Anisotropic shale is commonly distributed in nature and undergoes both dynamic compressive and tensile load in geological engineering. In this article, the coupling effects of strain rate and bedding structures on the fracture mechanisms of shale are investigated using a split Hopkinson pressure bar (SHPB) system. The tension-compression comparative study is conducted. The Brazilian disc method is modified, and a unified strain rate measurement method is established to comprehensively analyze shale's fracture-related properties, including moduli, strength and energy dissipation. The results indicate that the energy dissipated by shale fracture is strongly related to its strength. The strain rate and bedding affect the anisotropic strength and dissipated energy by changing the crack density and crack propagation mode. At low or medium strain rates, the bedding orientation of shale determines the direction of crack propagation. However, at high strain rates, microcracks in different directions are widely activated in the shale, which increases the fracture degree and decreases the difference in fracture toughness between the shale's matrix and bedding planes. This also leads to a decrease in anisotropy and causes the bedding planes to lose control over the direction of crack propagation. Additionally, the dynamic tensile strength of shale increases faster than the compressive one with the strain rate, leading to a reduction in the proportion of tensile failure under impact load. Based on the experimental findings, a new anisotropic damage constitutive model is developed to characterize the dynamic properties of shale. This model reflects the anisotropic damage evolution behaviors and aligns well with experimental results, offering a theoretical foundation for predicting shale's dynamic fracture behavior. In addition to shale, the developed experimental methods and theoretical models can also be applied to the fracture analysis of other brittle transversely isotropic materials.

Controllable shock wave fracturing is an innovative engineering technique used for shale reservoir fracturing and reformation. Understanding the anisotropic fracture mechanism of shale under impact loading is vital for optimizing shock wave fracturing equipment and enhancing shale oil production. In this study, using the well-known notched semi-circular bend (NSCB) sample and the novel double-edge notched flattened Brazilian disc (DNFBD) sample combined with a split Hopkinson pressure bar (SHPB), various dynamic anisotropic fracture properties of Lushan shale, including failure characteristics, fracture toughness, energy dissipation and crack propagation velocity, are comprehensively compared and discussed under mode I and mode II fracture scenarios. First, using a newly modified fracture criterion considering the strength anisotropy of shale, the DNFBD specimen is predicted to be a robust method for true mode II fracture of anisotropic shale rocks. Our experimental results show that the dynamic mode II fracture of shale induces a rougher and more complex fracture morphology and performs a higher fracture toughness or fracture energy compared to dynamic mode I fracture. The minimal fracture toughness or fracture energy occurs in the Short-transverse orientation, while the maximal ones occur in the Divider orientation. In addition, it is interesting to find that the mode II fracture toughness anisotropy index decreases more slowly than that in the mode I fracture scenario. These results provide significant insights for understanding the different dynamic fracture mechanisms of anisotropic shale rocks under impact loading and have some beneficial implications for the controllable shock wave fracturing technique.