tính chất cơ học của đá và khối đá

Nói chung, các máy hiện đại cho phép thí nghiệm theo chương trình định sẵn, chẳng hạn với chế độ điều khiển tải trọng hay chế độ điều khiển biến dạng; đồng thời các kết quả đo được ghi n

3 Tính chất cơ học của đá và khối đá

3.1 Tính chất cơ học của đá (đá liền khối -intact rock) 3.1.1 Phương pháp thí nghiệm

Các tính chất cơ học của đá, hay đá liền khối, đá nguyên vẹn, được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, trên các mẫu khá nhỏ, tách ra từ các khối nứt (hình 3-1), nghĩa là trong mẫu đá không có các khe nứt hở, xuyên suốt Tuy nhiên, so với các loại vật liệu kỹ thuật khác như thép, chất dẻo, đá

có cấu trúc không đều và các phần tử cấu trúc có kích thước lớn hơn Do vậy

để đảm bảo tính đồng nhất của mẫu thí nghiệm, kích thước của mẫu phải đủ lớn so với kích thước hạt khoáng vật hay nhóm hạt khoáng vật Ngoài ra, nếu đá có chứa các vết nứt, lỗ rỗng vi mô, cấu trúc của đá lại bị chi phối bởi các yếu tố này, thường lại đòi hỏi kích thước mẫu lớn hơn nữa

Tuy nhiên với kỹ thuật hiện nay,

trong phòng thí nghiệm thường khảo sát

các mẫu có kích thước đến 20cm, trong ít

trường hợp cũng có thể đến 50cm Nếu

yêu cầu về tính đại diện và tính đồng

nhất đòi hỏi kích thước mẫu vượt ra

ngoài giới hạn này, đương nhiên phải

chuyển sang làm thí nghiệm tại hiện

Trải qua quá trình phát triển, ngày nay trên thế giới có nhiều thiết bị thí nghiệm đã được cải tiến, hoàn thiện Nói chung, các máy hiện đại cho phép thí nghiệm theo chương trình định sẵn, chẳng hạn với chế độ điều khiển tải trọng hay chế độ điều khiển biến dạng; đồng thời các kết quả đo

được ghi nhận tự động và hiển thị trên máy tính, xử lý theo chương trình

Trên hình 3-3 cho thấy một số thiết bị thí nghiệm hiện đại, bao gồm máy thí nghiệm nén ba trục, kéo, nén một trục; máy liên hợp thí nghiệm cắt

Hình 3-3 Thiết bị thí nghiệm hiện đại

Hình 3-2 Các sơ đồ thí nghiệm (chất tải) trong phòng thí nghiệm

F T

cắt biến góc

σ α τ α

σ

3.1.1.1 Thí nghiệm nén

Thí nghiệm nén là phương pháp phổ biến nhất, các biểu hiện biến dạng (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) của đá chủ yếu được nghiên cứu thông qua thí nghiệm nén Điều đó trước tiên là do nguyên nhân kỹ thuật bởi vì thí nghiệm nén dễ thực hiện hơn thí nghiệm kéo Mặt khác, do độ bền kéo của đá thường có thể nhỏ tới 1/10 đến 1/30 độ bền nén, nên biểu hiện biến dạng khi chịu kéo ít được quan tâm và thực tế cũng khó xác định

Thông thường phân biệt hai chế độ thí nghiệm là:

• điều khiển tải trọng và

• điều khiển biến dạng

Trong chế độ điều khiển tải trọng, lực tác dụng thường được tăng hay giảm dần với tốc độ không đổi (nén với tốc độ tăng tải cố định) hoặc được giữ cố định (nén với tải trọng cố định hay thí nghiệm từ biến) Chế độ điều khiển biến dạng đặc trưng bởi quá trình thí nghiệm giữ cho tốc độ biến dạng của mẫu không đổi

Trong quá trình chất tải (tăng và giảm tải) lên một mẫu đá, không chỉ

có mẫu đá mà cả hệ thống chất tải cũng bị biến dạng Tùy theo độ cứng của

hệ thống chất tải của máy thí nghiệm, so với độ cứng của mẫu thí nghiệm, các máy thí nghiệm được phân ra hai nhóm:

Hình 3-4 Khái niệm độ cứng của hệ thống chất tải

Hình 3-5 Mẫu thí nghiệm nén một trục

dãn kế dọc dãn kế

ngang

Nén một trục (hay đơn trục)

Với các máy thí nghiệm hiện đại,

khi tiến hành thí nghiệm nén một trục, các

mẫu thí nghiệm thường được gắn các đầu

đo biến dạng dọc và biến dạng ngang (khái

niệm đầu đo ở đây được hiểu là tất cả các

loại cảm biến khác nhau-từ đồng hồ, phiến

điện trở, cho đến các thanh, vòng cảm ứng

điện từ ) Nhờ các cảm biến này cho phép

ghi nhận cũng như hiển thị các dữ liệu (số

liệu cũng như biểu đồ) trong quá trình thí

nghiệm ưu điểm cơ bản của kỹ thuật đo là

ghi nhận được toàn bộ số liệu chính xác về

biến dạng dọc và ngang của mẫu trong quá

trình thí nghiệm Các kết quả đo lại có thể

được sử dụng để điều khiển thí nghiệm

Hình 3-5 cho thấy mẫu đá được chuẩn bị

cho thí nghiệm nén đơn trục Dung cụ đo bao gồm dãn kế đo biến dạng dọc

và dãn kế đo biến dạng ngang

thủy lực vào mẫu, được đưa vào trong

xy lanh (buồng Karman) và chất tải

xung quanh bởi áp lực dầu thủy lực

Hình 3-6 và 3-7 cho thấy quá trình

chuẩn bị mẫu thí nghiệm Với thiết bị

tự động báo mẫu bị phá hủy, các máy

hiện đại cho phép có thể điều khiển tự

động quá trình chất tải theo nhiều nấc,

không phụ thuộc vào trạng thái của

mẫu

Hình 3-6 Chuẩn bị mẫu nén ba trục: bọc mẫu và gắn các dãn kế

tÊm nÐn

èng

dÉn dÇu

buång nÐn

• kÐo qua uèn,

• kÐo qua thÝ nghiÖm ba trôc

Tuy nhiªn, do nh÷ng khã kh¨n vµ chi

phÝ nªn ph−¬ng ph¸p ®−îc ¸p dông phæ

biÕn hiÖn nay lµ kÐo t¸ch hay nÐn t¸ch

(h×nh 3-8), tøc lµ nÐn mÉu h×nh trô däc theo

®−êng sinh Ph−¬ng ph¸p nµy còng ®−îc

gäi lµ “ph−¬ng ph¸p Bradin”

H×nh 3-7 ChuÈn bÞ mÉu nÐn ba trôc:

mÉu trong buång nÐn thñy lùc

D

L

F max

Hình 3-9 Mặt phá hủy khi kéo tách

Hình 3-10 Máy thí nghiệm cắt

Phương pháp hình thành xuất phát từ lời giải bài toán nén tấm tròn bằng tải trọng tập trung trong lý thuyết đàn hồi Khi chịu nén, theo hướng vuông góc với mặt cắt dọc theo đường sinh xuất hiện ứng suất kéo và gây phá hủy mẫu do kéo (hình 3-9) khi ứng suất kéo đạt khả năng chịu kéo của mẫu

Độ bền kéo qua thí nghiệm kéo tách được xác định theo biểu thức: π.D.L

dụng để xác định khả năng chịu tải của

mẫu đá khi chịu cắt thuần túy hoặc cắt

suất pháp và ứng suất tiếp tại thời điểm

mẫu bị phá hủy, cụ thể trong mối quan

hệ:

F(σ*, τ*) =0 (3-2)

Nghĩa là ứng với một giá trị σ* luôn có

một giá trị τ* tương ứng gây ra phá hủy

cắt hay trượt, tùy theo loại đá

3.1.2 Các biểu hiện cơ học của đá qua thí nghiệm nén

3.1.2.1 Biểu hiện cơ học khi nén một trục với tốc độ tăng tải và tốc độ biến dạng không đổi

Trong thí nghiệm nén đơn trục hay một trục, mẫu thí nghiệm thường

có dạng hình trụ chịu tải trọng nén dọc theo trục mẫu Dịch chuyển và biến dạng dọc trục và ngang trục được ghi lại cùng với quá trình biến thiên của tải trọng

Hình 3-11 là các sơ đồ đặc trưng về biểu hiện của đá, nhận được bằng thí nghiệm Trên hình 3-11a là dạng biểu đồ tổng quát trong trường hợp thí nghiệm ở chế độ điều khiển tải trọng, nghĩa là tăng tải với tốc độ không đổi Tuy nhiên, dạng biểu đồ này cũng có thể nhận được ngay cả ở các máy thí nghiệm điều khiển biến dạng, khi mẫu đá có biểu hiện dòn Biểu đồ 3-11b

là kết quả đặc trưng, nhận được trên các máy thí nghiệm có hệ thống chất tải

‘cứng’ và trong chế độ thí nghiệm điều khiển theo biến dạng

Từ các kết quả tổng hợp này, cho phép rút ra các nhận xét sau đây về các biểu hiện cơ học của đá

a) Trong giai đoạn khởi đầu thí nghiệm, đồ thị ứng suất-biến dạng có thể

có dạng lõm do các nguyên nhân sau:

• các mặt đáy mẫu không song song, dẫn đến diện tích mặt tiếp xúc nhỏ, biến dạng không đều và tốc độ biến dạng giảm nhanh

• trong mẫu thí nghiệm có các khe nứt vi mô nằm ngang, do vậy khi tăng tải các khe nứt được khép kín dần, tăng dần diện tích nhận tải, giảm nhanh tốc độ biến dạng;

b) Tiếp đó đồ thị có dạng gần tuyến tính (thẳng) trong một phạm vi nhất

định Biến dạng của mẫu đá được coi là ổn định

c) Nhưng tiếp tục tăng tải sẽ làm xuất hiện các vết nứt vi mô trong mẫu

đá, do vậy biến dạng tăng phi tuyến

d)Tải trọng tiếp tục tăng sẽ làm các khe nứt phát triển và cuối cùng dẫn

đến sự phá hủy mẫu Giá trị cực đại của ứng suất đạt được phản ánh khả năng chịu nén đơn trục (hay một trục) của đá

đ)Sử dụng các máy thí nghiệm có độ cứng lớn (lớn hơn độ cứng của mẫu), có thể nhận được đồ thị về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sau giới hạn phá hủy, với hình dạng nhất định, tùy thuộc vào đặc tính của loại

đá

Khi thí nghiệm trên hệ thống cứng, quá trình phá hủy sau khi tải trọng đã đạt được độ bền của mẫu sẽ diễn ra cũng phụ thuộc vào độ cứng của máy Hình 3-12 mô phỏng đường đặc tính của máy, đường đặc tính của mẫu đá cùng với các kết quả nhận được cho hai trường hợp máy mềm và máy cứng

khe nứt khép lại

biến dạng

đàn hồi tuyến tính

các vết nứt phát triển ổn định

các vết nứt phát triển không ổn

định

dọc trục ngang trục thể tích

σdọc trục

σphá hủy

*N

Hình 3-12 1) Đường đặc tính của máy và mẫu thí nghiệm;

2) Máy mềm; 3) Máy cứng

Trường hợp máy mềm, công biến dạng của mẫu (AM=diện tích ABDE) nhỏ hơn công giảm tải của hệ thống chất tải (AH=diện tích AM1DE), như vậy phần năng lượng dư trong hệ thống (thế năng tích lũy khi tăng tải), được giải phóng góp phần làm cho quá trình xảy ra mất ổn định Ngược lại khi hệ thống chất tải là ‘cứng’, công cơ học do giảm tải (diện tích AM2DE) nhỏ hơn công biến dạng của mẫu, do vậy đòi hỏi phải gây công cơ học từ hệ thống chất tải và khi đó quá trình biến dạng phá hủy sau giới hạn sẽ xảy ra

ổn định Hiện tượng này được chú ý khi thiết kế các trụ bảo vệ, phi phân tích các quá trình vỡ nổ đá (phá hủy kèm theo tiếng nổ lớn do giải phóng năng lượng trong khai thác hầm lò)

Xuất phát từ những kết quả và đặc điểm đã nêu trên của hai hệ thống máy cứng và máy mềm, đồng thời cũng do đặc điểm riêng của lĩnh vực Cơ học đá là phải nghiên cứu cả các hiện tượng sau khi khối đá đã chuyển sang trạng thái phá hủy hoặc đã đang ở trạng thái phá hủy, nên hiện nay Cơ học

đá chủ yếu sử dụng các máy thí nghiệm có hệ thống chất tải ‘cứng’, ‘điều khiển biến dạng’

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu cho thấy các loại đá có những biểu hiện biến dạng rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau

Ví dụ, nghiên cứu nén mẫu của 28 loại đá trong điều kiện chất tải với tốc độ tăng tải không đổi (cũng còn gọi là chế độ tăng tải cưỡng bức), Miller

đã nhận được 6 dạng biểu đồ điển hình khác nhau cho các loại đá, thể hiện trên hình 3-13

Biểu đồ loại 1, được đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng cho đến khi mẫu vật bị phá huỷ hoàn toàn, thu được ở các mẫu đá bazan, quaczit, điaba, đôlômit và đá vôi rất cứng chắc

Biểu đồ loại 2, đặc trưng cho tính đàn hồi- dẻo, thu được ở các loại đá

là đá vôi mền, đá bột kết

Biểu đồ loại 3, thu được ở các loại đá cát kết, granit và đá phiến khi nén theo phương song song với mặt phân phiến, thể hiện tích chất dẻo - đàn hồi

Đá gơnai cho kết quả như ở biểu đồ loại 4, với tính dẻo - đàn hồi - dẻo Đá phiến khi chịu nén vuông góc với mặt phân phiến cho kết quả như biểu đồ loại 5, thể hiện tính dẻo - đàn hồi - dẻo

Biểu đồ loại 6, nhận được ở các loại đá muối, thể hiện rõ tính chảy nhớt hay chảy dẻo

Tuy nhiên trong tài liệu của tác giả không cho biết trị số của tốc độ tăng tải khi tiến hành thí nghiệm

ở nhiều loại đá, khi tiến hành thí nghiệm các mẫu với tốc độ tăng tải khác nhau có thể nhận được các biểu đồ thí nghiệm khác nhau Kết quả thu

được ở đá muối cacnalit trong hình 3-14 là một thí dụ điển hình Khi tốc độ tăng tải nhỏ, biến dạng tỷ đối lớn; ngược lại khi tốc độ tăng tải càng lớn, biến dạng tỷ đối toàn phần càng nhỏ đi; ngoài ra hình dạng biểu đồ σ-ε cũng thay đổi Biểu đồ thực nghiệm khi tốc độ tăng tải v = 11MPa/s có dạng

đường thẳng

Sự phụ thuộc của kết quả thí nghiệm vào tốc độ tăng tải đồng thời cũng cho thấy vai trò của việc ấn định tốc độ tăng tải trong quá trình thí nghiệm Rõ ràng là nếu không chú ý yếu tố này, sẽ có thể đi đến nhận định

sai về tính chất của đối tượng được nghiên cứu Kết quả thí nghiệm trong một điều kiện cụ thể chỉ có thể phản ánh được biểu hiện của vật thể trong

điều kiện đó Muốn có được nhận định về tính chất của vật thể đòi hỏi phải tiến hành thí nghiệm với các điều kiện khác nhau

Nhiệt độ cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến biểu hiện biến dạng, cũng như tốc độ tăng tải Hình 3-15 minh họa kết quả thu được ở mẫu đá muối

mỏ ở nhiệt độ là 200C và 800C trong điều kiện thí nghiệm v= 0,5MPa/s và

độ mảnh L/D =2 Kết quả cho thấy là khi nhiệt độ càng tăng, khả năng biến dạng của mẫu càng tăng Mức độ biến động theo nhiệt độ đương nhiện tùy thuộc vào từng loại đá cụ thể Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biểu hiện cơ học của đá có ý nghiã đặc biệt khi các công trình bố trí sâu trong lòng vỏ trái đất (vì càng xuống sâu nhiệt độ càng cao), và trong các khu vực chịu ảnh hưởng của các nguồn địa nhiệt

Do những đặc điểm phức tạp của các loại đá, nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và hình dạng mẫu thí nghiệm đến biểu hiện cơ học là vấn đề luôn được chú ý đặc biệt trong Cơ học đá, liên quan với tính đồng nhất và không đồng nhất của mẫu thí nghiệm cũng như ảnh hưởng của ma sát giữa tấm nén và mẫu

Dựa vào các dạng hiểu hiện sau trạng thái phá hủy có thể phân ra ba nhóm là biến dạng dẻo, biến dạng dẻo giảm bền hay dòn-dẻo và biến dạng dòn hay phá hủy dòn (hình 3-16)

2

Hình 3-14 ảnh hưởng của tốc độ tăng tải đến biểu hiện

biến dạng của mẫu đá muối ( với L/D =2)

L D

Hình 3-18 ảnh hưởng kích thước mẫu

mẫu càng lớn

độ bền càng nhỏ, tính dòn càng giảm

độ bền lớn tính dòn cao

kích thước tăng

kích thước giảm

ở các loại đá có biểu hiện biến dạng dòn-dẻo, trong trạng thái phá hủy hoàn toàn, đá vẫn còn có thể có khả năng nhận tải nhất định, giá trị khả năng nhận tải đó được gọi là độ bền dư (độ bền còn lại) như trên hình 3-17

Đá có biến dạng dẻo sau trạng thái phá hủy có khả năng nhận tải không đổi

và bị phá hủy hoàn toàn khi biến dạng đạt giá trị cực đại

Các kết quả thí nghiệm với các máy ‘cứng’, điều khiển biến dạng cho thấy rất rõ ảnh hưởng của kích thước và hình dạng mẫu đến biểu hiện cơ học

Trên hình 3-18 là sơ đồ

điển hình phản ánh ảnh hưởng

của kích thước mẫu đến biểu đồ

ứng suất – biến dạng khi nén

đơn trục Đồ thị cho thấy kích

thước có ảnh hưởng không chỉ

đến độ bền nén một trục, mà cả

biểu hiện phá hủy, biểu hiện

dòn (góc nghiêng của đoạn đồ

thị trong vùng sau phá hủy)

xắc suất tồn tại các vị trí yếu

càng lớn.Tuy nhiên, trong trường

hợp này cho thấy mô đun đàn hồi E không có biến đổi đáng kể khi thay đổi kích thước mẫu

dẻo

dẻo – giảm bền

phá

hủy dòn

hình dạng

độ mảnh càng lớn

độ bền càng giảm

Hình 3-19 ảnh hưởng của hình dạng mẫu đến biểu đồ ứng suất – biến dạng

H

D

Các mẫu hình trụ có thể có độ mảnh (tỷ số giữa chiều dài L hay chiều cao H và đường kính D của mẫu) khác nhau Hình 3-19 cho thấy ảnh hưởng của độ mảnh đến dạng biểu đồ ứng suất-biến dạng Rõ ràng là khi độ mảnh tăng độ bền giảm và tính dòn tăng Tuy nhiên mô đun đàn hồi hầu như không chịu ảnh hưởng của độ mảnh

Điều này chủ yếu được giải thích là do sự tồn tại vùng chịu tác dụng

ba trục gần các đáy mẫu, liên quan với việc truyền tải trọng Cụ thể, tại vị trí tiếp xúc giữa đáy mẫu và bàn nén, xuất hiện lực ma sát, vừa hạn chế biến dạng ngang, vừa gây nên trạng thái ứng suất ba trục Do vậy nhằm loại trừ

ảnh hưởng này đến kết quả thí nghiệm, trong thí nghiệm nên sử dụng mẫu

có độ mảnh lớn Mẫu thí nghiệm thường được khuyến nghị có tỷ số H/D ≥2

Thí nghiệm nén đơn trục cũng thường được thực hiện kết hợp tăng tải và giảm tải Trong quá trình giảm tải, hình dạng và kích thước mẫu thí nghiệm

ít nhiều được khôi phục Biểu hiện biến dạng hồi phục này thường có dạng tuyến tính và được gọi với khái niệm quen thuộc trong lý thuyết đàn hồi là biến dạng đàn hồi Phần biến dạng không hồi phục được gọi là biến dạng dẻo

Hình 3-20 là ví dụ một kết quả ghi tự động trên máy tính về biểu đồ ứng suất – biến dạng từ thí nghiệm kết hợp tăng và giảm tải, cùng các tham

số đã được tính toán, xác định là mô đun biến dạng V, mô đun đàn hồi E và

hệ số Poisson υ

Hình 3-21 Biểu hiện đàn hồi sau trạng thái phá hủy của đá

Biểu hiện đàn hồi

không chỉ nhận thấy trước

giới hạn phá hủy của vật

thể, kết quả thí nghiệm ở

nhiều loại đá cũng cho

thấy ngay cả ở trạng thái

sau phá hủy đá vẫn có thể

còn có biểu hiện đàn hồi

Trên hình 3-21 là sơ đồ

phản ánh biểu hiện đàn

hồi của mẫu đá sau giới

hạn phá hủy, khi mẫu đá

có biểu hiện dẻo giảm bền

Tổng hợp các kết quả thí nghiệm nén đá có thể rút ra một số nhận định cũng như phân loại sau đây

a) Biểu hiện biến dạng của các loại đá trước và sau trạng thái phá hủy

đều rất đa dạng và phức tạp ;

b) Bằng cách tuyến tính hóa đơn giản biểu đồ ứng suất-biến dạng, khi giả thiết gần đúng đá là đàn hồi, trong tính toán gần đúng, có thể định nghĩa các tham số biến dạng như trên hình 3-22

Hình 3-20 Kết quả thí nghiệm kết hợp tăng và giảm tải trước

ET được gọi là mô đun đàn hồi tiếp tuyến, biểu thị tỷ lệ giữa gia số ứng suất và gia số biến dạng ∂σ/∂ε trong phạm vi tuyến tính của biểu đồ EC

được gọi là mô đun đàn hồi cát tuyến, hay thông thường cũng là mô đun biến dạng V, biểu thị tỷ lệ giữa ứng suất lớn nhất (ứng suất phá hủy) với biến dạng toàn phần tương ứng tại thời điểm phá hủy σPH/εTP Khi đá có biểu hiện giảm bền, tỷ lệ giữa gia số ứng suất và gia số biến dạng trên đoạn thẳng giảm bền được gọi là mô đun giảm bền N, cho biết quy luật giảm khả năng chịu tải (giảm bền) khi biến dạng tăng

Từ các kết quả và quy luật thực nghiệm nhận được về các biểu hiện của các loại

đá khi nén đơn trục, trong điều kiện kỹ thuật hiện nay, việc xác định các tham số cơ học phục vụ phân tích, đánh giá các vấn đề trong thực tế và làm dữ liệu thiết kế có thể thực hiện theo các chỉ dẫn sau đây

• Độ bền nén một trục được định nghĩa là giá trị ứng suất lớn nhất có thể tác động

được lên mẫu đá ,

*Nσ = Fmax /A = 4.Fmax /πD 2

(3-3)

Fmax lực lớn nhất đo được trong thí nghiệm [kN],

A tiết diện ngang chịu tải ban đầu của mẫu, A=πD 2 /4 khi mẫu dạng hình trụ [cm 2 ],

D đường kính mẫu hình trụ [cm]

*

N

σ độ bền nén đơn trục (hay một trục) [MPa]

• Mẫu thí nghiệm hình trụ nên có đường kính tối thiểu bằng 10 lần đường kính hạt khoáng vật (phần tử cấu trúc) lớn nhất và không nên nhỏ hơn 30mm, vì để đảm bảo tính đồng nhất Mẫu thí nghiệm kích thước lớn nên được ưu tiên sử dụng

σPH 0,75.σPH 0,5.σPH 0,25.σPH

Hình 3-23 Tính chuyển kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén một trục

H D TN N TC N

2 7

* 8

100 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

• Nếu không có yêu cầu đặc biệt khác, tỷ lệ chiều cao trên đường kính mẫu tối thiểu nên là 2:1 Khi độ mảnh nhỏ hơn 2:1, nhất thiết phải sử dụng hệ số điều chỉnh để quy

đổi lại độ bền Hệ số suy giảm được xác định theo biểu thức (hình 3-23) :

• Tốc độ tăng tải không chỉ liên quan đến thời gian, mà còn có tác động đến tốc độ biến dạng và độ bền nén, bởi lẽ tải trọng tăng nhanh sẽ gây ra ứng suất tăng đặc biệt nhanh khi vật liệu thí nghiệm có độ cứng lớn, tăng chậm khi vật liệu có độ cứng nhỏ Do vậy thí nghiệm cần được điều khiển theo tốc độ ứng suất hoặc tốc độ biến dạng Tốc độ ứng suất ∂σ/∂t biểu thị sự biến đổi của ứng suất theo thời gian và tốc độ biến dạng ∂ε/∂t biểu thị sự biến đổi của biến dạng theo thời gian Thí nghiệm nên tiến hành với tốc độ biến dạng không đổi Thông thường tốc độ biến dạng được điều khiển trong khoảng 0,5≤

∂ε/∂t ≤ 1,0 mm/m.phút Tuy nhiên tốc độ biến dạng nên được chọn sao cho thời gian thí nghiệm cho đến khi đạt ứng suất cực đại không nhỏ hơn 5 phút Các mẫu thí nghiệm cho thấy biểu hiện biến dạng chịu ảnh hưởng mạnh của yếu tố thời gian, cần được xem xét thận trọng Nếu thí nghiệm ở chế độ điều khiển tải trọng, cần thiết điều khiển tốc độ thay

đổi ứng suất theo yêu cầu cụ thể Thông thường tốc độ hay số gia ứng suất được điều khiển trong khoảng từ 1,0MPa/giây đến 0,5MPa/giây Nhưng với mục đích xác định độ bền nén đơn trục phục vụ tính toán tốc độ khoan, cắt cần thí nghiệm với tốc độ tăng ứng suất lớn hơn.

• Khi xác định độ bền nén một trục các loại đá có đặc điểm không đẳng hướng (ví dụ

đá phiến sét) cần phân biệt ba trường hợp tương ứng với thế nằm của hệ mặt phân cách như trên hình 3-24 Bằng cách này cho phép xác định được các biểu hiện cơ học phụ thuộc vào hướng Chẳng hạn thí nghiệm ở đá thạch anh phyllit trong cho các kết quả tương đối như sau : khi giá trị độ bền nén đơn trục trong trường hợp c) là 100%, thì trường hợp a0 đạt 80% đến 90%, còn trường hợp b) có thể nhận được giá trị thấp nhất từ 20% đến 50%, khi góc nghiêng α=30 0 Nếu chỉ có mẫu thí nghiệm ở dạng b), nên tiến hành thí nghiệm xác định độ bền nén đơn trục gián tiếp bằng phương pháp nén điểm

Đương nhiên trong mọi trường hợp cần ghi rõ góc nghiêng thí nghiệm.

D đường kính mẫu thí nghiệm [mm],

H chiều cao mẫu thí nghiệm [mm]

• Không được xác định độ bền nén trên mẫu

có tỷ lệ H :D<1 ; mối quan hệ giữa ứng

suất-biến dạng chỉ nên thí nghiệm ở các mẫu tối

thiểu có tỷ lệ H :D>1,5.

• Hàm lượng nước có thể có ảnh hưởng cơ bản đến biểu hiện biến dạng và độ bền của mẫu đá Do vậy trong trường hợp cần có dữ liệu phản ánh đúng điều kiện tự nhiên, cần thiết bảo quản mẫu lấy được sao cho hàm lượng nước được giữ không đổi Ngay cả khi gia công mãu cũng tránh không làm thay đổi hàm lượng nước Sau khi đã thí nghiệm nén, cần thiết xác định độ ẩm của mẫu (trên các mảnh vỡ) Tuy nhiên, nói chung hàm lượng nước tự nhiên thường bị biến đổi khi gia công mẫu, do vậy cần tiến hành thí nghiệm trong các điều kiện khác nhau sau : khô gió ; xấy khô ; ẩm (sau khi cắt, mài) ; ngâm trong nước 24 đến 48 giờ Thông thường nước ít có ảnh hưởng đáng kể ở các mẫu có độ

lỗ rỗng nhỏ, nhưng có ảnh hưởng rất rõ ở những loại đá dễ biến đổi do tác động của nước

Ví dụ trên hình 3-25 cho thấy mức độ ảnh hưởng của nước đến độ bền nén của đá sét kết,

c) vuông góc với mặt phân lớp, mặt phân phiến α=90 0

Góc nghiêng so với mặt phân phiến

Góc nghiêng so với mặt phân phiến

Tỷ phần của độ bền nén % Tỷ phần của độ bền nén %

Hình 3-24 Biểu hiện không đẳng hướng của độ bền nén của đá phyllit thạch anh , với mặt phân phiến thẳng và trơn (đường liền), mặt phân phiến lượn sóng (đường rời)

• Một chỉ tiêu quan trọng khi thí nghiệm nén đơn trục là diện tích phía dưới đồ thị ứng suất-biến dạng, được gọi là công cơ học toàn phần hay công phá hủy, ví dụ như trên hình 3-26

• Thí nghiệm chất tải kết hợp giảm tải và tái chất tải cho phép xác định được ba thành phần biến dạng là biến dạng toàn phần εtp, biến dạng đàn hồi (hồi phục)εđh, và biến dạng dẻo εd Từ đó xác định được hệ số đàn hồi hay hệ số dòn E0 và hệ số dẻo D0 của đá theo các biểu thức :

trước phá hủy sau phá hủy

0,3 0,9 0,1

Hình 3-25.ảnh hưởng của độ ẩm đến độ bền nén đơn trục của đá sét kết mỏ Phấn Mễ

Hình 3-27 Búa Schmidt

Việc xác định hệ số đàn hồi và hệ số dẻo có ý nghĩa thực tế quan trọng Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, nếu ở xung quanh các đường lò trong các mỏ hầm lò có các loại đá với E 0 ≥ 70% thường có thể xẩy ra hiện tượng vỡ nổ đá (ở một số tài liệu gọi

là ''cú đấm mỏ'') Đó là hiện tượng phá huỷ của gương lò, thành lò hay trụ bảo vệ kèm

theo tiếng nổ lớn Hệ số đàn hồi và hệ số dẻo (cũng còn gọi là hệ số dai) có ý nghĩa đặc biệt đối với công tác nổ mìn, cụ thể là việc phá vỡ đá bằng nổ mìn càng khó khi hệ số dẻo càng cao

• Vì các dữ liệu thu được trong phòng thí nghiệm, đặc biệt trên các mẫu thử với các quy cách đã nêu, thường chỉ thực hiện trong giai đoạn điều tra cơ bản, hoặc đòi hỏi chi phí cao và các kết quả thu được chỉ có giá trị cho vị trí đã lấy mẫu thí nghiêm Để có thể

dự báo các dữ liệu thực tế kịp thời, có thể sử dụng các phương pháp thí nghiệm gián tiếp, tiến hành cả trong phòng thí nghiệm và cả ngoại hiện trường Hai phương pháp đang

được sử dụng phổ biến là thí nghiệm bủa nẩy SCHMIDT và thí nghiệm nén điểm với các phương tiện gọn, nhẹ Tiến hành trong phòng thí nghiệm trước hết với mục tiêu lập mối tương quan giữa các kết quả thí nghiệm nén đơn trục với các kết quả bằng phương pháp gián tiếp Thí nghiệm tại hiện trường, thực tế có thể hay bắt buộc triển khai hàng ngày trong quá trình thi công, với mục đích cập nhật, để điều chỉnh các biện pháp công nghệ,

kỹ thuật.

Thí nghiệm búa nẩy Schmidt

Búa nẩy Schmidt (hình 3-27) hiện đang là

một công cụ gọn nhẹ, có thể được sử dụng để xác

định độ bền nén của đá Búa có một đầu đột, khi

được kích hoạt bằng năng lượng đập xác định vào bề

mặt vật thí nghiệm, bị đẩy lại theo nguyên lý va đập,

tùy theo tính chất cơ học của đá Độ dài nẩy lại

được coi là một thước đo, hay chỉ số, phản ánh chất

lượng đá, được nghiên cứu để tính chuyển về độ bền

nén đơn trục Do vậy, việc sử dụng búa Schmidt để

xác định độ bền nén của đá cũng như khối đá đòi

hỏi phải thiết lập được mối tương quan giữa độ nẩy

và độ bền

Thí nghiệm có thể dễ dàng thực hiện tại

hiện trường (cũng như trong phòng thí nghiệm) tại

nhiều điểm và nhiều lần Đương nhiên, các giá trị nhận được phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau (như góc bắn, trạng thái bề mặt, kích thước, hình dạng mẫu, bắn trong phòng hay tại hiện trường ) và do vậy thường biến thiên ở khoảng rộng

Trong thực tế có ba loại búa được sử dụng, với ký hiệu L, M và N, khác nhau về năng lượng đập Hiện tại trong thực tế lại hay sử dụng loại búa N Với các góc bắn khác nhau so với phương nằm ngang, độ nẩy cho các giá trị khác nhau vì búa đập chịu ảnh hưởng của lực hút trọng trường Do vậy kết quả bắn (độ nẩy R) trước tiên được hiệu

Hình 3-28 Biểu đồ điều chỉnh độ nẩy theo hướng bắn búa loại N

Việc thiết lập mối tương quan giữa độ bền và độ nẩy thực sự là công việc đòi hỏi nhiều thí nghiệm trong những điều kiện nhất định Thông thường có thể tiến hành xác lập trên cơ sở tiến hành đồng thời thí nghiệm xác định độ bền của đá với thí nghiệm bằng búa Schmidt cho loại đá cần quan tâm, sau đó hiệu chỉnh bằng thí nghiệm bắn tại hiện trường Mặc dù búa Schmidt đã được sử dụng rộng rãi, nhưng đến nay ít có các kết quả công bố về mối tương quan này Trong một số tài liệu của Hội co học đá quốc tế giới thiệu mối quan hệ giữa độ nẩy và độ bền nén của đá khi sử dụng búa loại L

Để tham khảo, giới thiệu các kết quả nghiên cứu của WOSZIDLO (hình 3-29) cho hai trường hợp bắn trong phòng thí nghiệm và bắn tại hiện trường, khi sử dụng búa loại N Sự khác nhau về độ nẩy tại hiện trường và trong phòng thí nghiệm có thể giải thích dựa vào quy luật va đập Đối tượng chịu tác động tại hiện trường có kích thước lớn (có thể xem là vô cùng lớn ) hơn nhiều so với mẫu trong phòng thí nghiệm, nên cho độ nẩy lớn hơn ở cùng độ bền Thực tế cho thấy độ nảy còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, như trạng thái bề mặt điểm bắn (độ nhám, mức độ phong hóa ), độ ẩm (Ngô Doãn Hào 2000), do vậy khi sử dụng cần tiến hành nghiên cứu kiểm định trước, cả trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường, để có thể có được nhận định hợp lý Đồng thời cũng có thể tăng cường nghiên cứu để có thể sử dụng gian tiếp phương pháp này vào việc định lượng hóa các đặc điểm của đá, vẫn thường miêu tả định tính

Thí nghiệm nén điểm

Thí nghiệm nén điểm có thể thực hiện cả trên mẫu đá, dưới dạng lõi khoan và cả

ở các mẫu không quy cách, lấy bất kỳ ngay tại chỗ hay tại hiện trường, với kích thước và hình dạng tương đối Trong các phương pháp thí nghiệm, phương pháp nén điểm là một phương pháp xác định gián tiếp độ bền nén đơn trục của đá, đương nhiên cũng có thể xác

định độ bền kéo đơn trục, trên cơ sở các hàm tương quan thực nghiệm Ban đầu phương pháp này được phát triển để kiểm tra nhanh lõi khoan tại hiện trường và các cục đá, cung cấp giá trị tương đối về độ bền để có thể đưa ra được các được quyết định kịp thời Nhờ

có những tiến bộ trong phát triển dụng cụ thí nghiệm và xử lý số liệu bằng phương pháp thống kê, phương pháp này cũng được sử dụng trong phòng thí nghiệm, cạnh tranh với phương pháp xác định độ bền nén mẫu hình trụ Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng thực hiện nhanh và chuẩn bị mẫu đơn giản

Phương pháp nén điểm đặc biệt hay được sử dụng khi khó gia công được mẫu hình trụ, cụ thể là :

• với các lõi khoan bị gãy, phá hủy,

• tại các đới phá hủy hay vùng bị phong hóa,

Hình 3-29 Biểu đồ tính chuyển đọ nẩy và độ bền nén đơn trục

theoWOSZIDLO 1989 cho búa loại N

Fmax là lực gây phá hủy mẫu [N];

IS chỉ số nén điểm [MN/m 2 =N/mm 2 ]

Từ kết quả này, thông qua một hệ số tính chuyển có thể nhận đ−ợc độ bền nén

đơn trục của đá Trên hình 3-31 là biểu đồ tính chuyển phác họa từ các kết quả của các tác giả D’ANDREA (1965), BROCH và FRANKLIN (1972) và BIENIAWSKI (1974)

Hình 3-30 Dụng cụ và sơ đồ nén

điểm

máy bơm dầu

van quá

áp

đồng hồ

đo áp lực

kích thủy lực mẫu

x D’ Andrea et.al (1965) Broch & Franklin (1972) Bieniawski (1974)

x

x

x x

x x

x x x

x x

x x

x

x x x x

x xx x

x

x x x x

xx x x x

x x x x x x

D

L ≥0,7.D

Hình 3-31 Quan hệ giữa độ bền nén đơn trục và chỉ số nén điểm IS

Khi mẫu thí nghiệm có giá trị D=50mm, chỉ số được ký hiệu là IS,50; giá trị độ bền nén được xác định như trên hình 3-32

Xuất phát từ thực tế là các mẫu thí nghiệm bị phá hủy theo mặt cắt ngang xác

định, chỉ số nén điểm trên các mẫu hìng trụ cũng được đề nghị xác định theo biểu thức:

A

F

I S = max (3-7)

IS chỉ số nén điểm [MN/m 2 =N/mm 2 ]

Fmax tải trọng gây phá hủy [MN= 10 6 N]

A diện tích mặt phá hủy [m 2 =10 6 mm 2 ]

Khi nén ngang mẫu A= πD 2 /4, khi nén dọc mẫu A=D.W (Hình 3-33)

Từ thực tế này, nên đã xuất hiện khái niệm đường kính tương đương De, là đường kính của vòng tròn có cùng diện tích với diện tích mặt cắt ngang của mẫu thí nghiệm Với các quy ước như trên hình 3-33, có thể tính đường kính tương đương theo biểu thức

De2=4A/π, cho các trường hợp mặt phá hủy khác với hình tròn

Trong thực tế khi thí nghiệm mẫu có thể bị phá hủy ở các dạng khác nhau, tùy theo cách thức đặt tải trọng và sai sót khi thí nghiệm Do vậy không phải mọi kết quả đều

được chấp nhận Trên hình 3-34 là chỉ dẫn về các dạng phá hủy được chấp nhận và dạng phá hủy không hợp lý

Các dạng phá hủy

được chấp nhận

Các dạng phá hủy không hợp lý

Hình 3-34 Quy định về các dạng mẫu phá hủy được chấp nhận

mẫu hình trụD

LL>0,5D

DeD

W

0,3W<D <W

De

-đường kính tương

đương mẫu hình hộp

Hình 3-33 Định nghĩa đường kính tương đương khi thí nghiệm nén điểm