Introduction of a Scaling Factor for Fracture Toughness Measurement of Rocks Using the Semi-circular Bend Test

断裂韧性 材料科学 极限抗拉强度 断裂(地质) 缩放比例 韧性 复合材料 拉伸试验 断裂力学 比例(比率) 几何学 数学 物理 量子力学
作者
Saeid Ghouli,Bahador Bahrami,M.R. Ayatollahi,Thomas Driesner,Morteza Nejati
出处
期刊:Rock Mechanics and Rock Engineering [Springer Nature]
卷期号:54 (8): 4041-4058 被引量:48
标识
DOI:10.1007/s00603-021-02468-1
摘要

Abstract This article discusses the scale dependence of the mode $$\mathrm {I}$$ I fracture toughness of rocks measured via the semi-circular bend (SCB) test. An extensive set of experiments is conducted to scrutinise the fracture toughness variations with size for three distinct rock types with radii ranging from 25 to 300 mm. The lengths of the fracture process zone (FPZ) for different sample sizes are measured using the digital image correlation (DIC) technique. A theoretical model is also established that relates the value of fracture toughness to the sample size. This theorem is based on the strip-yield model to estimate the length of FPZ, and the energy release rate concept to relate the FPZ length to the fracture toughness. This theoretical model does not rely on any experimental-based curve-fitting parameter, but only on the tensile strength of the rock type as well as the fracture toughness at a specific sample size. The size effects predicted by the theoretical model is in a good agreement with the experimental data on both fracture toughness and the FPZ length. Finally, theoretical correction factors are introduced for various geometrical configurations of the SCB specimen, using which a scale-independent mode $$\mathrm {I}$$ I fracture toughness of the rock material can be estimated from the results of experiments performed on small samples.

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