口扁平巴西圆盘（DNFBD）测试[34]和动态SBC测试[35]，如图2所示。巴西圆盘试样的加载端被压平，以避免冲击载荷下加载点处的过度瞬时应力集中，这可能导致试样端部的严重压碎，从而影响主裂纹的扩展。Xu等人[36]使用改进的PTS方法研究了砂岩试样的动态剪切响应。Yao等人[37]研究了围压对大理石试样动态KIIC的影响。然而，动态PTS测试通常需要特别设计的夹具，使得实验过程相对复杂，并且在测试过程中无法直接观察裂纹的起始和扩展过程[38]。动态SBC测试本质上与准静态测试相同，它不需要额外的夹具，并且试样准备相对简单。许多研究使用这种方法来说明温度、围压和微波照射对岩石动态模式II断裂特性的影响[39]、[40]、[41]、[42]。然而，在动态SBC测试中，剪切断裂区垂直于预先存在的裂纹，因此裂纹的起始和扩展是垂直于预先存在的裂纹而不是共面的。DNFBD试样中存在两个裂尖，使得观察裂纹的起始和扩展变得困难[43]。因此，有必要开发一种有效的方法，能够清晰地捕捉模式II开裂过程，并提供更可靠的动态KIIC评估。

此外，大量研究表明，岩石的动态断裂行为在很大程度上受其微观力学特性的控制，特别是微裂纹的萌生、扩展和聚合[44]。使用扫描电子显微镜（SEM），可以在岩石断裂表面上识别出孔隙、晶间断裂和晶内断裂。Zhang等人[45]发现，随着加载率的增加，辉长岩的断裂表面显示出更多分支裂纹。Backers等人[46]使用人字形弯曲方法研究了不同加载率下砂岩中模式I断裂的微观力学行为。Zhang和Zhao[47]开发了一个微观力学模型来分析微裂纹模式，并表明在较高加载率下，大理石的模式I断裂表面上晶间断裂变得占主导。Ahmadian等人[48]发现，在动态载荷下，大理石中的晶界微裂纹比在准静态条件下更为普遍。应当注意的是，上述两项研究对大理石微观断裂机制的加载率效应提出了不同的看法，这可能与定性微观结构分析的局限性有关。Li等人[49]使用SCB试样研究了耦合静态-动态载荷下花岗岩断裂表面的微观形态。这些研究得到的证据强烈表明，动态断裂机制取决于加载率和岩石微观结构。然而，由于断裂表面上扫描区域的随机性和不连续性，对岩石微观结构的定性分析可能不可靠。Cao等人[8]提出了一种新的方法来定量分析岩石微观结构，并将其应用于研究不同加载率下砂岩试样中动态模式I断裂的微观结构特性。然而，据我们所知，还没有研究全面调查高加载率下动态模式II断裂的定性和定量微观结构。

在这项研究中，首先从理论上分析了岩石真实模式II断裂的裂纹起始机制，并验证了ZCCDS试样实现真实模式II断裂的有效性。在此基础上，提出了一种基于SHPB系统的动态ZCCDS测试方法，以研究加载率和几何参数对砂岩动态模式II断裂韧性、断裂特性和耗散能量的影响。此外，使用数字图像相关性（DIC）来揭示动态载荷下ZCCDS砂岩试样中裂纹周围的位移场演变，并分析相应的断裂模式。最后，讨论了加载率对砂岩模式II断裂影响的微观力学机制。这项研究有助于更深入地理解动态模式II主导的岩石断裂行为及其微观机制。U25A20268（编号：52504094），以及深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室（编号：SDGZ2523）。曹培旺、周涛、李瑞、冯文杰、曲洪璐、朱建博