動(dòng)荷載下巖石裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為實(shí)驗(yàn)研究綜述*

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)荷載下，原生裂紋的萌生、擴(kuò)展和合并會(huì)直接影響巖石材料的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)的破壞失效。因此，為了更好地評(píng)估巖石工程中動(dòng)荷載下巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究巖石材料在動(dòng)荷載下的裂紋擴(kuò)展特征及破壞機(jī)理具有重大意義。

動(dòng)荷載下巖石材料裂紋的擴(kuò)展是巖石動(dòng)力學(xué)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來(lái)，對(duì)動(dòng)荷載下巖石材料、類巖石材料和混凝土材料的裂紋擴(kuò)展問題，在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算上已進(jìn)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(kuò)展問題，如圖1 所示，影響上述裂紋擴(kuò)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(duì)于巖石材料裂紋擴(kuò)展行為的動(dòng)態(tài)測(cè)試在業(yè)內(nèi)沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，很大程度上是隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法的不斷發(fā)展而完善。本文中，主要對(duì)設(shè)計(jì)嚴(yán)密可靠的巖石材料裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行總結(jié)。

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

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)巖石材料和類巖石材料斷裂行為研究作了綜合評(píng)價(jià)。Kawamoto 等[15]回顧了1970 年到2000 年間評(píng)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(diǎn)探討了天然巖體中裂紋、節(jié)理和斷層等對(duì)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(cè)試方法，并提出了巖石斷裂測(cè)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(dòng)態(tài)斷裂韌性測(cè)試研究進(jìn)展，主要介紹了沖擊載荷下巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌性測(cè)試技術(shù)研究成就及其優(yōu)缺點(diǎn)。趙洪寶等[18]總結(jié)了具有預(yù)制裂紋的巖石試樣對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究，分析了使用預(yù)制裂紋巖石試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)者們從加載設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多方面進(jìn)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(duì)巖石或類似脆性材料的裂紋擴(kuò)展的影響，主要包括弱界面的強(qiáng)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(kuò)展和貫通特性，從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方面討論了含節(jié)理巖石的強(qiáng)度、變形和破壞特征。此外，大量的數(shù)值模擬工作推動(dòng)了巖石材料裂紋擴(kuò)展的研究，主流的計(jì)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(lái)學(xué)者們廣泛研究了各種因素影響下巖石的破壞機(jī)理，但是關(guān)于巖石材料中動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為機(jī)理和影響其裂紋擴(kuò)展性質(zhì)相關(guān)因素的研究在數(shù)量上和范圍上都相當(dāng)有限，同時(shí)關(guān)于巖石中動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)動(dòng)荷載下巖石材料裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究。首先，回顧實(shí)驗(yàn)研究中巖石材料裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為的實(shí)驗(yàn)研究；最后，對(duì)全文進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，并探討一些前瞻性的研究。

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試技術(shù)

近年來(lái)，隨著巖石動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)于巖石材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的測(cè)試已經(jīng)成熟，可以實(shí)現(xiàn)有效的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為了能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)巖石材料試樣瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的應(yīng)變（位移）場(chǎng)和破壞模式，有效的測(cè)試技術(shù)是必不可少的，例如裂紋擴(kuò)展計(jì)、數(shù)字圖像相關(guān)法和X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)等，本節(jié)中對(duì)動(dòng)荷載下巖石裂紋擴(kuò)展研究中的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1.1 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（computed tomography, CT）可以通過(guò)圖像堆棧矢量化重構(gòu)巖石內(nèi)部裂隙模型，并對(duì)裂紋特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而在一定意義上還原巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的演化過(guò)程，定量研究巖石裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)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(wú)損傷觀測(cè)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(jī)制[36]。近年來(lái)，CT 技術(shù)已經(jīng)在巖石靜態(tài)測(cè)試中廣泛應(yīng)用[37-40]，在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中由于加載率過(guò)高，巖石試樣在動(dòng)荷載下破碎往往比較嚴(yán)重，目前大多對(duì)有側(cè)向圍壓限制的實(shí)驗(yàn)或者漸進(jìn)加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了事后掃描分析。Huang 等[33]對(duì)花崗巖的動(dòng)態(tài)壓縮累積損傷性質(zhì)進(jìn)行了探究，對(duì)巖樣進(jìn)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(duì)具有不同角度層理面的煤樣進(jìn)行了動(dòng)-靜耦合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用CT 對(duì)重復(fù)沖擊下煤樣的損傷情況進(jìn)行了掃描，可以直觀顯示煤在反復(fù)沖擊作用下的遞進(jìn)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(duì)缺口半圓彎曲（notched semi-circular bend,NSCB）試件進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了巖石材料斷裂過(guò)程區(qū)中裂紋的演化規(guī)律，并使用CT 還原了斷裂過(guò)程區(qū)的裂紋分叉現(xiàn)象。王偉等[41]采用動(dòng)靜組合式SHPB 對(duì)砂巖試樣進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行原位測(cè)試已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)加載過(guò)程中試件截面破壞情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)方法

焦散線實(shí)驗(yàn)方法可以很便捷地測(cè)量裂紋尖端位移、應(yīng)變及應(yīng)力，在透明材料的動(dòng)態(tài)斷裂測(cè)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(dòng)態(tài)性質(zhì)。反射式動(dòng)態(tài)焦散線測(cè)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(dòng)態(tài)焦散線系統(tǒng)由4×4 矩陣排布的多火花高速攝像機(jī)、場(chǎng)景和半反鏡組成。在試樣準(zhǔn)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(duì)巖石斷裂的影響可以忽略[57-58]。通過(guò)高速攝像機(jī)記錄下的焦散斑圖像，可以還原裂紋的生長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)而計(jì)算得到裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展速度。此外，根據(jù)焦散斑圖像理論，可以通過(guò)焦散斑圖像計(jì)算裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(huì)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(guò)熱交換發(fā)生。利用紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)斷裂試樣表面的溫度場(chǎng)，確定裂紋擴(kuò)展時(shí)裂尖端產(chǎn)生的熱量，如圖5所示[60]。但是因?yàn)榧夹g(shù)限制，即使采用高速紅外熱成像相機(jī)依然無(wú)法追蹤裂紋擴(kuò)展，最終只能根據(jù)熱產(chǎn)生過(guò)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(guò)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(cè)試方法

為了測(cè)量強(qiáng)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(cè)量裂紋擴(kuò)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(guò)程中，隨著裂紋擴(kuò)展，試件表面的碳膜也將被撕裂，而電流將會(huì)沿電阻最小的路徑流動(dòng)（A→C→B），即隨著裂紋的不斷生長(zhǎng)，電流的路徑會(huì)不斷變長(zhǎng)，因此通過(guò)導(dǎo)線測(cè)量A和B間電壓值會(huì)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(hào)的變化即可得到裂紋擴(kuò)展速率。

圖6 導(dǎo)電碳膜對(duì)巖石材料裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)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(kuò)展計(jì)

裂紋擴(kuò)展計(jì)（crack propagation gauge, CPG）主要用來(lái)測(cè)試裂紋起裂時(shí)間和裂紋擴(kuò)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(cè)試的斷裂范圍大小選定不同長(zhǎng)度的型號(hào)，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(duì)試件進(jìn)行打磨，力求試件平整，粘貼時(shí)第1 根電阻絲緊貼在預(yù)制裂紋尖端，以保證測(cè)試起裂時(shí)間的精確性。同時(shí)在CPG 測(cè)試系統(tǒng)中除了裂紋擴(kuò)展計(jì)還包括計(jì)算機(jī)、示波器、2 枚電阻及恒壓電源。當(dāng)裂紋沿CPG 擴(kuò)展時(shí)，平行的電阻絲會(huì)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(huì)導(dǎo)致電壓信號(hào)跳躍，對(duì)電壓信號(hào)求導(dǎo)即可得到電壓信號(hào)的激變時(shí)刻，即電阻絲斷裂時(shí)刻，進(jìn)而可以得到裂紋起裂時(shí)刻和裂紋擴(kuò)展速度[65-67]?？傮w來(lái)說(shuō)，因?yàn)镃PG 是一種電測(cè)法測(cè)試元件，相比依賴于高速攝像機(jī)的光學(xué)測(cè)試方法，可以連續(xù)測(cè)量裂紋擴(kuò)展速率，而測(cè)試區(qū)域小、同時(shí)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(cè)法對(duì)表面裂紋擴(kuò)展過(guò)程的測(cè)試方法，其最大的優(yōu)勢(shì)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(jī)的快門幀率不斷提高，DIC 技術(shù)的不斷發(fā)展，在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，CPG 測(cè)試系統(tǒng)將會(huì)逐步被取代。

圖7 裂紋擴(kuò)展計(jì)測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)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(guò)程中彈性波的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)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(yùn)含著巖石內(nèi)部破壞過(guò)程的許多信息，可用于巖石內(nèi)部損傷的檢測(cè)和破壞機(jī)理的研究[69-71]，同時(shí)在巖石斷裂的監(jiān)測(cè)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(duì)宏觀裂紋出現(xiàn)前的微裂紋監(jiān)測(cè)，通過(guò)巖石材料釋放特定頻率的彈性波去還原破壞過(guò)程和斷裂模式。目前在巖石靜態(tài)斷裂測(cè)試中應(yīng)用廣泛且測(cè)試技術(shù)成熟[75]，而在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，一方面，巖石破壞伴隨極大的動(dòng)荷載擾動(dòng)，另一方面，瞬時(shí)加載形式對(duì)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(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較困難。如圖8 所示，Li 等[76]和Wang 等[77]在巖石動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)中將AE 測(cè)試系統(tǒng)加入SHPB 動(dòng)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(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，試件前后各選用2 個(gè)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(shí)搭配信號(hào)衰減器以避免沖擊能量過(guò)大超出儀器量程，結(jié)合聲發(fā)射結(jié)果揭示了動(dòng)態(tài)破壞中各相異性裂紋的萌生和擴(kuò)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(duì)目前廣泛應(yīng)用于巖石材料裂紋擴(kuò)展的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了綜述，包括改進(jìn)的接觸式電測(cè)方法、基于高速攝像的光學(xué)測(cè)試方法及X 射線CT 掃描技術(shù)等，對(duì)本節(jié)中提到的測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)，見表1。

表1 動(dòng)荷載下巖石裂紋擴(kuò)展測(cè)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(kuò)展性質(zhì)

應(yīng)變率是影響巖石動(dòng)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(dòng)力學(xué)問題分類及加載方法，在研究巖石材料動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)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(dòng)力學(xué)問題及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(kuò)展性質(zhì)

在中低速的巖石動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)中，落錘是一種有效的加載系統(tǒng)。落錘沖擊裝置是通過(guò)一個(gè)已知重量和下落高程的沖擊錘對(duì)巖石試件施加沖擊荷載，通過(guò)計(jì)算沖擊錘的動(dòng)量來(lái)控制試件變形和破壞模式。目前，落錘沖擊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室落錘裝置，通常被用來(lái)對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)試巖石試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)，很多學(xué)者使用落錘裝置對(duì)巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂性質(zhì)進(jìn)行了研究，包括動(dòng)態(tài)斷裂韌度、動(dòng)態(tài)斷裂能、裂紋擴(kuò)展模式及動(dòng)態(tài)破碎機(jī)理等[79-83]。

圖10 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(guò)程時(shí)存在精度不高的缺陷。為了實(shí)現(xiàn)兼顧試件大尺寸和沖擊實(shí)驗(yàn)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(cè)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(zhǎng)加載時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和示波器采集入射端和透射端的電壓信號(hào)，并且由下式計(jì)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(duì)應(yīng)為入射波、反射波和透射波的時(shí)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(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此為巖石試樣中裂紋擴(kuò)展提供充足的空間，充分研究裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程包括起裂、擴(kuò)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(shí)可以改變?cè)嚇雍屯干浒宓男螤钛芯坎煌吔鐥l件對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。此外，結(jié)合數(shù)值手段，采用實(shí)驗(yàn)-數(shù)值相結(jié)合的方法，求解沖擊荷載下巖石的裂紋擴(kuò)展行為，包括擴(kuò)展路徑、動(dòng)態(tài)起裂韌度、動(dòng)態(tài)擴(kuò)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(lái)探究巖石在沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展行為。VASCT 構(gòu)型可以采用落錘沖擊裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，大尺寸可以減小邊界反射波對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，更便于分析應(yīng)力波作用下巖石中裂紋起裂、擴(kuò)展和止裂全過(guò)程。當(dāng)裂紋傾斜角α=0°時(shí)，試件裂紋擴(kuò)展模式為Ⅰ型，在裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋速度是不斷波動(dòng)的，并且會(huì)發(fā)生止裂現(xiàn)象，加載率越低，裂紋越容易止裂且止裂時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法對(duì)裂紋起裂韌度、擴(kuò)展韌度及止裂韌度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，起裂韌度和止裂韌度均高于擴(kuò)展韌度，但起裂韌度和止裂韌度差別不大。總體來(lái)看，動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展韌度和裂紋擴(kuò)展速度成反比[8,66,88]；當(dāng)α＞0°時(shí)，試件裂紋擴(kuò)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(dòng)態(tài)起裂時(shí)間、裂紋擴(kuò)展速度及Ⅰ型動(dòng)態(tài)斷裂韌性大幅降低，而Ⅱ型動(dòng)態(tài)斷裂韌性不斷增強(qiáng)。隨著裂紋傾斜角從20°增大至60°，上述動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)的變化有輕微的上下波動(dòng)[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(shí)，會(huì)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(duì)裂紋擴(kuò)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(duì)裂紋生長(zhǎng)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(duì)反射應(yīng)力波有聚焦的作用，當(dāng)反射應(yīng)力波匯聚于運(yùn)動(dòng)中的裂紋尖端時(shí)對(duì)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(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，當(dāng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇到空腔和裂隙等缺陷時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑、擴(kuò)展模式、擴(kuò)展速度及擴(kuò)展韌度均會(huì)發(fā)生變化。Zhou 等[92]采用落錘沖擊裝置研究了裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中與裂隙之間的相互作用，Ⅰ型裂紋與傾斜裂隙相遇時(shí)會(huì)相互吸引并最終在傾斜裂隙尖端搭接，傾斜裂紋的擴(kuò)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(qiáng)度因子不斷減小，Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增大，如圖15 所示[92]。Yang 等[93]采用動(dòng)態(tài)焦散線系統(tǒng)研究了沖擊荷載下孔洞對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，孔洞缺陷的存在會(huì)降低裂紋擴(kuò)展速度及動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，此效應(yīng)受孔洞直徑影響，適當(dāng)?shù)目讖娇梢詢?chǔ)存更多的應(yīng)變能，從而在很大程度上限制裂紋的擴(kuò)展。

圖15 裂隙尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原巖應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展有明顯的阻礙作用，在裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)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(guò)程消耗的時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致起裂時(shí)刻滯后，裂紋擴(kuò)展速度降低，且只有部分能量被用于裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變短。

圖16 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)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(kuò)展性質(zhì)

目前，在高應(yīng)變率巖石動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(cāng)、沖擊桿、入射桿、透射桿和吸能桿組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dāng)沖擊桿撞擊入射桿時(shí)，產(chǎn)生壓縮脈沖并向試件傳播，當(dāng)該壓縮脈沖到達(dá)入射桿與試件之間的界面時(shí)，一部分應(yīng)力脈沖穿過(guò)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(jì)通常安裝在沿入射桿和透射桿長(zhǎng)度的中點(diǎn)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(duì)近年來(lái)SHPB 在巖石動(dòng)力學(xué)測(cè)試中的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，包括脈沖整形技術(shù)、多軸加載技術(shù)、動(dòng)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(dòng)態(tài)斷裂測(cè)試中SHPB 主要發(fā)展進(jìn)程，包括主流的斷裂參數(shù)測(cè)試方法和SHPB 設(shè)備的改進(jìn)與創(chuàng)新。

表2 分離式霍普金森壓桿在巖石動(dòng)態(tài)斷裂測(cè)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(jì)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?zèng)_擊下巖石裂紋擴(kuò)展性質(zhì)。如圖18 所示[107]，當(dāng)x=0 時(shí)，裂紋擴(kuò)展為純Ⅰ型；當(dāng)x＞0 時(shí)，裂紋擴(kuò)展為Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型。SCSC 構(gòu)型可以通過(guò)調(diào)節(jié)裂紋到試件中軸線的距離，來(lái)研究不同復(fù)合程度的裂紋問題，并且試件擴(kuò)展路徑較長(zhǎng)，便于對(duì)裂紋快速擴(kuò)展的路徑進(jìn)行分析，同時(shí)，可以通過(guò)路徑判斷裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中的止裂點(diǎn)[107,116-118]。Gao 等[67]和Wang 等[119]基于SCSC 試件，探究了孔洞缺陷對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展行為的影響，發(fā)現(xiàn)孔洞會(huì)影響裂紋尖端附近的應(yīng)力分布，進(jìn)而改變裂紋生長(zhǎng)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(duì)巖石裂紋擴(kuò)展影響程度不大，分析宏觀裂紋擴(kuò)展行為更多地應(yīng)該考慮裂隙、節(jié)理等強(qiáng)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(yè)巖中裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在主裂紋生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)沿層理面開裂，進(jìn)而產(chǎn)生次生裂紋并且次生裂紋更偏向于在裂紋擴(kuò)展速度減緩區(qū)產(chǎn)生。頁(yè)巖層理會(huì)使裂紋擴(kuò)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(yè)巖動(dòng)態(tài)斷裂韌度更低，裂紋擴(kuò)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(guò)界面，而且當(dāng)巖石與砂漿材料剛度差異過(guò)大時(shí)，裂紋會(huì)沿巖石-砂漿界面擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展韌度在界面過(guò)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(kuò)展的情形，巖石-砂漿界面裂紋擴(kuò)展性質(zhì)與界面粗糙度有很大關(guān)系，裂紋擴(kuò)展速度與界面粗糙度成反比，裂紋擴(kuò)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(dòng)，后期由于應(yīng)力波在2 種材料間傳播的不平衡會(huì)造成剪切破壞帶[109]。

圖19 不同節(jié)理傾角頁(yè)巖試件在沖擊作用下的裂紋擴(kuò)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(kuò)展性質(zhì)

對(duì)于超高應(yīng)變率巖石動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，爆炸實(shí)驗(yàn)被廣泛用來(lái)研究巖石的破碎及斷裂破壞，應(yīng)變率為102～104s-1[123]。相對(duì)SHPB 加載，爆炸加載有4 點(diǎn)不同：(1)在SHPB 加載過(guò)程中，試件處于動(dòng)力平衡狀態(tài)，并且可以得到穩(wěn)定的加載波，裂紋擴(kuò)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(zhǎng)更短；(3)爆炸加載下應(yīng)變率遠(yuǎn)高于SHPB 加載；(4)在爆炸實(shí)驗(yàn)中往往沒有標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)型測(cè)試巖石的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，大多基于工程背景或者爆炸波特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的設(shè)備及試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖21 所示。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)爆炸荷載下巖石動(dòng)態(tài)斷裂性質(zhì)進(jìn)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波的上升沿持續(xù)時(shí)間和峰值壓力對(duì)巖石中Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展有很大影響。圍巖在首次爆破后會(huì)形成復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)，Liu 等[125]對(duì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合DIC 技術(shù)測(cè)試了不同雙軸圍壓下巖石中裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。由于炸藥的使用受到嚴(yán)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(dòng)態(tài)演化及裂紋擴(kuò)展過(guò)程。

圖21 實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度也被廣泛研究，但由于沒有推薦的構(gòu)型進(jìn)行測(cè)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(jì)了相關(guān)構(gòu)型，研究了裂紋擴(kuò)展過(guò)程及斷裂韌度[129-132]。通過(guò)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(lái)，進(jìn)而可以探究應(yīng)力波對(duì)裂紋擴(kuò)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(duì)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子、擴(kuò)展速度及擴(kuò)展路徑等均會(huì)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(duì)擴(kuò)展中裂紋的影響，結(jié)果表明，垂直反射的膨脹波會(huì)使裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子及擴(kuò)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(qiáng)度因子和擴(kuò)展速度升高，促進(jìn)裂紋張開。如圖22 所示，Xu 等[138]采用動(dòng)態(tài)光彈測(cè)試系統(tǒng)研究了爆炸應(yīng)力波對(duì)爆生裂紋擴(kuò)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(guò)程中，膨脹應(yīng)力波抑制裂紋擴(kuò)展，而剪切應(yīng)力波促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。這些結(jié)果對(duì)于確定合理的鉆孔間延遲時(shí)間、精確控制裂縫擴(kuò)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(huì)干預(yù)裂紋的擴(kuò)展，因此，邊界的反射拉伸波會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不可忽略的影響。劉瑞峰等[139]和Liu 等[140]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部單裂紋圓盤（single internal crack circular disc, SICCD） 試件 ，可以用來(lái)研究爆炸荷載下I 型裂紋的擴(kuò)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(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，在反射爆炸波到達(dá)裂紋尖端時(shí)，裂紋在監(jiān)測(cè)區(qū)域已經(jīng)完成擴(kuò)展進(jìn)而避免了反射拉伸波的影響。此外，結(jié)合CPG 測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)-數(shù)值計(jì)算方法可以測(cè)試巖石材料在爆炸應(yīng)力波作用下的動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)，包括起裂時(shí)間、起裂韌度、擴(kuò)展韌度和止裂韌度。測(cè)試結(jié)果表明，巖石材料起裂韌度高于擴(kuò)展韌度，相比于裂紋的起裂，裂紋在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小。而引起裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中止裂的因素有很多，包括動(dòng)荷載類型、試件構(gòu)型及尺寸、裂紋長(zhǎng)度等因素，所以對(duì)于止裂韌度的測(cè)試還需要在未來(lái)研究中進(jìn)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(kuò)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(yùn)動(dòng)方向，從而避免了反射應(yīng)力波對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，提高了對(duì)斷裂韌度測(cè)試的精準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)的2 種測(cè)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(duì)爆炸應(yīng)力波傳播有很大影響，從而會(huì)影響爆生裂紋的擴(kuò)展行為。如圖24所示，李盟等[132]研究了爆炸荷載下孔洞對(duì)裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋在2 個(gè)空孔之間擴(kuò)展時(shí)，裂紋可能分叉成2 條與這2 個(gè)孔相連的裂紋，也可能停在這2 個(gè)孔之間，也可能穿過(guò)這2 個(gè)孔。當(dāng)兩孔間距小于一定值時(shí)，產(chǎn)生垂直于擴(kuò)展裂紋的應(yīng)力在止裂過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，增大了裂紋的擴(kuò)展韌度，降低了裂紋的擴(kuò)展速度。這種止裂原理解釋了隧道光面爆破中輪廓孔對(duì)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(duì)爆生裂紋擴(kuò)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(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使裂紋以Ⅰ/Ⅱ混合型方式擴(kuò)展，誘發(fā)裂紋偏轉(zhuǎn)。

圖24 孔洞對(duì)爆生裂紋擴(kuò)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(dòng)態(tài)斷裂測(cè)量技術(shù)中，主要的監(jiān)測(cè)手段分為非接觸式的光學(xué)方法和接觸式的電測(cè)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(dòng)態(tài)斷裂測(cè)試提升到了新的高度，通過(guò)將高頻率的光學(xué)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到高精度、多維度、大測(cè)試范圍和長(zhǎng)時(shí)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(kuò)展的演化過(guò)程，提供三維裂紋信息，定量研究巖石裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展；焦散線法可以實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋的生長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)而計(jì)算得到裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展速度，并且根據(jù)焦散斑圖像理論，可以直接計(jì)算得到裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；數(shù)字圖像相關(guān)法可以獲得高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)中高分辨率全場(chǎng)應(yīng)變信息，進(jìn)而可以定量分析裂紋擴(kuò)展過(guò)程和機(jī)理。接觸式的電測(cè)法相對(duì)光學(xué)測(cè)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(guò)電路中電信號(hào)的變化獲得裂紋的起裂時(shí)間和擴(kuò)展速度，但是測(cè)試范圍小，獲取的信息也較單一。

應(yīng)變率是動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，落錘沖擊裝置、SHPB 系統(tǒng)和爆炸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中。

在中低應(yīng)變率中多采用落錘裝置對(duì)巖石試樣進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室落錘裝置，落錘沖擊裝置根據(jù)SHPB 原理設(shè)計(jì)，對(duì)巖石試件施加應(yīng)力波以探究動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展行為。在落錘沖擊裝置中可以選擇尺寸更大的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此為巖石試樣中裂紋擴(kuò)展提供充足的空間，研究裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程，包括起裂、擴(kuò)展及止裂。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)-數(shù)值相結(jié)合的方法可以對(duì)起裂韌度、擴(kuò)展韌度及止裂韌度進(jìn)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(kuò)展模式、不同邊界條件的裂紋擴(kuò)展問題。此外，在落錘沖擊裝置中還可以加入被動(dòng)測(cè)壓裝置以研究原巖應(yīng)力下巖石裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性質(zhì)。

近年來(lái)，隨著SHPB 技術(shù)的高速發(fā)展，脈沖整形技術(shù)和動(dòng)量陷阱技術(shù)可以保證試件在加載過(guò)程中達(dá)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(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)都能得到標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試，包括動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度。在動(dòng)態(tài)斷裂韌度方面，NSCB、CCNBD 和CCNSCB為當(dāng)下主流的3 種量化方法。對(duì)于動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展問題而言，由于SHPB 配套加載技術(shù)和測(cè)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(kuò)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(kuò)展問題，主要總結(jié)了幾種在爆炸應(yīng)力波作用下對(duì)裂紋擴(kuò)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(kuò)展原理，SICCD 試件通過(guò)確定合適的爆心位置和幾何尺寸來(lái)避免反射爆炸波對(duì)裂紋擴(kuò)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(jìn)而減少了反射波對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。以上構(gòu)型結(jié)合實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法可以獲得裂紋動(dòng)態(tài)起裂韌度、擴(kuò)展韌度和止裂韌度。

雖然動(dòng)荷載下巖石材料裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了豐碩的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍有待進(jìn)一步完善?，F(xiàn)在大部分巖石動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(kuò)展行為大多在二維平面下進(jìn)行討論。進(jìn)一步探究巖石斷裂機(jī)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(chǎng)耦合等條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，目前相關(guān)研究鮮有涉及，需要進(jìn)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(guò)程可以更深入地理解其斷裂機(jī)理。目前更多關(guān)注的是宏觀尺度的巖石斷裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)于微觀尺度的巖石動(dòng)力學(xué)研究基本處于起步階段。需要進(jìn)一步開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和精細(xì)化測(cè)量?jī)x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(dòng)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(cè)量方法都是針對(duì)二維平面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，對(duì)于巖石體內(nèi)部三維裂紋的實(shí)時(shí)高頻監(jiān)測(cè)還不能實(shí)現(xiàn)。高速攝像機(jī)和X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描等技術(shù)已經(jīng)對(duì)巖石斷裂領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，未來(lái)需要聯(lián)合多種設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石體的多維度測(cè)量，例如高速攝像機(jī)與高能X 射線的結(jié)合[142-144]。

(3)傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)巖石斷裂實(shí)驗(yàn)主要涉及高速?zèng)_擊或爆炸加載，這些加載形式往往不能反映巖石體真實(shí)歷程，未來(lái)可以開發(fā)新的測(cè)試方法以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的加載條件，例如地震波和采礦作業(yè)動(dòng)荷載等。

(4)環(huán)境因素對(duì)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(dòng)等因素。未來(lái)研究需要考慮這些環(huán)境因素對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，開發(fā)新的模型預(yù)測(cè)和控制不同環(huán)境下的裂紋生長(zhǎng)。