加載角度對層理頁巖裂紋擴(kuò)展影響的實驗研究*

楊國梁，畢京九，郭偉民，張志飛，韓子默，程帥杰,2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100027）

我國頁巖氣儲量豐富，開采潛力巨大，對頁巖氣的開發(fā)不僅符合我國能源清潔化的發(fā)展方向，更是保障我國能源安全的重要手段[1]。隨著頁巖氣壓裂技術(shù)的發(fā)展，頁巖氣動力壓裂技術(shù)有望成為一種新的有效的技術(shù)增產(chǎn)手段[2]。致裂頁巖儲層形成有效裂紋網(wǎng)是頁巖氣開采獲得理想氣流的先決條件，因此，研究頁巖動態(tài)斷裂問題具有十分重要的現(xiàn)實意義。

頁巖作為一種沉積巖，具有層理構(gòu)造，層理弱面的位置對沉積巖體的力學(xué)特性影響顯著[3-9]，是層狀巖體破壞的薄弱環(huán)節(jié)。衡帥等[10]根據(jù)預(yù)制切口與頁巖層理所呈方位的不同，設(shè)計了3種類型的靜態(tài)斷裂實驗，研究了頁巖斷裂韌度的各向異性，發(fā)現(xiàn)層理面的開裂和裂紋擴(kuò)展路徑的偏移是導(dǎo)致頁巖斷裂韌度各向異性的主要原因。李玉琳[11]基于實驗計算了不同層理角度頁巖的斷裂韌性，分析了頁巖的斷口形貌及破壞機(jī)理，并對不同條件下的三點(diǎn)彎曲破壞進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明頁巖主裂紋的擴(kuò)展路徑有一定的隨機(jī)性，原始層理裂縫對試樣裂紋主擴(kuò)展的影響是局部的，主要與彎曲應(yīng)力競爭，兩者的競爭機(jī)制決定了裂紋的最終擴(kuò)展路徑。

目前對層狀巖石斷裂過程的研究多集中于靜態(tài)加載條件下，但動載下巖石的力學(xué)性質(zhì)具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，靜態(tài)條件下的實驗結(jié)果難以為動力壓裂提供準(zhǔn)確參考，因此需要開展頁巖在動載作用下的斷裂實驗。ISRM建議使用直切槽半圓盤彎曲（NSCB）試樣來確定巖石的動態(tài)斷裂韌度[12-14]。目前已有許多學(xué)者使用這一方法測定層狀巖石的斷裂韌度[15-17]，但多集中于起裂韌度的研究。由于層狀巖體具有層理等天然缺陷，其在沖擊荷載作用下的裂紋起裂和擴(kuò)展過程較復(fù)雜。因此對頁巖斷裂過程的研究不僅要著眼于裂紋起裂，更要對裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行深入研究，這也是動力壓裂作業(yè)能否形成理想裂縫網(wǎng)的關(guān)鍵。曹富等[18]借助裂紋擴(kuò)展計，得到了砂巖壓縮單裂紋圓孔板（SCDC）試樣的動態(tài)裂紋擴(kuò)展全歷程。Gao等[19]運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，獲得了NSCB試樣動態(tài)實驗全過程的裂紋尖端區(qū)域的動態(tài)應(yīng)變信息。本文中，在前人研究方法的基礎(chǔ)上，借助分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置對頁巖NSCB試件進(jìn)行沖擊荷載下的三點(diǎn)彎曲實驗，計算頁巖的Ⅰ型斷裂韌度KⅠC，同時使用裂紋擴(kuò)展計監(jiān)測頁巖試件的起裂和擴(kuò)展過程，結(jié)合DIC技術(shù)，對不同加載角條件下的頁巖動態(tài)裂紋起裂擴(kuò)展過程進(jìn)行研究。

1 實驗原理及實驗方案

1.1 試樣制備

圖1為SHPB所用NSCB試件構(gòu)型示意圖。本實驗中，NSCB試件的半徑R為25 mm，厚度δ為22 mm，預(yù)制裂紋長度a為5 mm，裂紋尖端采用金剛石線鋸進(jìn)行銳化，裂紋寬度控制在0.3 mm以內(nèi)；試件支座跨度S為27.5 mm。根據(jù)ISRM關(guān)于NSCB試件的實驗要求[12]，對尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，即：αa=a/R，αδ= δ/R，αS=S/D（D為NSCB試件的直徑）。本實驗中，αa= 0.20，αδ=0.88，αS= 0.55。

本實驗所用頁巖樣品取自四川省宜賓市長寧地區(qū)的頁巖露頭，位于長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣采區(qū)，屬于志留系龍馬溪組，層理發(fā)育明顯，頁巖的基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 頁巖基本力學(xué)性質(zhì)Table1 Mechanical properties of shale

為了研究不同加載角下頁巖的動態(tài)斷裂過程，綜合考慮了取芯方向與頁巖層理結(jié)構(gòu)面的角度關(guān)系。本文中定義加載角為頁巖切縫指向與層理面的夾角，分別取加載角為0°、30°、60°和90°的頁巖試件，為了測試頁巖完整的動態(tài)斷裂屬性，另設(shè)置順層理頁巖試件，即層理面與半圓截面平行的頁巖試件，記為C-0試件，試件角度如圖2所示。

圖2 頁巖NSCB試件加載角示意圖Fig.2 Loading angle of the shale NSCB specimens

對于頁巖NSCB試件的制作，參考文獻(xiàn)[12]。第一步，用線鋸將按規(guī)定角度取芯后的頁巖圓盤（尺寸為 ? 50 mm×22 mm）對半分為兩個半圓盤；第二步，在半圓盤直徑的中部切設(shè)計長度的垂直預(yù)制縫。本文中取5個角度共5組試件，每組9個試件，共45個試件。

為了分析頁巖動態(tài)斷裂的全過程，按照DIC技術(shù)要求[20]，對所制頁巖試件進(jìn)行了噴斑處理，同時在未噴斑處理的截面預(yù)制裂紋尖端黏貼裂紋擴(kuò)展計，為了精確測量起裂時刻，裂紋擴(kuò)展計第一根電阻絲盡可能地靠近裂紋尖端黏貼，經(jīng)進(jìn)一步處理后的頁巖NSCB試件如圖3所示。

圖3 實驗所用頁巖NSCB試件Fig.3 Shale NSCB specimens

1.2 實驗

本實驗所用SHPB系統(tǒng)的直徑為50 mm，桿的密度為7 900 kg/m3，彈性模量為210 GPa。采用高速相機(jī)監(jiān)測裂紋的起裂和擴(kuò)展過程。將高速相機(jī)擺放在試件的正前方，鏡頭前設(shè)立透明有機(jī)玻璃板作為擋板，經(jīng)過多次調(diào)試，最終確定圖像的分辨率為924×768 pixel，幀率為2×105s?1，即每張圖片間隔時間為5 μs，空間分辨率為10.8 ppi。SHPB實驗布置如圖4所示。

圖4 SHPB實驗布置Fig.4 Layout of the SHPB experiments

根據(jù)ISRM推薦的NSCB試樣動態(tài)斷裂韌度的測試方法[12]，實驗過程中需保持桿端的動態(tài)力平衡，只有滿足動態(tài)力平衡的假定，才可代入靜態(tài)公式中進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子KId(t)的計算：

式中：F(t)為試件兩端動荷載歷程；Y(αa)為僅與αa（即裂紋尺寸）有關(guān)的無量綱化應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值，且可以通過數(shù)值模擬方法獲得，取決于預(yù)制裂紋的幾何參數(shù)，由文獻(xiàn)[12]可知， αS為0.55時，Y(αa)可表示為：

圖5為動態(tài)力平衡的驗證曲線（C-0試件，沖擊速度4 m/s），實驗過程中均滿足動態(tài)力平衡假定。此外，根據(jù)ISRM推薦的動態(tài)起裂韌度測試標(biāo)準(zhǔn)，NSCB試件的加載率k˙1可由應(yīng)力因子時程曲線的線性段斜率來確定，確定方式如圖6所示（C-0試件，沖擊速度5 m/s）。

圖5 力平衡的驗證Fig.5 Verification of the force balance

圖6 加載率的確定Fig.6 Determination of the loading rate

采用式(1)計算動態(tài)起裂韌度時，一般認(rèn)為應(yīng)力強(qiáng)度因子時程曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為試件的動態(tài)起裂韌度，本文中，在頁巖NSCB試件預(yù)制裂紋尖端布置了裂紋擴(kuò)展計來監(jiān)測其裂紋擴(kuò)展的動態(tài)過程，可以準(zhǔn)確得到試件的起裂時刻tf和裂紋擴(kuò)展速度。

對于沖擊速度梯度的選擇，參考相關(guān)的研究結(jié)論[21]，當(dāng)子彈沖擊速度大于5 m/s時，根據(jù)NSCB試件所得到的數(shù)據(jù)可能將不再有效，子彈速度過高會導(dǎo)致NSCB試件與入射桿的接觸端先破壞，而不是沿預(yù)制裂紋起裂，違背了利用NSCB試件進(jìn)行動態(tài)斷裂實驗的初衷。因此本實驗設(shè)置3個沖擊速度梯度，分別為3、4和5 m/s，對頁巖NSCB試件開展不同沖擊速度梯度和不同加載角度下的正交實驗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 動態(tài)起裂韌度

通過SHPB實驗得到動荷載F(t)的時程曲線，代入式(1)計算可得頁巖NSCB試件的應(yīng)力強(qiáng)度因子時程曲線。對于起裂時刻的確定，本文中采用了兩種方法：(1)參考ISRM推薦的靜態(tài)公式法，認(rèn)為動態(tài)荷載峰值點(diǎn)所對應(yīng)的時刻為起裂時刻，相對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為動態(tài)起裂韌度，此時需要確定荷載開始作用的時間t0，其方法是找到各應(yīng)力波波峰前1/5幅值處對應(yīng)點(diǎn)B，取B前后5點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，直線的x軸截距即試件受到荷載作用的起始時間t0[22]，試件峰值時刻由加載力峰值對應(yīng)時刻tmax確定，圖7為實驗所得的典型加載波形時程曲線（C-0試件，沖擊速度5 m/s）；(2)由裂紋擴(kuò)展計確定，認(rèn)為第一根金屬柵絲斷裂的時刻為起裂時刻tf，對裂紋擴(kuò)展計所得電壓時程曲線進(jìn)行降噪后，再對時間求導(dǎo)即可求得電壓對時間的導(dǎo)數(shù)時程曲線，各極值點(diǎn)即為每根柵絲的斷裂時刻，如圖8所示（C-0試件，沖擊速度4 m/s）。

圖8 典型裂紋擴(kuò)展計電壓時程曲線Fig.8 Voltage time history curve of a typical crack growth meter

通過對本實驗結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同加載率下頁巖NSCB試件的起裂時刻及動態(tài)起裂韌度，同時以裂紋擴(kuò)展計測試范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展平均速度為裂紋擴(kuò)展的代表速度，部分實驗結(jié)果如表2所示。

表2 頁巖動態(tài)起裂韌度Table2 Dynamic initiation toughness of shale

由表2可知，采用靜態(tài)公式法計算動態(tài)起裂韌度時，若以tf為起裂時刻，則所得結(jié)果顯著小于以tmax為起裂時刻的計算結(jié)果。提取表2中加載率與動態(tài)起裂韌度擬合關(guān)系曲線，如圖9所示。由圖9可以看出，在相近的加載率下，對于C-0試件，在裂紋擴(kuò)展路徑上無層理弱面，裂紋切穿頁巖基質(zhì)，因此具有較大的動態(tài)起裂韌度；對于加載角為0°的試件，預(yù)制裂紋與層理弱面平行，NSCB試件的危險截面與層理弱面平行，易在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生沿層理弱面的張拉破壞，因此具有最小的動態(tài)起裂韌度；對于加載角為90°的頁巖試件，裂紋擴(kuò)展需要跨越的層理弱面最多，結(jié)合文獻(xiàn)[23-25]中關(guān)于層理弱面對裂紋擴(kuò)展的影響研究可知，層理對裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用，當(dāng)裂紋前進(jìn)方向與層理面呈90°時，裂紋擴(kuò)展所受的阻礙作用最大。本實驗也印證了這一結(jié)果，即C-0試件與90°試件具有較大的動態(tài)起裂韌度，0°試件具有最小的動態(tài)起裂韌度。

圖9 加載率與動態(tài)起裂韌度關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between the loading rate and the dynamic fracture toughness

2.2 裂紋擴(kuò)展速度

本實驗所用裂紋擴(kuò)展計共有10個金屬格柵，格柵間距l(xiāng)0=1 mm，格柵長10 mm。當(dāng)試件在第一個金屬柵絲斷裂（tf=t1時刻）后，裂紋向前發(fā)展，金屬柵絲逐個斷裂，引起裂紋擴(kuò)展計電壓階梯型變化，如圖10所示。

圖10 裂紋擴(kuò)展位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the crack propagation position

由裂紋擴(kuò)展計的電壓時程曲線可得相鄰柵絲斷裂的時間差Δti（i=1,2,3,···,7,8,9 ），繼而可以得到該范圍內(nèi)的裂紋傳播速度：

對本實驗中所得到的裂紋擴(kuò)展計電壓時程數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，由式(3)可得裂紋擴(kuò)展至不同位置的速度變化，如圖11～12所示。

圖11 不同加載率下C-0試件裂紋擴(kuò)展速度變化Fig.11 Crack propagation speed of the C-0 specimens under different loading rates

由圖11～12可知，在本實驗所用裂紋擴(kuò)展計的監(jiān)測范圍內(nèi)，相同加載角度頁巖試件的最大裂紋擴(kuò)展速度隨加載率的提高而提高，由于C-0試件的裂紋擴(kuò)展過程不受層理弱面的阻礙作用，因此其裂紋擴(kuò)展速度在實驗所測范圍內(nèi)呈上升趨勢；其他加載角度頁巖試件由于受到層理弱面對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用，在裂紋擴(kuò)展跨越層理弱面時，裂紋尖端的應(yīng)力集中程度降低，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力下降，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。如圖12所示，不同加載角下頁巖試件的裂紋擴(kuò)展速度峰值隨加載角的增大而減小，C-0試件的裂紋擴(kuò)展要切穿頁巖基質(zhì)，由于基質(zhì)剛度大，導(dǎo)致C-0試件的裂紋擴(kuò)展速度峰值處于其他加載角試件之間。在三點(diǎn)彎曲實驗中，中心切槽方向是斷裂的優(yōu)勢方向，中心切槽方向與試件的危險截面重合，因此是裂紋擴(kuò)展的主要方向。0°頁巖試件的層理弱面與危險截面平行，因此其裂紋擴(kuò)展易于沿層理弱面展開，具有較大的裂紋擴(kuò)展速度；而隨著加載角的增大，裂尖在跨越層理時受到層理弱面的影響顯著，裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能量耗散更復(fù)雜，本實驗所用頁巖均取自同一巖體，在相同的試件尺寸下，裂尖在擴(kuò)展相同的距離時，加載角越大，裂紋擴(kuò)展所需跨越的層理弱面也就越多，因此實驗所得的裂紋擴(kuò)展速度峰值隨加載角度的增大而減小。

圖12 等沖擊速度下不同加載角試件的裂紋擴(kuò)展速度Fig.12 Crack propagation speed of specimens with different loading angles under constant impact velocity

3 裂紋擴(kuò)展過程

3.1 裂紋擴(kuò)展過程

本實驗采用高速相機(jī)對頁巖NSCB試件的Ⅰ型動態(tài)斷裂過程進(jìn)行記錄，圖13為高速攝影系統(tǒng)所記錄的頁巖NSCB試件典型動態(tài)斷裂過程。在沖擊速度較低時，頁巖NSCB試件基本沿預(yù)制裂紋方向開裂；隨著沖擊速度的提高，裂紋擴(kuò)展路徑沿層理方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，層理弱面的影響更顯著。

圖13 典型頁巖NSCB試件動態(tài)斷裂過程Fig.13 Dynamic fracture process of a typical shale NSCB specimen

借助DIC技術(shù)對所布散斑進(jìn)行分析計算[14]，通過VIC-2D軟件得到了頁巖NSCB試件在Ⅰ型動態(tài)斷裂過程中的全場應(yīng)變、位移信息。圖14為NSCB試件在DIC數(shù)據(jù)處理過程中的裂尖坐標(biāo)軸及目標(biāo)子區(qū)域（藍(lán)線框內(nèi)）。

圖14 DIC數(shù)據(jù)處理過程中的裂尖坐標(biāo)軸及目標(biāo)子區(qū)域Fig.14 Crack tip coordinate axises and target subregion during DIC data processing

圖15～16為動態(tài)斷裂過程中的典型水平位移場及對應(yīng)的應(yīng)變場變化規(guī)律，本文中以C-0試件和加載角為60°的頁巖NSCB試件為例（沖擊速度均為4 m/s），詳細(xì)分析層理弱面對頁巖裂紋擴(kuò)展過程的影響。實驗中高速相機(jī)設(shè)置為外觸發(fā)，由入射桿所設(shè)置的應(yīng)變片觸發(fā)，觸發(fā)參數(shù)與SHPB觸發(fā)參數(shù)相同，因此可以由裂紋擴(kuò)展計確定起裂時刻的圖像。由圖15～16可見，在加載前期，NSCB試件位移場較均勻，無梯度差；隨著加載的進(jìn)行，頁巖NSCB試件沿預(yù)制裂紋方向開始出現(xiàn)位移梯度變化，隨著頁巖NSCB試件的起裂和斷裂過程發(fā)展，NSCB試件表面位移場的梯度變化也更加顯著。進(jìn)一步分析頁巖試件斷裂過程中的應(yīng)變場規(guī)律可知，在加載初期，NSCB試件中并未發(fā)生應(yīng)變集中現(xiàn)象，而隨著加載的進(jìn)行，試件開始積累彈性應(yīng)變能，并在試件內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)變集中，此時出現(xiàn)了一個特別的現(xiàn)象：應(yīng)變集中的區(qū)域，即NSCB試件的最終裂紋擴(kuò)展路徑，隨著試件所積累的彈性應(yīng)變能達(dá)到起裂閾值，NSCB試件開始沿預(yù)制裂紋尖端發(fā)生裂紋起裂和擴(kuò)展，試件內(nèi)部的應(yīng)變集中得到集中釋放，裂紋沿初始應(yīng)變最集中的路徑擴(kuò)展，形成一條以裂紋擴(kuò)展路徑為中心的應(yīng)變帶，而其他區(qū)域的應(yīng)變值則逐步趨于零。

圖15 C-0試件典型位移場和應(yīng)變場變化規(guī)律Fig.15 Typical displacement field and strain field of the C-0 specimens

進(jìn)一步對比圖15和16，可見一種截然不同的應(yīng)變集中現(xiàn)象。C-0試件由于層理弱面與半圓截面平行，因此在裂紋擴(kuò)展方向上受層理弱面的影響較小，裂紋擴(kuò)展基本沿預(yù)制裂紋方向發(fā)展，如圖15中應(yīng)變場所示，其在裂紋起裂前的應(yīng)變集中分布較均勻，應(yīng)變集中區(qū)域均勻分布于整個目標(biāo)子區(qū)域，這與60°試件的應(yīng)變集中現(xiàn)象截然不同。如圖16所示，60°試件在起裂前也出現(xiàn)了顯著的應(yīng)變集中現(xiàn)象，但其應(yīng)變集中區(qū)域受層理位置影響顯著，基本在與預(yù)制裂紋方向成60°夾角的區(qū)域內(nèi)分布，說明在動態(tài)荷載作用下，層理弱面位置對裂紋擴(kuò)展路徑具有顯著影響，由于層理弱面處的黏聚力要顯著小于頁巖基質(zhì)，因此在加載過程中易于發(fā)生沿層理方向的錯動，造成沿層理方向的應(yīng)變集中，隨著層理弱面之間的裂隙發(fā)展，層理間的應(yīng)變集中得到釋放，此時試件所積累的彈性應(yīng)變能不僅作用于主裂紋的擴(kuò)展，同時耗散于層間裂隙的發(fā)展，這也是層理對主裂紋擴(kuò)展有阻礙作用的原因之一。同時結(jié)合2.2節(jié)中對各加載角頁巖試樣的裂紋擴(kuò)展速度研究，在裂紋擴(kuò)展跨越層理時，層間裂隙的發(fā)展使得驅(qū)動主裂紋擴(kuò)展的能量產(chǎn)生了一部分耗散，使裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力降低，裂紋擴(kuò)展速度呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；C-0試件在平面內(nèi)無層理的阻礙作用，試件所積累的彈性應(yīng)變能主要供于主裂紋擴(kuò)展，因此其裂紋擴(kuò)展速度一直處于上升趨勢。

圖16 60°試件典型位移場和應(yīng)變場變化規(guī)律Fig.16 Typical displacement field and strain field of the specimens with loading angle of 60°

3.2 裂紋擴(kuò)展路徑

圖17為頁巖NSCB試樣在SHPB實驗后的典型破壞形態(tài)（加載角為60°）?？梢娫跊_擊速度較低時，各加載角度頁巖試件均大致沿預(yù)制裂紋方向擴(kuò)展；隨著沖擊速度的提高，裂紋擴(kuò)展受層理弱面影響產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)；隨著沖擊速度的進(jìn)一步提高，NSCB試件開始在點(diǎn)荷載施加處產(chǎn)生破壞，同時層理弱面的影響進(jìn)一步加劇，開始出現(xiàn)沿層理面整體的張拉破壞面，如圖18所示。

圖17 不同沖擊速度下頁巖試樣的典型破壞形態(tài)Fig.17 Typical failure modes of shale NSCB specimens under different impact speeds

圖18 試件沿層理面斷裂Fig.18 Specimen fractures along the bedding plane

為進(jìn)一步研究頁巖NSCB試樣在動態(tài)三點(diǎn)彎曲實驗中的裂紋擴(kuò)展路徑，對試樣最終破壞的裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行提取，如表3所示。

由表3可知，層理對頁巖裂紋擴(kuò)展的影響體現(xiàn)在起裂階段，層理裂隙的存在使裂紋起裂發(fā)生沿層理方向的偏轉(zhuǎn)。頁巖NSCB試樣的受力形式可以簡化為中心受集中荷載的簡支梁，危險截面在中心荷載作用方向上，即試樣的切槽方向，因此NSCB試樣的裂紋擴(kuò)展受到彎曲應(yīng)力與層理弱面的雙重影響。在沖擊速度較低時，危險截面上的彎曲應(yīng)力是影響頁巖NSCB試件斷裂的優(yōu)勢方向，此時層理的影響并不顯著，在整體斷裂過程中，裂紋擴(kuò)展路徑最終靠近危險截面方向；隨著沖擊速度的提高，輸入的能量不僅使頁巖試樣沿切槽方向開裂，同時使試件產(chǎn)生沿層理弱面發(fā)展的次生裂紋，如圖16(b)所示，由于層理弱面較為薄弱，因此會首先沿層理弱面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象并產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的存在對主裂紋擴(kuò)展具有導(dǎo)向作用，使主裂紋擴(kuò)展至破壞區(qū)域時發(fā)生偏轉(zhuǎn)；隨著沖擊速度的進(jìn)一步提高，為試樣的裂紋發(fā)育提供更多的能量，層理弱面間的裂紋開始貫通，出現(xiàn)沿層理的破壞面。

表3 頁巖NSCB試樣的典型破壞路徑Table3 Typical failure pathes of shale NSCB samples

本實驗在設(shè)置沖擊速度梯度時參考了趙堅等[21]的研究結(jié)論，為保證以NSCB試樣為研究對象的實驗有效性，NSCB試樣在開裂時需首先沿預(yù)制裂紋方向展開，如果沿點(diǎn)荷載施加處先展開，實驗的有效性就無法保證。在沖擊速度達(dá)到5 m/s時，部分試樣也出現(xiàn)了以點(diǎn)荷載施加處為起點(diǎn)的破裂面，通過高速相機(jī)對斷裂過程進(jìn)行記錄，如圖19所示，主裂紋的擴(kuò)展與點(diǎn)荷載施加處的破壞是同時產(chǎn)生的，5 m/s的沖擊速度是保證本實驗有效性的一個閾值。

圖19 斷裂過程Fig.19 Fracture process

4 結(jié) 論

采用SHPB系統(tǒng)對頁巖NSCB試樣進(jìn)行了沖擊實驗，并結(jié)合高速攝影系統(tǒng)和DIC技術(shù)對頁巖NSCB試件的斷裂全過程進(jìn)行研究，得到了不同加載角度下頁巖的動態(tài)起裂韌度、裂紋擴(kuò)展速度、斷裂過程中應(yīng)變場和水平位移場的變化規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）不同加載角度下，頁巖NSCB試樣的動態(tài)起裂韌度具有顯著的各向異性，加載角度與起裂韌度具有正相關(guān)關(guān)系，C-0試件裂紋擴(kuò)展雖然不受層理的阻礙作用，但其裂紋擴(kuò)展要切穿頁巖基質(zhì)，所以其與加載角90°頁巖試件具有較大的起裂韌度。

（2）層理位置對試樣的裂紋擴(kuò)展速度具有阻礙作用，當(dāng)切槽方向與層理方向平行時具有最大裂紋擴(kuò)展速度，而當(dāng)切槽方向與層理方向垂直時則具有最小的裂紋擴(kuò)展速度。

（3）當(dāng)切槽方向存在層理弱面時，試樣預(yù)制裂紋尖端在斷裂前會出現(xiàn)沿層理的應(yīng)變集中現(xiàn)象，而C-0試件則與之顯著不同，由于其裂紋擴(kuò)展方向上不存在層理弱面，其預(yù)制裂紋尖端不會出現(xiàn)沿某一特定方向的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）對于頁巖NSCB試樣，當(dāng)沖擊速度較低時，危險截面上的彎曲應(yīng)力是影響頁巖NSCB試件斷裂的優(yōu)勢方向，此時層理的影響是局部的，在整體斷裂過程中，裂紋擴(kuò)展路徑最終靠近危險截面方向；而隨著沖擊速度的提高，層理弱面的影響進(jìn)一步顯現(xiàn)，斷裂不僅沿危險截面方向，同時也發(fā)生在層理弱面上。