岩石Ⅰ型断裂韧度测试方法研究进展
２００９年第２３卷第３期
（总第７５期）
测
试技术
学报
Ｖ０１．２３Ｎｏ．３
２００９
Ｊ０ｕＲＮＡＬｏＦＴＥＳＴＡＮＤ
ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ（ＳｕｍＮｏ．７５）
文章编号：１６７１—７４４９（２００９）０３—０１８９—０８
岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究进展
崔振东１，刘大安１，安光明１，周
苗ｚ
（１．中国科学院地质与地球物理研究所中科院工程地质力学重点实验室，北京１０００２９；
２．中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京１０００８３）
摘要：岩石断裂韧度测试方法研究是准确获取岩石断裂韧度值的重要前提，也是进行岩石断裂力学理论
和应用探索的重要途径．本文综述了国内外岩石Ｉ型断裂韧度测试方法，着重介绍了美国材料与测试协会（ＡＳＴＭ）和国际岩石力学协会（ＩＳＲＭ）提出的建议测试方法及其研究进展；对比了不同测试方法获得的岩
石Ｉ型断裂韧度值之间的差异，并分析了产生这种差异的原因；指出了岩石断裂韧度测试方法中有待于进
一步研究的问题．
关键词：岩石Ｉ型断裂韧度；测试方法；比较与修正；研究进展
中图分类号：ＴＢｌ６；ＴＤ３１５
文献标识码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎ
Ｍｏｄｅ－Ｉ
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Ｔｅｓｔｉｎｇ
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（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆＧｅｏ・ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ
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Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００２９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ
１０００８３。Ｃｈｉｎａ）
ＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｏｂｔａｉｎ
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ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡＳＴＭａｎｄＩＳＲＭｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｖａｒｉａｎｃｅｓｏｆｍｏｄｅ—Ｉｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｍｅｔｈｏｄｓｎｅｅｄ
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Ｏ
引言
岩石断裂力学是在借鉴金属材料断裂力学理论的基础上发展起来的新兴边缘学科．它以岩石断裂韧
收稿日期：２００８—０９－２３
基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０４７２１４５）；国家９７３资助项目（２００６ＣＢ７０５８０２）作者简介：崔振东（１９８１一），男，博士生，主要从事工程地质与岩石断裂力学研究．
１９０
测试技术学
报
２００９年第３期
度为基本参数，以岩石材料裂纹起裂及扩展过程为研究内容，以探究岩石材料断裂机理为研究目标．Ｇｒｉｆｆｉｔｈ（１９２１）和Ｉｒｗｉｎ（１９５７）把材料中的缺陷简化成椭圆形的裂纹，并根据经典力学提出了裂纹扩展准则和应力强度因子、断裂韧度等基本概念，形成了断裂力学（１］．２０世纪７０年代，在研究材料强度问题中，岩石力学研究者借鉴断裂力学的一些方法和原理来研究岩石的破坏特性，岩石断裂力学兴起．此后经过几十年的发展，岩石断裂力学在土木工程、采矿工程、边坡工程、水利水电工程、地下工程、核废料处置等领域都有广泛的应用前景．例如，在对岩石的钻井、开挖、爆破、切割等工程活动中，都可以运用岩石断裂力学的原理、方法与技术分析岩石结构的强度、稳定性和破裂等问题．另外，把岩石断裂力学理论有效地应用于岩体工程领域相关岩体坍塌失稳，裂隙扩展的研究当中，有助于很好地解决岩体工程方面
的相关课题．
岩石断裂韧度是岩石断裂力学中最为重要的参数和指标，它表征岩石材料抵抗裂纹扩展的能力或产生新裂纹表面所需克服的阻力．特别是当模拟岩体少量主裂纹的作用时，断裂韧度比其它强度参数更合适．因此，在预测实际工程岩体的力学性质时，岩石断裂韧度是目前的主要参数．然而，由于受尺寸效应、温度效应、围压作用、加载速率、预制裂缝尺寸和样式、加载方式、岩石彩Ｍｏｄｅ２
材料性质、采用的试验方法以及加载设备等多翁靛。◇种因素制约，若要准确获取岩石材料的断裂韧度值十分困难．因此，研究如何准确获取岩石断
裂韧度值的测试技术和实验方法，是岩石断裂
力学在理论和实践中实现突破的关键．
疑砭ｍ
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Ｍｏｄｅｌ＋３彭
八
Ｍｏｄｅ３
Ｍｏｄｅ２＋３
传统断裂力学一般按照裂纹扩展相对位移将裂纹扩展形式分为：Ｉ型（张开型），Ｉ型（滑移型），Ⅲ型（撕裂型）三种基本类型及多种复合类型（图１）［２］，而岩石断裂通常以Ｉ型张拉断裂为主［３］．确定岩石Ｉ型断裂韧度值的方法很帮ｆ…：钙
多，自从２０世纪７０年代正式开始进行岩石断圈１
裂纹的三种基本类型及其复合类型
裂韧度测试之后，各种测试方法层出不穷ｎ］．本Ｆｉｇ．１
Ｔｈｒｅｅ
ｂａｓｉｃｔｙｐｅｓ
ａｎｄｉｔｓ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
ｔｙｐｅｓ
ｏｆｃｒａｃｋｓ
文着重阐述了国内外岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究进展概况，对比分析了不同测试方法获得的岩石
断裂韧度值之间的差异性．１
岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究现状
对岩石进行断裂韧度室内测试是将断裂力学引入岩石力学的基础．鉴于岩石材料本身的复杂特性，
进行岩石断裂韧度试验存在两个难题：一是岩石试件不易预制特定裂纹；二是裂纹长度难以准确测量．因此不能简单的照搬金属试件已有的测试规范，必须采用新试件和新方法．因此，国内外很多学者致力于研究如何能准确得到岩石断裂韧度的测试技术和实验方法．岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究经历了探索、标准化及比较修正三个过程，现在的研究热点是对已有的建议测试方法进行比较修正．
１．１岩石Ｉ型断裂韧度测试方法
自从２０世纪６０，７０年代以来，许多学者在借鉴金属断裂韧度测试方法的基础上，针对岩石材料的特殊性，在岩石断裂韧度测试方法研究方面进行了很多有益的探索．
通常用于测定岩石断裂韧度的方法有以下几大类：短圆棒试件、扭转试验、梁的弯曲试验和圆盘试验．其中，梁的三点弯曲试验常被采用．具体来讲，曾被用来测试岩石ｌ型断裂韧度的方法及试样类型有：中心直裂纹试样（ＣＳＣＢＤ）、单边切槽裂纹试样（ＳＥＣＢＤ）、不预制裂纹的巴西圆盘测试（ＢＤＴ）、修正
（总第７５期）岩石１型断裂韧度测试方法研究进展（崔振东等）
１９１
的圆盘测试（ＭＲＴ）、压痕试验（１Ｔ）、径向裂纹环状试验（ＲＣＲＴ）、修正环状试验（ＭＲＴ）、单边切槽半圆盘三点弯试样（ＨＤＢ）、环形盘紧凑拉伸试样、轴向切槽圆棒压缩开裂试验（ＡＣＲＢＣ）、单边切槽圆棒弯曲试验（ＳＥＮＲＢＢ）、环向切槽圆棒弯曲试验（ＣＮＲＢＢ）、环向切槽圆棒离心加载试验（ＮＲＢＥＬ）、环向切槽圆棒拉伸试验（ＣＮＲＢＴ）、预制裂纹空心筒内压测试或爆破测试、单边直裂纹三点弯曲梁测试（ＳＣ３ＰＢ）、单边直裂纹４点弯曲梁测试（ＳＣ４ＰＢ）、双扭测试（ＤＴ）、双悬臂梁撕裂试验（ＤＣＢ）、紧凑拉伸试验（ＣＴ）、边切槽圆盘劈裂试验（ＥＮＤ）、厚壁圆筒试验（ＴＷＣ）、点荷载试验等ＨＪ．
迄今为止，岩石Ｉ型断裂韧度测试较为常用的试样类型主要有：单边直裂纹三点弯曲梁试样（ＳＣ３ＰＢ）、“Ｖ”形切槽三点弯曲圆梁试样（ＣＢ）、“Ｖ”形切槽短棒试样（ＳＲ）、“Ｖ”形切槽巴西圆盘试样（ＣＣＮＢＤ）．此外，紧凑拉伸试验（ＣＴ）、单边切槽圆棒弯曲试验（ＳＥＮＲＢＢ）及双扭测试（ＤＴ）、厚壁圆筒试验（ＴＷＣ）等方法也被广泛采用．
Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ等对上述岩石断裂韧度的各种测试方法进行了全面比较，并对各种方法的特性和局限性进行了评价［５］．这一阶段所采用的断裂韧度测试方法和试样类型繁多，为岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究提供了宝贵的探索经验，很多测试方法已显现出独特的优越性．
１．２
ＡＳＴＭ和ＩＳＲＭ建议测试方法
随着岩石断裂韧度测试方法不断涌现，岩石断力学及断裂韧度测试方法研究已经越来越成为岩石力
学界和工程学界研究的热点．然而各种不同的测试方法所得的断裂韧度值存在较大差异，相互之间可比性差，这样就不利于获取可靠的岩石断裂韧度值．因此，迫切需要研究建立标准的岩石断裂韧度测试方法，以获得统一可靠的岩石断裂韧度值．
为了提供一些能够较理想地测出岩石断裂韧度值的试验方法，美国材料与测试协会（ＡＳＴＭ）于１９８４年提出了单边直裂纹三点弯曲梁试样（图２（ａ）），并给出了相关的几何尺寸及计算方法［６］．另外，国际岩石力学学会（ＩＳＲＭ）也先后提出了两种用于测定岩石断裂韧度的建议方法：其一，是ＩＳＲＭ（１９８８）建议测试方法Ⅲ；其二，是ＩＳＲＭ（１９９５）建议测试方法［８］．共有三种试样类型：１９８８年推荐的Ｖ形切槽
三点弯曲圆梁试样（图２（ｂ））、Ｖ形切槽短圆棒试样（图２（ｃ））和１９９５年提出的Ｖ形切槽巴西圆盘试样（图２（ｄ））．
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（ａ）ＡＳＴＭ－单边直裂纹三点弯曲梁试样（ＳＣ３ＰＢ）
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（ｂ）ＩＳＲＭ－“Ｖ”形切槽三点弯曲圆粱试样（ＣＢ）
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胆１．４５Ｄ；口ｏ＝０．４８Ｄ；口１．口０＝ｏ．９７／）；０＝５４．６。
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（ｄ）ＩＳＲＭ－“Ｖ”形切槽巴西圆盘试样（ＣＣｒＣＢＤ）
豳２岩石Ｉ型断裂韧度建议测试方法试样类型及加载示意图
Ｆｉｇ．２
Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓａｎｄｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆ
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ｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒ
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ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ
１９２
测试
技
术学
报２００９年第３期
上述几种建议测试方法经测试检验具有较好的一致性和可比性，大量测试结果统计分析可知：测得的岩石断裂韧度值分布在较为合理的误差范围内，受到国际岩石断裂力学界的广泛认可，现今已成为岩石断裂韧度测试研究的规范和标准．几种建议测试方法也各有其优缺点，适用范围也各不相同（见表１）．因此，需要进一步比较和修正，使之更加完善．
表１
Ｔａｂ．１
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
岩石Ｉ型断裂韧度测试建议方法比照表
ｓｕｇｇｅｓｔｅｄｍｅｔｈｏｄｓ
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纛蟊ｇｔ－与Ｍ啉ＡＳＴｍＭ㈥差薹萎嚣（ＩＳ雾ＲＭ差）点尝：：：＿需蓦
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Ｆ．Ｏｕｅｈｔｅｒｌｏｎｙ
样会（Ｓｗｅｄｅｎ，１９８８）
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黉强怎黑
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１．３不同测试方法的比较与修正
随着岩石断裂韧度建议测试方法的提出，国际上岩石断裂韧度测试研究已初步形成统一的规范．主要采用的测试方法和不同岩性的Ｉ型断裂韧度测试结果见表２．从表２可以看出：目前国内外测试所选用的岩性多集中在花岗岩、砂岩、大理岩、灰岩和辉长岩等，这些不同岩性的岩石Ｉ型断裂韧度值差异较大，且测得的断裂韧度值离散程度也各不相同．例如，花岗岩不同方法的测试结果离散程度就比其它岩石偏低，而砂岩的测试结果离散度较大．这是由于地质成因和结构类型（矿物成分、胶结状况等）不同
所导致的．
对比分析表２测试结果可知：对同一种岩性的岩石，采用不同测试方法和试样类型所得到的Ｉ型断裂韧度值存在较大差异，即使采用同一种测试方法所得到的断裂韧度值也有较大离散性．例如，表２中ＳＣ３ＰＢ，ＣＢ，ＳＲ及ＳＥＮＲＢＢ试样测试结果之间的差异相对较小，具有一定的可比性，而ＣＣＮＢＤ试样测得不同岩石的Ｉ型断裂韧度值一般比其它建议测试方法偏低．另外，表２还给出了采用ＳＲ和ＣＣＮＢＤ试样测试泥质砂岩的断裂韧度值，二者结果基本一致．可见对于文中采用的泥质砂岩试样，ＳＲ和ＣＣＮＢＤ方法测试结果较吻合，但是与其它砂岩测试结果仍存在较大差异．这说明：尽管已有的建议测试方法都考虑了对测试结果进行非线性修正，但其修正后的Ｉ型断裂韧度值仍因差异较大而难以相互验证．
影响岩石断裂韧度测试结果的因素有很多，如：试样尺寸、温度、围压、加载速率、预制裂缝尺寸和几何样式、加载方式、岩石材料性质、采用的测试方法以及试验机刚度等．而表２中测试的岩石Ｉ型断裂韧度值产生较大离散性和差异性主要是由于岩性结构差异和测试方法不同所造成的．首先，表２中列举的岩石类型（如砂岩、页岩、灰岩、花岗岩、玄武岩、大理岩、辉长岩等）涵盖了沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类，这三种岩石类型的地质成因和地质演化过程存在显著差异，这就必然产生不同的岩石结构特征、矿物组构和胶结力，这些地质成因和演化的差异必然会导致不同岩性的岩石的基本变形和强度性
（总第７５期）岩石１型断裂韧度测试方法研究进展（崔振东等）
１９３
质（如内聚力、弹性模量、泊松比、单轴抗拉、抗压强度、抗剪强度等）产生较大差异，这些强度和变形特性的差异进而会使测得的Ｉ型断裂韧度值之间存在差异性和离散性．其次，不同的岩石断裂韧度测试方法对测试结果之间差异性也有～定影响，这是由于不同测试方法所采用的试样几何类型、裂纹形式和加载方式存在较大差异，这样会导致裂纹尖端应力场分布及应力强度因子计算方法不同．然而，从表２可以观察到，采用ＡＳＴＭ和ＩＳＲＭ建议的几种测试方法测得的岩石断裂韧度值显示出较好的一致性，且比其它多种方法测试结果更有可比性，这也初步证明了建议测试方法体系的重要性和合理性．
裘２常温常压下岩石Ｉ型断裂韧度值（单位：ＭＰａ・ｍｌ／２）
Ｔａｂ．２
Ｒｏｃｋｍｏｄｅ
１
ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｖａｌｕｅｓ
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ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｎｏｒｍａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｉｎＭＰａ・ｍ１７２）
岩石Ｉ型断裂韧度测试方法和试样类型
岩性
ＳＣ３ＰＢ
ＣＢ
ＳＲ１．１２～２．８
ＣＣＮＢＤ１－１７～２．０４
ＣＴＳＥＣＢＤ１．６５
ｔ女自花冈君
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［５，１２，１３］［３。５，９，１４～１９］１－１４～１６，１８～２１，２３］［９，２４］［５。２０３Ｅｓ］
大理岩［０燃］［５０．，９１。６～，１６１．，３９２７］［５０．，８１５２～，２。２．．３６３７］
凝灰岩０嘲．４１
辉长岩Ｌ
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岩石Ｉ型断裂韧度测试方法和试样类型
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试技
术学报２００９年第３期
为了获得较为一致的岩石Ｉ型断裂韧度值，仍需要在已有测试方法基础上进行完善和创新．于是，对建议方法体系中不同的测试方法进行比较、修正和完善，成为近年来国际岩石断裂力学界许多学者的研究热点．加拿大的Ｍ．Ｊ．Ｉｑｂａｌ与Ｂ．Ｍｏｈａｎｔｙ通过大量试验对比了ＩＳＲＭ不同建议方法的测试结果，并对ＣＣＮＢＤ应力强度因子进行了修正ｃ９］．印度的Ｒ．Ｄ．Ｄｗｉｖｅｄｉ等也列表对比了不同测试方法和试样获取的断裂韧度值，并指出了产生差异性的原因［１０３四川大学王启智教授等对ＩＳＲＭ（１９９５）建议的Ｖ形切槽巴西圆盘（ＣＣＮＢＤ）试样的应力强度因子进行了重新计算并作出必要的修正［１１｜，在一定程度上缩小了ＣＣＮＢＤ试样与其它建议方法试样之间的差异．
实际上，岩石断裂韧度测试影响因素研究与测试方法修正，是一个不小的系统工程．以１９８８年提出的ＩＳＲＭ岩石断裂韧度测试建议方法为例，就有以Ｏｕｃｈｔｅｒｌｏｎｙ与孙宗颀为代表的２０多位中外学者前后研究了超过１０年．因此，从２００４年底开始，中国科学院地质与地球物理研究所刘大安研究员得到ＩＳＲＭ测试委员会的委任，担任了岩石断裂韧度测试建议方法修改小组召集人，负责召集相关研究者对ＩＳＲＭ岩石断裂韧度测试建议方法进行比较研究和修正．这个小组目前已经完成了大量的不同标准试件的岩石测试结果的比较，在此基础上，一些针对性的多因素影响试验测试工作和数值与理论分析工作正
在进行中．
２
结论
本文总结了岩石Ｉ型断裂韧度测试方法的研究进展，对比分析了不同测试方法得到的Ｉ型断裂韧度值的差异性．获得以下基本认识：
１）岩石Ｉ型断裂韧度测试方法多达２０余种，各有优劣，其中最常用的试样类型主要有单边直裂纹三点弯曲梁试样（ＳＣ３ＰＢ）、“Ｖ”形切槽三点弯曲圆梁试样（ＣＢ）、“Ｖ”形切槽短棒试样（ＳＲ）及“Ｖ”形切槽巴西圆盘试样（ＣＣＮＢＤ）．
２）ＡＳＴＭ和１ＳＲＭ提出的测试方法测得的断裂韧度值虽然具有一定的可比性，但仍需要通过大量的新的测试方法、修正方法与试验对比的研究，才能形成统一的岩石Ｉ型断裂韧度的标准测试方法．
３）经过对不同测试方法获得的断裂韧度值进行比较和分析可知：由于地质成因和结构类型不同，不同岩性的岩石Ｉ型断裂韧度值差异较大，且各种岩石测得的断裂韧度值离散程度也各不相同．ＳＣ３ＰＢ，
ＣＢ，ＳＲ及ＳＥＮＲＢＢ试样测试结果之间的差异相对较小，而ＣＣＮＢＤ试样测得不同岩石的Ｉ型断裂韧
度值一般比其它建议测试方法偏低．这表明：采用不同测试方法和试样类型所得到的Ｉ型断裂韧度值存在较大差异，而这种差异随岩石的不同而不同．３
建议
今后岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究的重要发展动向有：立足于岩石工程实践，在不断完善测试岩石Ｉ型断裂韧度方法体系的同时，积极研究动态断裂韧度测试技术和方法；还应综合运用已有的声发射、超声波等技术，探测岩石内部断裂响应并分析其对断裂韧度测试结果的影响；考虑高温、高压及动态加卸载环境对岩石断裂韧度值的影响；把岩石矿物结构组分、胶结状况等地质条件与岩石断裂韧度测试方法研究相结合，探索更符合岩石地质特征的测试方法，这样测得的断裂韧度值才能更适用于岩石
工程．
参考文献：
Ｅ１３［２３
ＡｔｋｉｎｓｏｎＢＨｕｄｓｏｎ
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ｏｎ
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ＪｉａＸｕｅｍｉｎｇ，ＷａｎｇＱｉｚｈｉ．Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆ
ｓｔｒｅｓｓ
ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｆｏｒｎｅｗｔｙｐｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅ
ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ
ｓｐｅｃｉｍｅｎ
（总第７５期）岩石Ｉ型断裂韧度测试方法研究进展（崔振东等）
ＩＳＲＭ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｒｏｃｋ
１９５
ｓｕｇｇｅｓｔｅｄＣｈｉｎｅｓｅ）
ｂｙ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３・２２（８）：１２２７—１２３３．（ｉｎ
［４３
ＢｅａｒｍａｎＲＡ．Ｔｈｅ
ｕｓｅ
ｏｆｔｈｅＤｏｉｎｔ１０ａｄｔｅｓｔ
ｆｏｒｔｈｅｒａｐｉｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＭｏｄｅ
Ｉｆｒａｃｔｕｒｅ
ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ［Ｊ］．ＩｎｔＪ
Ｒｏｃｋ
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ｌｉｍｅｓｔｏｎｅｒｏｃｋｆｒｏｍＳａｕｄｉ
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ｚｏｎｅ
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