试验装置主要由常规分离式SHPB压杆装置和示波器组成，分离式SHPB压杆装置由发射腔、冲头、入射杆、透射杆、能量吸收杆和数据采集系统组成，入射杆和透射杆均采用直径为50 mm的高强度钢，如 图1 所示。试验所需板岩原材料均取自于湖南怀化山区。岩样制备过程是将50 mm的钻头平行于层理方向岩块钻进取样，岩柱取出后然后再切割成厚度为25 mm的标准试件。如 图2 所示，试件标准尺寸为直径50 mm，厚度为25 mm。试件直径误差控制在±1 mm，厚度误差不超过±0.25 mm，表面平整度控制在±0.25˚。

动态巴西劈裂试验使用分离式霍普金森杆对层理角度为0˚，15˚，30˚，45˚，60˚，75˚和90˚的层状板岩构件展开测试，如 图2 所示。在入射杆和透射杆上粘贴应变片，距离试样距离大概1 m。将应变片与采集仪连接后先进行空冲，输出波形满足应力平衡后才可进行试样加载。测试开始前需要先用量角器等工具绘制出层理面加载角度。为使试块与两杆之间保持稳定，加载前需在试件及杆端均匀涂抹凡士林。实验中通过控制层理角度，分别改变罐内气压大小进行动态拉伸试验，同时利用高速摄影机辅助拍摄，观察试件的破坏情况。

在一维应力波传播条件下，在入射杆和透射杆上安装应变片，测量应力波的应变信号。采用三波法计算加载过程中层状板岩的应变速率，根据应力均匀性假设，应力波在短时间内达到径向均匀性。根据能量守恒定律，岩体的吸收能等于入射能减去透射能与反射能之和。因此，根据三波理论，试件的应力 $\sigma \left(t\right)$、应变 $\epsilon \left(t\right)$和应变率 $\stackrel{\dot{}}{\epsilon }\left(t\right)$可由下式计算：

$\sigma \left(t\right)=\frac{E_0{A}_0}{2A_s}\left[{\epsilon }_i\left(t\right)-{\epsilon }_r\left(t\right)-{\epsilon }_t\left(t\right)\right]$(1)

$\epsilon \left(t\right)=\frac{C_0}{l_s}{\displaystyle {\int }_0^{\tau }\left[{\epsilon }_i\left(t\right)-{\epsilon }_r\left(t\right)-{\epsilon }_t\left(t\right)\right]\text{d}t}$(2)

$\stackrel{\dot{}}{\epsilon }\left(t\right)=\frac{C_0}{l_s}\left[{\epsilon }_i\left(t\right)-{\epsilon }_r\left(t\right)-{\epsilon }_t\left(t\right)\right]$(3)

式中： $\epsilon$为应变值，其中下标i，r和t分别代表入射信号，反射信号和透射信号；E₀为杆子的弹性模量；A₀为杆子的横截面；C₀为杆子的弹性波速； $A_s$为试件的横截面； $l_s$为试件的长度；t为弹性波持续时间。

杆子的波速C₀计算如下式：

$C_0=\sqrt{E_0/{\rho }_0}$(4)

式中： ${\rho }_0$为杆子的密度。根据一维弹性波理论，可得到1，2接触端荷载与时间的关系：

$P_1\left(t\right)=E{A}_e\left[{\epsilon }_I\left(t\right)+{\epsilon }_R\left(t\right)\right]$(5)

$P_2\left(t\right)=E{A}_e{\epsilon }_T\left(t\right)$(6)

两杆端平均荷载P(t)为

$P\left(t\right)=\frac{P_1\left(t\right)+P_2\left(t\right)}{2}=E{A}_e\frac{{\epsilon }_I\left(t\right)+{\epsilon }_R\left(t\right)+{\epsilon }_T\left(t\right)}{dx}$(7)

根据应力平衡假设，当试样两端应力平衡时：

${\epsilon }_I\left(t\right)+{\epsilon }_R\left(t\right)={\epsilon }_T\left(t\right)$(8)

将式(7)代入(5)和(6)中，我们可以得到

$P\left(t\right)=E{A}_e{\epsilon }_T\left(t\right)$(9)

式中，P₁和P₂分别代表岩石试样和入射杆和透射杆界面处的加载力；ε_I，ε_R，ε_T分别表示入射，反射和透射应变波，由粘贴在入射杆和透射杆上的应变片监测；E代表杆子的杨氏模量；L为岩样长度；A为杆的截面面积

根据静态巴西劈裂原理，试样的抗拉强度表示为：

${\sigma }_t=\frac{2P}{\pi Dt}$(10)

式中，P为破坏时的荷载，D为试件直径，t为试件厚度。但由于动态巴西劈裂测试下试件开裂一般不会中心起裂，因此通过结合式(6)和式(7)可得动态巴西劈裂的抗拉强度：

${\sigma }_t=\frac{2P{\left(t\right)}_{\max }}{\pi DL}=\frac{2E{A}_e{\epsilon }_T{\left(t\right)}_{\max }}{\pi DL}$(11)

图3 显示了试验过程中应变片测量到的应力波形的电信号随时间的变化，可以发现入射波和透射波均为负电信号的压缩波，反射波为正电信号 [13] ，由于波阻抗差异，透射波峰值一般来说远小于入射波峰值。

岩石试件两端能否实现应力平衡，即入射波与反射波之和与透射波趋势是否相同，决定了这组试件是否成功。 图4(a) 是一组试样的应力波形图，其中入射波 + 反射波趋势基本与透射波一致，说明此时试样两端的应力是平衡状态。 图4(b) 是一组失败的试件，可以发现入射波+反射波趋势与透射波存在明显误差。

图4. 应力平衡图

自然界中沉积岩分布广泛，岩石在长期的地质运动中形成了特殊的如层理、片理、天然裂隙等结构，导致其力学上具有明显的横观各向同性，研究表明应力作用于沉积岩体时，应力方向与层理面之间角度的差异是影响岩石整体受力性能的一个重要因素。如 图5 所示，本试验将炭质板岩层理面与动载加载方向之间的夹角设置为0˚、15˚、30˚、45˚、60˚、75˚和90˚总计7种角度，通过比较不同角度下板岩的变形破坏特征分析层状板岩的力学特性和破坏模式。

采用相同的气压来推动子弹撞击入射杆，并利用高速摄影仪拍摄岩石破坏瞬间的图片，所得图像如 图6 所示，可以发现不同层理倾角下岩石的破坏模式不同：当板岩层理角度θ = 0˚时，板岩的基本只有一条贯穿的中心裂纹，方向沿层理面；当板岩倾角θ = 15˚时，板岩此时有两条主要贯通裂纹，方向沿层理面发展；当板岩倾角θ = 30˚时，板岩此时有一条主要贯通裂纹，但端部的次生裂纹发展方向仍受层理面影响较大；当板岩倾角θ = 45˚时，板岩此时有两条主要贯通裂纹，但两条裂纹都是由右侧端部发展而来，但在自然裂隙较多处开始分化；当板岩倾角θ = 60˚时，板岩此时有一条主要贯通裂纹，但还有多条扩展明显的次生裂纹，此时圆盘的形态进一步破碎；当板岩倾角θ = 75˚时，板岩此时有两条平行裂纹，裂纹并不贯通，从端部发展后沿呈75˚快速扩展后试样破坏，圆盘形态较为完整；当板岩倾角θ = 90˚时，此时板岩有一条贯通裂纹，垂直于层理面，并且次生裂纹数量较多，破坏形态较为碎散。

数字图像相关技术又称数字散斑相关法，是一种二维至三维，无接触测量任何材料的位移、震动和应变的光学测试系统。DIC测试流程和原理主要如下：首先拍摄试样变形前后的两幅数字图像，通过计算机和相关程序计算获得所需区域的应变信息。其基本原理是先对变形前图像中所需区域进行网格划分，通过喷涂上的散斑点来确定子区域。对每个子区域，计算机程序通过试样变形前后散斑点所在区域的位置可计算所有子区域，最终得到试样破坏前所需区域的微应变场信息。该方法对静态和准静态测试的材料精度较高，且对于试验场地要求较低，借助高速摄影仪也可对高应变率下材料的破坏变形过程进行分析。

此次试验借助高速摄影仪拍摄到的试样破坏前的图片，使用DIC技术分析得到不同层理角度下板岩破坏瞬间的内部应变云图。根据 图7(a) 所示，当层理倾角θ = 0˚时，可以明显看出动态荷载下应力波的传递具有不平衡性，最开始板岩的左侧应变较大，随着应力波的传递，大应变移动至右侧，经过若干次传递后，板岩左侧应力首先达到抗拉强度，随后裂纹从端部延伸向右边侧延伸并导致试样整体破坏；根据 图7(b) 中层理角度θ = 15˚时的圆盘微应变分布可以看出层理角度对于动载下板岩的应力分布具有重构影响；

可以发现不同层理角度下的板岩微应变分布并不完全相同，但微应变变化趋势仍然受应力波传递方向影响较大。观察 图7(f) 当层理倾角θ = 75˚时，此时圆盘的应变分布明显区别于其他角度，圆盘的端部沿两侧呈75˚延伸，板岩在此角度下的破坏模式发生明显转变，结合 图7 中层理倾角θ = 75˚时板岩的破坏面可以得知此时破裂端口光滑，并无其他次生裂纹出现，圆盘此时的破坏模式为剪切破坏。

(g) θ = 90˚

Figure 7. Microstrain analysis of slate at different lamination angles

图7. 不同层理角度下板岩的微应变分析

观察 图7(g) 可知，当板岩的层理倾角θ = 90˚时，圆盘破坏时微应变云图与层理倾角θ = 0˚时较为类似，但相较于θ = 0˚时，层理倾角θ = 90˚时板岩微应变分布更均匀，根据 图6 摄影仪拍摄图片中可以得知此时的板岩由于加载方向垂直层理面，导致次生的拉伸裂纹相较θ = 0˚时发育更多，这也导致圆盘的微应变分布并不完全按照层理面走向分布。

由于试验中采用的岩石内部材质分布并不均匀且具有随机分布的天然杂质和裂隙等影响，导致其在同一气压下的应变率和破坏形态具有显著差异，如 图8 所示，设置入射气压为0.4 MPa，层理角度θ = 75˚时板岩圆盘的破坏形态存在明显差异；另一原因可能由于子弹发射前试样虽然固定在两杆之间，但子弹发射后应力波还未传递至岩石时试样便与两杆错位，导致其加载方向出现偏移。

通过对实际高应变率下层状板岩破坏过程的DIC研究，可以认为DIC技术在研究材料高应变率下的变形破坏过程具有独特优势，其优势在于可清晰反映出材料内部微应变的变化规律，为研究应力波传递和材料的性能提供有效的合理数据，但由于DIC技术本质是对试验变化过程中每张图片上的子点进行位移分析，这对于图片的清晰度和摄影仪的帧率都具有很高的要求，而图片数量过多也对计算机的算力提出了更为严苛的要求，这导致DIC技术在研究高应变率试验材料时成本较高，操作难度较大。