Experimental Investigation of Mode I Rock Fracture Toughness

Abstract

[Abstract] Mode I fracture toughness (KIC) is one of the most important parameters in rock fracture mechanics. KIC is an intrinsic material property that represents the ability of a material containing a pre-existing defect to resist tensile failure. The International Society for Rock Mechanics (ISRM) has proposed four suggested methods for determining KIC. However, these methods present some drawbacks. The main objective of this thesis is to develop a simple testing approach, called pseudo-compact tension (pCT) test, to measure KIC in rocks using cylindrical single edge-notched specimens loaded in pure tension. The study is based on the results of a large set of fracture toughness experiments performed with different rock types, sample sizes, and a range of notch length ratios. The KIC values derived with the pCT test are compared with those obtained with one of the suggested methods of the ISRM, the semi-circular bend (SCB) test. Some selected pCT and SCB tests were also complemented with the concurrent monitoring of the acoustic emission (AE) activity. With the obtained data, we compare and analyse both testing methods, the effects of specimen size, notch length and lithology, the mechanical evolution along the experiments and the significance of different AE parameters.

[Resumen] La tenacidad de fractura en modo I (KIC) es uno de los parámetros más importantes en la mecánica de fractura aplicada a rocas. KIC es una propiedad intrínseca del material que representa su capacidad para resistir su rotura a tracción en la presencia de un defecto preexistente. La Sociedad Internacional para la Mecánica de Rocas (ISRM) ha sugerido cuatro métodos para determinar KIC, pero todos presentan algunos inconvenientes. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un método de ensayo simple, llamado ‘pseudo-compact tensión’ (pCT), para determinar KIC en rocas mediante muestras cilíndricas ensayadas bajo condiciones de tracción pura. El estudio se basa en los resultados de un número de ensayos llevados a cabo con distintos tipos de roca, tamaños de probeta y longitudes de entalla. Los valores de KIC obtenidos con el ensayo pCT se comparan con los obtenidos con el ensayo ‘semi-circular bend’ (SCB), uno de los métodos sugeridos por la ISRM. En algunos de estos ensayos también se registró la emisión acústica (AE). Con los datos obtenidos, comparamos y analizamos ambos métodos, los efectos del tamaño de probeta, longitud de entalla y litología, la evolución mecánica y la importancia de diferentes parámetros de AE durante los ensayos.

[Resumo] A tenacidade de fractura en modo I (KIC) é un dos parámetros máis importantes na mecánica de fractura aplicada a rochas. KIC é unha propiedade intrínseca do material que representa a súa capacidade para resistir a súa rotura a tracción na presenza dun defecto preexistente. A Sociedade Internacional para a Mecánica de Rochas (ISRM) suxeriu catro métodos para determinar KIC, mais todos presentan algúns inconvenientes. O principal obxectivo desta tese é desenvolver un método de ensaio simple, chamado ‘pseudo-compact tensión’ (pCT), para determinar KIC en rocha mediante mostras cilíndricas ensaiadas baixo condiciones de tracción pura. O estudo baséase nos resultados dun número de ensaios levados a cabo con distintos tipos de rocha, tamaños de probeta e lonxitudes de entalla. Os valores de KIC obtidos co ensaio pCT compáranse cos obtidos co ensaio ‘semi-circular bend’ (SCB), un dos métodos suxeridos pola ISRM. Nalgúns destes ensaios tamén se rexistrou a emisión acústica (AE). Cos datos obtidos, comparamos e analizamos ambos métodos, os efectos do tamaño de probeta, lonxitude de entalla e litoloxía, a evolución mecánica e a importancia de diferentes parámetros de AE durante os ensaios