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Fracture toughness determination and micromechanics of rock under Mode I and Mode II loading

  • This thesis work describes a new experimental method for the determination of Mode II (shear) fracture toughness, KIIC of rock and compares the outcome to results from Mode I (tensile) fracture toughness, KIC, testing using the International Society of Rock Mechanics Chevron-Bend method.Critical Mode I fracture growth at ambient conditions was studied by carrying out a series of experiments on a sandstone at different loading rates. The mechanical and microstructural data show that time- and loading rate dependent crack growth occurs in the test material at constant energy requirement.The newly developed set-up for determination of the Mode II fracture toughness is called the Punch-Through Shear test. Notches were drilled to the end surfaces of core samples. An axial load punches down the central cylinder introducing a shear load in the remaining rock bridge. To the mantle of the cores a confining pressure may be applied. The application of confining pressure favours the growth of Mode II fractures as large pressures suppress theThis thesis work describes a new experimental method for the determination of Mode II (shear) fracture toughness, KIIC of rock and compares the outcome to results from Mode I (tensile) fracture toughness, KIC, testing using the International Society of Rock Mechanics Chevron-Bend method.Critical Mode I fracture growth at ambient conditions was studied by carrying out a series of experiments on a sandstone at different loading rates. The mechanical and microstructural data show that time- and loading rate dependent crack growth occurs in the test material at constant energy requirement.The newly developed set-up for determination of the Mode II fracture toughness is called the Punch-Through Shear test. Notches were drilled to the end surfaces of core samples. An axial load punches down the central cylinder introducing a shear load in the remaining rock bridge. To the mantle of the cores a confining pressure may be applied. The application of confining pressure favours the growth of Mode II fractures as large pressures suppress the growth of tensile cracks.Variation of geometrical parameters leads to an optimisation of the PTS- geometry. Increase of normal load on the shear zone increases KIIC bi-linear. High slope is observed at low confining pressures; at pressures above 30 MPa low slope increase is evident. The maximum confining pressure applied is 70 MPa. The evolution of fracturing and its change with confining pressure is described.The existence of Mode II fracture in rock is a matter of debate in the literature. Comparison of the results from Mode I and Mode II testing, mainly regarding the resulting fracture pattern, and correlation analysis of KIC and KIIC to physico-mechanical parameters emphasised the differences between the response of rock to Mode I and Mode II loading. On the microscale, neither the fractures resulting from Mode I the Mode II loading are pure mode fractures. On macroscopic scale, Mode I and Mode II do exist.show moreshow less
  • Diese Arbeit beschreibt eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung der Modus II (Schub) Bruchzähigkeit, KIIC, von Gestein und vergleicht die Ergebnisse mit Resultaten aus Versuchen zur Bestimmung der Modus I (Zug) Bruchzähigkeit, KIC.An einer Serie von Versuchen mit verschiedenen Belastungsraten wurde das kritische Modus I Rißwachstum eines Sandsteines untersucht. Die mechanischen Daten zeigen, daß zeit- und belastungsratenabhängiges Rißwachstum in dem Material bei konstantem Energieverbrauch stattfindet. Der neu entwickelte Versuchsaufbau zur Ermittlung der Modus II Bruchzähigkeit wurde Punch- Through Shear Test genannt. Die Proben werden aus Bohrkernen hergestellt in deren Endflächen Nuten eingebracht werden. Eine Last auf den Innenzylinder induziert eine Schubspannung. Auf die Mantelfläche der Proben kann ein Umlagerungsdruck aufgebracht werden. Da durch Normalspannungen das Modus I Rißwachstum unterdrückt wird, wird das Modus II Rißwachstum gefördert.Die PTS- Probengeometrie wurde bezüglich Nutentiefe, -durchmessers, -breiteDiese Arbeit beschreibt eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung der Modus II (Schub) Bruchzähigkeit, KIIC, von Gestein und vergleicht die Ergebnisse mit Resultaten aus Versuchen zur Bestimmung der Modus I (Zug) Bruchzähigkeit, KIC.An einer Serie von Versuchen mit verschiedenen Belastungsraten wurde das kritische Modus I Rißwachstum eines Sandsteines untersucht. Die mechanischen Daten zeigen, daß zeit- und belastungsratenabhängiges Rißwachstum in dem Material bei konstantem Energieverbrauch stattfindet. Der neu entwickelte Versuchsaufbau zur Ermittlung der Modus II Bruchzähigkeit wurde Punch- Through Shear Test genannt. Die Proben werden aus Bohrkernen hergestellt in deren Endflächen Nuten eingebracht werden. Eine Last auf den Innenzylinder induziert eine Schubspannung. Auf die Mantelfläche der Proben kann ein Umlagerungsdruck aufgebracht werden. Da durch Normalspannungen das Modus I Rißwachstum unterdrückt wird, wird das Modus II Rißwachstum gefördert.Die PTS- Probengeometrie wurde bezüglich Nutentiefe, -durchmessers, -breite und des Probendurchmessers optimiert. KIIC steigt bi-linear mit Zunahme des Umlagerungsdruckes an. Ein starker Anstieg ist bis zu Umlagerungsdrücken von etwa 30 MPa zu beobachten, oberhalb ist die Steigung geringer. Bisher wurden Umlagerungsdrücke bis maximal 70 MPa aufgebracht. Die Entwicklung der entstehenden Risse und deren Variation mit Umlagerungsdruck wird beschrieben.Ob die Entstehung eines Modus II Risses in Gestein möglich ist, wurde vielfach in der Literatur diskutiert. Der Vergleich der Ergebnisse der Modus I und II Experimente, insbesondere bezüglich der Rißmuster und der Korrelationsanalysen von KIC und KIIC zu physiko-mechanischen Parametern, zeigt die Unterschiede der Reaktion auf Modus I und Modus II Belastung auf. Mikroskopisch gesehen wachsen die Risse weder unter Modus I noch unter Modus II Belastung in einem reinen Modus. Allerdings existieren Modus I und Modus II Risse auf der makroskopischen Betrachtungsebene.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tobias Backers
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-2294
Advisor:Georg Dresen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/02/02
Release Date:2005/03/02
Tag:Bruchzähigkeit; Felsmechanik; Mikrostruktur; Rissmechanik
fracture mechanics; fracture toughness; microsructure; rock mechanics
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
RVK - Regensburg Classification:TG 03200
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften